华中科技大学机械科学与工程学院 马波

文/胡月

微机电系统技术是面向21世纪的新兴科技,是一项革命性的新技术。

作为多学科交叉的前沿技术,微机电系统技术融合了电子、机械、材料、制造、检测,以及物理、化学、能源、生物、医学等多种学科与技术,在国家重大战略规划“中国制造2025”、“2035远景目标纲要”和“工业4.0”中发挥着关键作用,关系到国家的科技发展、经济繁荣和国防安全的关键核心技术之一。

微机电系统也称之为微系统或微机械,是集微型传感器、执行器以及信号处理和控制电路、接口电路、通信和电源于一体的微型机电系统,是一个独立的智能型的微系统。

相较于传统的机械系统,微机电系统的尺寸更微小,一般在几毫米乃至更小的量级,其内部结构一般在微米甚至纳米量级。

微机电系统结构通常采用以硅为主的材料,而其制造采用与半导体集成电路(IC)类似的制造技术,可利用IC生产中的成熟技术、工艺,进行大批量、低成本生产,使性价比相对于传统的机械制造技术大幅度提高。

自八十年代中后期崛起以来微机电系统发展极其迅速,被认为是继微电子之后又一个对国民经济和军事具有重大影响的技术领域,并将成为21世纪新的国民经济增长点和提高军事能力的重要技术途径。

微机电系统具有以下几个基本特点:微型化、智能化、多功能、高集成度。其显著优点在于:体积小、重量轻、功耗低、精度高、能效高、价格低廉、性能稳定等。

微机电系统器件体积小、重量轻、耗能低、惯性小、谐振频率高、响应时间短。与一般的机械系统相比,不仅体积缩小,而且在力学原理和运动学原理,材料特性、加工、测量和控制等方面都将发生变化。

微机电系统通常以硅为主要材料,其强度、硬度和杨氏模量与铁相当,密度类似铝,热导率接近钼和钨,因此其机械电气性能优良。

微机电系统采用类似集成电路的生产工艺和加工过程,用硅微加工工艺在一硅片上可同时制造成百上千个微型机电器件或完整的微系统。具有极高的自动化程度,批量生产可大大降低生产成本。

此外还可以把不同功能、不同敏感方向或致动方向的多个传感器或执行器集成于一体,或形成微传感器阵列、微执行器阵列,甚至把多种功能的器件集成在一起,制造出高可靠性、高稳定性的微系统。

微机电系统还具有多学科交叉特点,其涉及电子、机械、材料、制造、信息与自动控制、物理、化学和生物等多种学科,并集约了当今科学技术发展的许多尖端成果。

常见的微机电系统产品包括加速度计、麦克风、微马达、微泵、微振子、光学传感器、压力传感器、陀螺仪、温湿度传感器、气体传感器等。

随着微机电系统技术的进一步发展,以及应用终端“轻、薄、短、小”的特点,目前对小体积高性能的微机电系统产品需求增势迅猛,为智能系统、消费电子、医疗、可穿戴设备、智能家居、系统生物技术等领域开拓了广阔的用途。同时在航空航天系统的应用可大大节省费用,提高系统的灵活性,并将导致航空航天系统的变革。

在军事应用方面,美国国防部高级研究计划局正在把微机电系统应用于个人导航用的小型惯性测量装置、大容量数据存储器件、小型分析仪器、医用传感器、光纤网络开关、环境与安全监测用的分布式无人值守传感等方面的研究,同时正在探索应用在化学战剂报警器、敌我识别装置、智能蒙皮、分布式战场传感器网络等。

微机电系统技术正通过微型化、集成化来探索新原理、新功能的器件和系统,开辟一个新技术领域和产业。微机电系统可以完成大尺寸机电系统所不能完成的任务,也可嵌入大尺寸系统中,把自动化、智能化和可靠性水平提高到一个新的水平。21世纪微机电系统必将逐步从实验室走向实用化,对工农业、信息、环境、生物工程、医疗、空间技术、国防和科学发展将产生重大深远影响。

人物简介

马波,男,1984年出生,博士,研究员,博士生导师。分别于2008年和2010年获得吉林大学学士和硕士学位,2016获得清华大学博士学位,师从尤政院士。2017年赴美国斯坦福大学CMUT技术发明人Butrus T. Khuri-Yakub教授课题组做博士后。2020年入职斯坦福大学电气工程系E. L. Ginzton实验室,同年与Khuri-Yakub教授创立Orchard Ultrasound Innovation公司。2022年回国,2023年加入华中科技大学集成电路学院至今。

聚焦智能微系统技术的前沿领域,开展智能微系统3D集成技术、高端微纳芯片、MEMS智能传感器、智能超声诊疗装备的研究。在IEEE T-UFFC、JMEMS、IEEE IUS等领域内顶刊及国际会议上发表SCI论文10余篇。兼任T-UFFC、JAP、AMM等期刊审稿人。获授权发明专利10余项,其中第一发明人申请2项美国专利群,获授权2项美国专利及1项国际专利,以上专利成功实现成果转化。