1　 微电子机械系统（MEMS）

　　微电子机械系统的最大特点是有可动部分，如悬臂梁、质量块、膜盒、开关、镊子、齿轮、电机、泵等。它们构成微机械，作为传感器或执行器。例如在悬臂梁上制作电阻，在加速度作用下悬臂梁发生形变，使电阻值改变，从而可测出应变，制作成加速度传感器。齿轮、电机、泵可以转动，镊子可以夹起物体，它们都可以作为执行器。这些微机械的制造工艺与传统的机械加工方式根本不同，是在硅片上用光刻、腐蚀等集成电路工艺制造的，因此机器体积大大缩小，甚至达到生物细胞水平。另外，机械部分和电路结合在一起，而且无需装配。在同一硅片上还可以制造集成电路，实现信号检测、处理、传输、控制等功能。这样，一个芯片就可以构成包括传感器、电子电路和执行器的整个系统，实现特定的功能。微电子机械系统是微电子、机械、半导体等多学科交叉的产物，有广阔的应用前景，因此受到各国科技界的普遍重视，各国都投入相当大的财力进行研究。近年来MEMS发展很快，例如日本奥林帕斯公司已研制出带有传感器的直径仅1mm的柔性机器人，其末端可以吊起1g重物。三菱重工研制出直径1.2mm的电磁型发电机，转速为10000r／min，空载输出电压为1.8mV。利用MEMS技术可以制成各种传感器（如压力、加速度、角加速度、触觉传感器）、执行器（如微型开关、微型镊子、电动机、微型水泵等）、微型机器人、分布式机电系统等。它的功能强、集成度高、体积小、可靠性高，在航空航天、工业自动化、医疗卫生等各个部门应用前景非常广泛。
　　 下面介绍二个典型的微电子机械系统。
1．1　集成伺服加速度传感器［2］　　
　 　图1是集成伺服加速度传感器的原理框图。它由加速度传感器和伺服系统组成，制作在同一个芯片上。利用MEMS工艺在硅材料上制作悬臂梁，悬臂梁的活动端上制作一个质量块，作为可动电极。它和上下极板构成两个差动电容。在上下极板和可动电极（质量块）上外加幅度为±VE的方波电压，可动电极受到静电力的作用。在加速度的作用下，质量块上下位移，使之与上下极板间的电容量发生变化，上下两个电容的差值反映加速度的大小。检测电容量的变化ΔC，ΔC经放大后调制方波电压±VE，采用脉宽调制方式（PWM）。图1中给出被调制的电压波形图，加速度为负时，脉宽减少；反之，脉宽增大。电压±VE反馈至上下极板，使质量块同时受到静电力和加速度的作用，维持在两个极板的中心位置附近，这样构成一个伺服系统。系统工作稳定，分辨率高。加速度传感器的分辨率可达μgn。

图1　集成伺服加速度传感器的原理框图

　　电路系统制作同一个硅片上。在传感器的周围制造大规模集成电路，其中包括放大器、反相器、脉宽调制器、电容测试电路等。整个芯片包括由悬臂梁、质量块等组成的传感器和信号处理电路，是一个完整的伺服加速度传感器。
1．2　微型化学分析系统［3］
　　 利用MEMS技术可在22mm×22mm×11mm体积内制造出微型化学分析系统。该系统包括流体控制和检测元件两部分。流体控制部分由压电微泵和无源阀组成，泵由阳极在中间的两个玻璃片构成，上面的玻璃片作为微泵膜片，由粘在顶部的压电陶瓷驱动。在聚硅氧烷上利用光刻技术制造管状的流体通道，在通道内做出气体浓度传感器，可以测量氧气、二氧化碳、氢离子的浓度。该传感器不但有较小的响应时间，而且具有很好的线性度。该系统可以用于检测血中气体成分。
　　 以上仅介绍用于检测的微电子机械系统，由此可以看出MEMS的优越性及生命力。

