微机电系统-第2章
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第二个特点，它抗破坏的能力很强。大家知道，如果把一个蚂蚁或一个小昆虫，从很高的地方把它放下来，很少有把它跌死的，它跌不死，小昆虫。但是我们人要是从这个几米高掉下来，我看反正够呛。那什么原因呢？就是本身小的东西承载能力就增强了。第二个整体尺寸。我们不说蚂蚁了，我们说材料，它整体尺寸的缩小会减低这个结构的缺陷的总数量，缺陷的总数量降低了，只有毫米见方的一个硅的芯片，要比整个四英寸的硅盘，这个圆盘，它的抗击打能力要强得多。
第三个方面，微型器件做得越小，它的固有频率就越高。它可以感知的外部信号的范围就更大。质量越小、频率越高，这是我们自然界的已经是一个很重要的规律了。比如说苍蝇和蜜蜂，它翅膀振动的频率可以很高，每秒钟可以振二百次，黄蜂可以每秒钟振到上千次，但是你要叫老鹰振上千次，它就完了，它大，它振不了。
你比如说现在的电子助听器，电子助听器是一个很大的市场，它里面那个感知原件，很重要的，声音接受了以后，怎么把它放大，靠感知元件，它现在主要就是用MEMS技术来制造的，做得很微小的这个助听器，现在也是技术含量很高，声音非常非常清晰，那么它的振动频率可以到百千赫兹以上。所以它可以很清晰地来感知到20千赫以下的声音振动的信号，就是超音波以下的声音，它完全没有问题，它可以很真实地还原出来，所以我们就看到了这个优点。
那么最后一点，我们现在采用的这个微机电系统，我们希望在相关子系统上面，都运用我们MEMS的技术，能够使它大大地缩小，而性能基本上都能够具备原来的性能，这样子我们就可以来构建一个比较小的复杂系统。这个左边是美国一家公司研制的，跟手掌这么大的微型飞机，这个微型飞机已经可以在空中飞行30分钟，距离可以达到几公里。微型飞机现在进行研究的，和我们航模的遥控是不一样。遥控是在可视距离里头，是由操纵手来操纵，看到你这个飞机是可以的，叫它左飞、右飞、上飞、下飞。微型飞机它是有智能的，它是自主来飞行的，这是一个很大的差别。我们航模飞机也可以做得比较小，但是它还不是真正意义上的微型飞机。就象这种系统就很复杂。
我们来谈一谈微机电系统，它怎么样来发挥它的作用，有什么途径。我们感觉现在是两种途径。
一种途径，就是我们通过MEMS发展的这种技术、这种产品，用于替代我们原来的传统的这些产品，借助微型化来改善我们原来产品的功能，这是一个很重要的途径。比如说在汽车行业里面，基于我们现在所说的微机电技术的微型加速度器，现在大量地取代了传统的安全气囊控制的系统。那么传统的加速度计是分立的，一般是装在汽车的最前面，然后用线路把它连到我们的控制系统，然后再和气囊连起来。这样子的一套设备，一个控制上面、时间上面，它因为分立比较滞后。另外，它的价格一般都在几十美元到上百美元，还不是很精密的加速度计，很出名的是丹麦的BK加速度计，它是很贵。那么用MEMS技术加工的加速度计非常得小，而且它是浑然一体，一个整体，非常小，装在上面，不需要专门的连接。它的重量轻、价格低，每套不到10个美元，对于大批量生产的公司来讲，这是一个很重要的数据。
第二个，我介绍一下，就是形成新的产品。就是MEMS技术，还给我们开拓了一个新的领域，也许是以前我们根本就没有知道的一个领域，或者我原来就根本没有这样的产品，那么这个，我们可以看一看，从1990年开始实施的人类基因组的计划，当时从制定计划的时候，希望在十几年内，要测定人类基因组全部的DNA的序列，并且要绘出基因的谱图，那么这个对人类的生命研究，对身体健康，具有很大的意义。一直到1998年，世界上的研究人员用了近10年的时间，才完成了不到6％这样的工作量。
到了1998年人类发明了毛细管电泳的生物芯片，这个芯片问世以后，在不到两年的时间内，科学家们就完成了剩余的94％的工作。所以2000年的6月，美、中、日、英、法、德六国科学家，向世界公布了人类基因组工作的草图，这个里面，就是生物芯片的问世起到了极其重要的作用。那么生物芯片就是通过MEMS加工技术，在固体芯片的表面上面，我们构件了微流体的分析单元和系统，能够实现对于基因、蛋白质，还有其它生物组分的准确、快速和大量的信息测试。
姜澄宇：那么微机电系统既然是这么样有用，这么样有广阔的前景，我们自然要问一个问题，这么小的系统，我们很难想象，什么60微米的电机、转轴，怎么做出来的？这个想法的起源是1959年，上一个世纪的中叶，有一个著名的物理学家叫理查德·菲尔曼，他是诺贝尔奖金的获得者，他在加州工学院一个著名的演讲里面，首先提出了发展微型器件和微技术这样的一个设想。
那么1961年的时候，第一个硅压力的传感器问世了，这表明了硅这种材料，不但可以做微电子的材料，而且可以做微机械的结构材料。1967年，表面微加工的技术问世了，就是surface micro machining，这个技术问世了。它能够在硅机底上面形成有活动自由度的微型结构，我们在硅上面能制造出一些微型的细小结构。1970年，第一个硅微加速度计问世。1979年，惠普公司开发第一个由微加工得到的喷墨头，现在打印机的喷墨头，上面有很多很多的微细小孔，而且什么时候喷，什么时候不喷，哪个孔喷，哪个孔不喷，这是很复杂的一个技术，现在大家用起来觉得很自然了，其实这里面很有学问。1992年，美国北卡罗莱纳微电子中心，产生了一套标准化的表面微加工工艺，这是我们对微加工技术，逐步逐步地前进。
