电子制造工艺能在一块集成电路上产生一个数据存储装置或者一个化工厂

电子工业的发展依赖于其每18个月在一块集成电路上使晶体管数翻一番的能力，这一趋势驱动着电子工业发生急剧变革。在不大于一张邮票的面积上制造上百万个微型元件已经开始促成新技术，这一技术超出蜂窝电话和个人计算机的领域。

使用微电流材料和工艺，研究者们已经制造出微型梁、凹坑、齿轮、薄膜甚至电机，它们可用来移动原子或开关阀门以抽吸微升的液体。这些机械元件的尺寸是以微米测量的，只有人类头发的几分之一粗。与晶体管类似，可以一次制造百万个这样的元件。

在今后50年里，这一硅的结构工程可能与前几十年电子业小型一样对社会产生深刻的冲击。电子计算机及记忆电路，不论多么强有力，也不过是开关电子及使电子沿特定的微细线路传播。显微机械装置将给电子系统更加面向物质世界，使之感受和控制运动、光、声、热和其他物理现象。

机电一体化通过广泛的科学和工程训练将产生巨大的技术进步。数千个横或面小于1微米的梁可移动微型电子扫描头，扫描头可在一块集成块上读写出足以存储一个小型图书馆所需要的数据。数控阀门将以精确的时间间隔释放药剂于血液中。硅片上的内部导航系统将辅助定位军事对手的位置，指引炮弹准确地命中目标。

微电子机械系统，或称MEMS，是制造和结合微型的机械和电子元件这一方法的名称。MEMS装置的制造工艺类似于电子元件的制造，在某些情况下甚至是完全一样的。

表面微细加工

一种技术称作表面微细加工，与电子制造业十分相近，基本上是制造一系列的集成电路。表面微细加工之所以得其名是因为在一块硅片的表现加工出微型机械结构。这项技术依赖于光蚀法及其他一些常用的电子制造工艺，在硅片丄沉积或蚀去少量材料。

光蚀法在硅片表面产生图形，标志着一块区域在其后要蚀去，以建立诸如电机或独立梁之类的微型机械结构。制造者们开始在沉积有二氧化硅的圆片上画出及蚀刻出一个坑。接着，通过气相反应沉积一层多晶硅，以而覆盖孔洞和其余的二氧化硅材料。沉积在孔洞处的硅成为一个梁的基座，而覆盖在二氧化硅上的同样材料形成梁的悬臂。最后一步，蚀刻掉残余的二氧化硅，在圆片表面就留下独立的悬臂多晶硅梁。

这样的微型结构展示了有用的机械特性。当受电压激发时小质量的梁将比一个更重的装置振动得更快，表明它是对运动、压力甚至化学性能更敏感的探测器。例如，一个梁可能吸收一定的化学物质（当一薄层分子粘着在表面时就产生吸附），当吸收了较多的化学药剂时，梁的重量改变了，因而改变了受电激发时振动的频率。这个化学感应器就可以通过探测这样的振动频率改变来起作用。另一种传感器利用表面微细加工形成的梁，原理稍有不同。当一辆汽车撞击时迅速减速，它改变构成电容器的悬垂平行梁的位置，因而改变丁其存储的电荷量。麻省的一个半导体公司“模拟装置”制造了这种加速度传感器以触发释放一个气囊。在过去两年公司已向汽车制造商卖出50多万个这种传感器。

这种气囊传感器也许某一天会被看成是早期集成电子块的显微电子机械等价物。在硅片上制造运动传感器的梁和其它元件使有可能在标准的集成电路制造线上制造这种装置。在微电子学中，不断增加可被连结在一起的晶体管数量的能力已产生了真正革命性的发展：微处理器和记忆集成块使得个人计算机之类的计算装置有可能小型化和降低价格。同样的价值也只有在成千上万个机械机构能制造出来并与电子元件集成后才能显现出来。

显微电子机械装置批量生产的第一个例子已经出现，许多其它的装置正在世界各地的试验室中孕育个早期的例子表明MEMS可能怎样影响成千上万人在电视机前消遣的方式。“得克萨斯仪器”公司已经建立了一个电子显示屏，其构成图像的图素或称像素由微电子机械控制。每一个像素由16微米宽的铝镜组成，可反射彩色光脉冲至屏幕。当电场引起铝镜在两个集成方向上偏转10度时，像素启动开关。一个方向上，光束反射至屏幕以显示像素，而另一个方向上，光束从屏幕上散射，使像素保持黑暗。

这种微型镜显示器可以投射大屏幕电视要求的图像，光亮度高，图像细节分辨率好。这种镜子也可用于补偿在其他技术上所遇到的不足，例如，显示器设计者在制造用于壁型电视显示器的液晶屏幕上遇到的困难可以用微型镜显示器予以克服。

考察过去3年美国国防部高级科研项目管理部资助的一项计划，对MEMS的未来可见一斑。这项研究的目的是建立一些典型的微电子机械装置和系统的样品，不仅可改变武器系统，而且也用于民品。

洛杉矶加利福尼亚大学和加州理工学院的一些工程师辑要探明MEMS最终怎样影响空气动力学设计。这些人已经勾画出它的技术思想，即MEMS可能替代飞机机翼相对较大的运动表面——襟翼、前缘缝翼和飞机副翼，，它们控制飞机的转弯、上升和下降。他们计划用数千个150微米长的板排成机翼表面，当这些板处于歇置状态时，可保持机翼表面平坦。而当施加电压后，板可从表面升起直至90度角。这样，在受激后，他们能够控制通过机翼特定区域形成的空气涡漩。传感器可监测掠过机翼的气流，发出信号以调整板的位置。

这些可移动的板或称致动器，是功能类似的传统飞机的大型襟翼的缩小版。机翼表面良好的转向控制使飞机能迅速转弯，抵抗紊流保持平衡，及由于高的飞行效率而节省燃料。用这种“机敏皮肤”而获得的附加空气动力学控制可实现快速的新飞机设计，使其摆脱流行了70年的汽缸加机翼的形态。航空工程师可能完全摈除襟翼、舵、甚至称作垂直尾翼的机翼表面，飞机可以变成一种“飞行之翼”，类似于美国空军的偷盗者轰炸机。一架没有垂直尾翼的飞机将表现出更大的机动灵活性——这对战斗机来说很可贵，也许某一天也能用作需要迅速转向以避免碰撞的高速民航飞机。

微型显微镜

微型机械和传感器方面的工程师将老概念新用。近10年来，科学家们在日常工作中熟识了扫描探针显微镜，它们能够处理、形成单个原子的图像。最著名的就是扫描隧道显微镜，或称STM。

STM的发明者，IBM的格 · 宾宁（Gred Binning）和亨利希 · 劳勒（Heinrich Rohrer）赢得了1986年的物理诺贝尔奖。STM在80年代初期就引起显微机械专家的注意。工程师的着迷源于他们计算如果用STM来读写数字信息，该能存储多少信息啊！利用多层STM排列，万亿位信息——相当于500本大不列颠百科全书的内容，可存储在1平方厘米的硅片上。

STM是一个针形的探测器，其顶部由单个原子构成，一股电流从顶部隧穿进入邻近的导体表面，能够移动少量原子，在硅片上形成孔或微凸。孔或凸起相应于数据存储的0或1。一个传感器可能由不同类型的扫描探针显微镜构成，可探测是否有代表0或1的纳米尺寸的硅点来读出数据。

只有微米级的梁、电机及相同大小的物质才能迅速精确地移动STM使其在一块硅片上处理万亿位数据。用MEMS在硅片表面建立的可移动梁上悬挂上数千STMS，每个在几平方微米的面积上读写数据。此外，存储介质还能保持静止，就能去除今天所需使用的旋转介质盘驱动器。

康乃尔大学的一位电学工程教授，诺埃尔 · C · 麦克唐纳向携式可视研究图书馆前进了一步，他已建立了一个装备STM的微型梁，可垂直、水平甚至有一定倾斜角地移动。这个梁挂着一个悬垂的框架，连着4个微电机，每个电机直径只有200微米（两根头发丝粗）。这些发动机推拉尖端的每一面，速度高达每秒百万次。麦克唐纳的下一步计划是建立一个STM的阵列，

个人分光仪

由MEMS提供的微型机构可以让化学家和生物学家用手掌上的仪器进行试验。西屋科技中心正在将50磅板凳高的分光仪尺寸减至计算器大小，这种分光仪可测定原子量或分子量。一个微型质量分光仪预示了一个廉价的化学探测仪时代，它可让你自己做毒性监测。

沿着同样的思路，伯克利加利福尼亚大学的理查德 · M · 怀特构思了一个硅片上的化工厂。怀特已经开始在一个硅片上制作几毫米直径的阱，每个阱内有不同的化学剂。电压引起一些液体或粉末从井中流向一系列理渠道进入反应室。

这些材料是用微型泵推向目的地的，微型泵由压电材料做成，它们压缩接着立即释放渠道的各个部分。像蛇一样的波动式前进产生了泵的作用。一旦化学剂进入反应室，加热板就使它们发生反应。一个从反应室出来的渠道接着推出反应的产物。

便携式计算器大小的化工厂能恢复干冻的药品、进行DNA试验以探测水载病原体或者混合化学剂以转换成电能，比传统的电池更有效。MEMS使微电子学超出了简单处理和存储信息的领域，通向更广阔的世界。汽车、科学试验室、电视、飞机甚至家庭医药柜将会面貌一新。

[Scientific American，1995年9月］