2　片式系统（SOC）
　　 随着微电子技术的发展，半导体工艺的进步，现在可以将整个系统集成在一个芯片上，出现了片式系统。片式系统比普通的超大规模集成电路的集成度更高，功能更强、功耗更小。每个片式系统都有特定的功能，如实现测量、控制、数据处理等。
　　 组成片式系统的基本单元包括微处理器、DPS、模拟电路模块、标准宏单元和特殊用途的宏单元、接口及用户单元块。宏单元可分为硬宏单元和软宏单元，是SOC的关键技术。硬宏单元包含MPU、模拟单元、存储器、多媒体、网络等；软宏单包括图象CODEC、声音CODEC、FAX等，它们置于SOC中的存储器中。各个公司都开发自己的具有独立知识产权的宏单元IP（Intellectual Property）。片式系统采用系统级设计方法，应考虑系统的整体结构，按层次进行设计。设计时利用IP非常重要，因此需要建立以IP为基础的开发环境。为了能在世界范围内有效地利用IP并建立开放的环境，现在正在研究制定IP的标准规范。目前世界上半导体公司和整机厂家都在致力于SOC的研制开发，已有不少SOC产品问世，如单片FAX控制器、单片调制解调器、单片混合信号方式马达控制器、两片构成的GSM手机等［4］。随着技术的发展，采用SOC的单片便携式电子设备将大量问世。
　　 下面介绍一个压力传感器片式系统［5］。它的原理框图，如图2所示。这个片式系统主要由以68HC05微控制器（单片机）为核心的信号调理电路和100 kPa压力传感器组成，它们集成在同一个硅片上。信号调理电路有电压、电流调节器，10位A/D转换器和8位D/A转换器。为了提高测量精度，在片内制作温度传感器，用于进行温度补偿。片内制作电压调节器和电流调节器。电压调节器给压力传感器、放大器和A/D转换器供一恒压。电流调节器给温度传感器供一恒定电流源。

图2　片式系统压力传感器原理框图

　　压力传感器的输出受温度影响，并且是非线性的，为了增加系统的准确性，必须在微控制器内预置校准算法。
　　 压力传感器的输出信号经过一个可变增益放大器进行放大，送入A/D转换器，转换后的数字信号送入微控制器中。为了消除漂移的影响，片内设置一个调节偏移的放大器。这两个放大器由储存在MCU中的程序控制，根据信号大小调节放大器增益，保证系统测量精度。另外调节偏移放大器，补偿偏移产生的影响。
　　 温度传感器的输出信号也送入A/D转换器进行模数转换，然后输入到微控制器中，根据环境温度值，通过软件计算进行补偿。
　　 为了提高系统测量精度，需要校准并补偿压力传感器的非线性和温漂。为此，选用分辨率为10位的A/D转换器，采用16位定点数计算。为校准量程、偏移和补偿传感器输出的非线性，校准软件中利用一个二次多项式对传感器进行校正。将校正系数等存在片内的EPROM中，根据温度传感器的输出和压力传感器的测量值，利用校正公式，计算压力传感器的校正值。系统的输出是经过计算校正后的，因此测量精度大大提高。

3　结束语

　　微电子机械系统和片式系统是各国关注的前沿技术，它的飞速发展将对国防军事、工农业生产及人民的生活产生深远影响。它是电子、机械、信息产业的基础，应该引起各方面的充分重视。

作者简介：王　祁,男,1944年生。1967年哈尔滨工业大学电气工程系毕业。1980年在该校硕士研究生毕业。1985～1987年、1993～1995年做为访问学者赴日本研修。现为哈尔滨工业大学自动化测试与控制系副主任，教授。主要研究领域为智能测试理论与技术，传感器信息处理。

作者单位：王　祁　王劲松（哈尔滨工业大学自动化测试与控制系，哈尔滨　150001）
　　　　　 迟晓珠（东北传感技术研究所）

参考文献

1　Wise K D，Micromachines, MEMS, and Microsystem. Tans of IEE of JAPAN on Sensors and Micromachines,1995,115(12):5～6
2　高桥清, 佐佐木昭夫.Advanced Sensor Handbook.日本培风馆,291～293
3　Rooij N F de.Examples of Silicon Based Microsystems.Tans of IEE of JAPAN on Sensors and Micromachines,1995，115(12):7～9
4　鲁　柏.片式系统和测试问题.电子仪器信息报,1999. 4.18 第16版
5　Frank R,Zehrbach D.Testing the“System on a Chip”.SENSORS,1998，15（9）：80～83