我们现在可以回顾一下说，以美国为代表的这种技术，实际上是从集成电路加工的技术、体加工技术、表面加工技术和键合技术，发展成为我们目前来制造微机电系统的主要手段。
1982年在德国诞生了一个所谓的叫做LIGA技术，实际上就是通过X光的光刻、电铸和注塑，这个技术有一个很大的特点，它可以制造具有很大的深宽比的微机械结构。我们普通的光刻，刻不了非常深，它可以刻得很深，一个表面的图形它可以一直往下面刻，通过X光来实现，这个办法，所以这个技术也是非常有用的。
第三个是以日本为代表的。日本人从九十年代开始，提出的发展思路，跟美国、跟德国不一样。它怎么说呢，它是用大机器制造小机器，小机器制造微机器，他走的这个路。但是它也有特色，因为用那几种办法呢，我们很难做到很细小的，比如说是金属的微小的零件，日本的这种办法可以做得很小。这个是日本人，用大机器做小机器的办法，做了一台小车床，这个小车床是一个厘米见方，这很小了，水平已经是相当高。右边这个是日本的一些高校，他们研发的一个叫做光诱导微机器人，这个机器人也很小，你看它比一个硬币还要小。这个机器人有98个微零件，很不容易。你说这么小的东西里面98个微零件，还要进行微装配，这个水平也是很高的。
那么现在还有一种就是，从底层往上层做，怎么办呢？它实际上用专门的仪器，比如说原子力仪，用这个仪器来操纵分子和原子，来形成微机构，就是我把分子这个往这儿堆，这个往那儿堆，就像砌墙一样的，这个分子是一块砖，那个是一块瓦，然后这个是水泥，怎么样子把它弄起来，这就是从底层往上做的一种办法。当然现在这个办法要形成一些很有用的东西，还要有一段路程。
第四个方面我想介绍一下，做一些展望，既然说这是一个小精灵，确实是一个小精灵，它能够做很多原来我们所不能做的事情，或者比以前做得更好，这么多的事情。但是我觉得很多的老百姓，他们还会有一个误解，他们觉得微机电系统好像是非常地高深，仅仅是学术研究里面的阳春白雪。实际上我们身边，很多地方已经在用了，可能大家还没有意识得到，但是这些微系统往往不是作为一个整体的产品来进行使用的，就好比一个冰箱、一个洗衣机给你拿来就可以这样用。它往往是作为一个大系统的一个组成部分，它把它的特定功能贡献给了完整功能的一个大系统，完成了一个非常好的功能，它在悄悄地改变我们生活的面貌。
这是IBM研制的微型的磁盘，微型的硬盘，右边是数码相机使用的微存储器，这个里面的存储单元和它读写的磁头里边，都用到了我们MEMS的技术，有的是用它来制造的。
这个右边是用微型加工技术，做的微镜的一个内部机构，DMD，拿出来给大家看。把它综合起来呢，就可以形成一个高清晰度的，高品质的电视。那么这个电视水平究竟和现在怎么相比呢？大家看看这是一个鹦鹉的图。那么我们目前市场上面，说最好的电视，大家现在觉得比较好的就是等离子，等离子的电视现在刚刚问世，大概要3万多块钱一台，算是画质非常好的了。但是等离子比不上这个LCD的，它是一种用液晶显示的一个LCD的，现在已经研制出来了。但是LCD的还比不上用我们这个硅微镜做的DLP的，所以，我们这个档次、品质，在这个电视里面是比现在高了很多的层次，这也都是MEMS技术的一个体现。
我们最后把这个小精灵和大舞台要说一下。这个舞台有多大？我们来做一个市场份额的估算，估计。左边这个是已经发生的，2000年利用MEMS技术所产生的产值达到了300亿美元，根据科学家的预测，到2005年它的市场份额将会达到680亿美元，这应该说是一个很大的市场份额了。那么最大的份额，还是在IT行业。第二大的行业是在医疗，在medical，那么在交通和我们用的手机，tele…munication方面，也都分别占到了可观的市场份额。
另外，MEMS它是强调系统集成的，强调机电集成。现在提出来，可不可以跟光再集成？这成为未来发展的一个重要的趋势。现在我们提出所谓的叫做MOEMS，加上一个optical，就是optical MEMS，是当前光电信号互相转换这样的一个系统。现在全光网通讯，它容量非常大，更加方便快捷。那么这其中的光开关，光波的复用器、滤波器、调制器、衰减器等等，它们体积小、成本低、功耗小、精度要求高，这个都成为MEMS大显身手的一个很好的领域。
所以我们感觉，没有人能够准确地预测还会涌现什么样的新型的微机电系统，因为太多了。也没有人能够准确地预测，通过微机电系统会有多少我们已经习以为常的产品会被我们改头换面，因为它实在发展太快，影响面也太宽了。我觉得在MEMS之后，可能下一个进军，就可能进军到NEMS的领域里面去了，在那个领域里面可能会呈现更多神奇的特点，展现在我们世人的面前。 就像当年发明了晶体管，推动了微电子技术的发展，可以说是世界上的一场新技术的革命；晶体管的出现，计算机的出现。现在有很多科学界的科学家认为，微机电系统又将为人类带来一场新的技术革�
