机械电子工程概论

微机电系统技术

微机电系统是从微机械发展而来，原指利用光刻技术制造微米或纳米尺度的零件、部件或简单机构的系统。用微电子技术（但不限于此）制造的微小机构、器件、部件和系统都属于微机电系统(MEMS)范畴，微机械和微系统只是MEMS 发展的不同层次。这就是微电子机械系统较为准确的一般定义。随着技术的发展，研究对象已不再是简单的零件和简单结构，而是集光机电于一体，可以驱动，完成一定功能的复杂系统，与之相关的制造、检测、控制等技术则称为微系统技术（MST）。在这里我将简单介绍一下微机电系统技术的概念、特点、微机电系统技术关键、微机电系统有关传感器,以及微机电系统热点应用和微机电系统技术的发展前景。

一、微机电系统技术基本概念

微机电系统一般泛指尺度在亚微米-亚毫米范围的装置，是可以批量制作的，集微型机构、微传感器、微执行器、信号处理和控制电路、通信接口及电源等于一体的微型电子机械系统，微机电系统是一门多学科交叉的新兴技术，它设计精密微机械、微电子、材料科学、微细加工、系统与控制等技术学科和物理、化学、力学和生物学等若干基础学科。微机电系统技术被任务是微电子技术的又一次革命，它将在2世纪的信息、生物医学等多方面导致人类认识和改造世界的重大突破，从而给国民经济及国防建设带来深远的影响

微机电系统是源于微电子加工技术,融合了微机械制造、传感、致动及微控制于一体的系统。其特征尺寸极小,学科交叉广泛;技术研究包括微系统理论、设计建模、微机械加工、微器件集成等多个方面;学科分类涵盖了机械、力学、光学、流体、电磁学、生物学等各领域,在民品和军品领域有许多热点应用。

微电子技术的巨大成功在许多领域引发了一场微小型化革命，以加工微米、纳米结构和系统为目的的微米//纳米技术在此背景下应运而生。一方面人们利用物理化学方法将原子和分子组装起来，形成具有一定功能的微米、纳米结构；另一方面人们利用精细加工手段加工出微米、纳米级结构。

纳米技术是实现微机械系统的重要技术基础。就目前而言，MEMS一般是指是指由微机械加工方法加工的微传感器和微执行器，与微电子信号处理和控制电路有机结合而成的自动化和智能化的微系统。一般是指外形轮廓尺寸在毫米量级以下，构成的元件尺寸在微米～纳米量级的可控制、可运动的微型机电装置。当前的尺寸为1μm～1mm，未来也可能达到nm级。它将微型传感器、微型执行器、信号处理电路、自动控制电路、计算机接口电路、远距离通信系统和电源集为一体，构成一个完整的系统。其中微传感器获取信息，信号处理与控制电路处理信息并作出决策，微执行器则实现机械动作。研究涉及力学传感器、数据存

储、微型流体器件、微型光学器件、射频器件和生物芯片等多种器件。集成化、智能化和多功能话的微系统将是人们追求的目标。由于MEMS器件和系统具有体积小、可以批量生产、重量轻、功耗低、可靠性高、功能强大等优点，在航空、航天、汽车、生物医学、环境监控、军事、通信、安全防护以及日常用品等领域都有着十分广阔的应用前景。微加速度计、喷墨打印头和数字微镜投影仪（DMD）等产品的成功，使这一技术也得到了产业界的重视。

二、微机电系统的特点

一般而言，MEMS具有以下几个基本特点：1、体积小，精度高，重量轻。尺寸在微米到毫米量级，重量可轻至纳克。2、性能稳定，可靠性高。具有较高的抗干扰性，可在恶劣的环境下稳定工作。3、能耗低，灵敏性和工作效率高。完成相同的工作，微机械所消耗的能量仅为传统机械的十几分之一或几十分之一，而运作速度却可达其10倍以上。4、MEMS的目标是微“机械”与IC相集成的微系统——智能微系统。

三、微机电技术关键

当尺寸缩小到一定范围时，许多物理现象与宏观世界的现象有着很大的差别，如力的尺寸效应和微结构的表面效应。在微小尺寸领域，与特征尺寸L的告辞放成比例的惯性力、电磁力等的作用相对减弱，而与尺寸的低次方成比例的粘性力、弹性力、表面张力、静电力等的作用相对增强。随着尺寸的减少，表面积和体积之比的作用相对增大，因而热传导、化学反应等加速，表面间的摩擦阻力明显增大，故在进行微电子机械理论的研究时，须注意重力的尺寸效应、微结构表面效应、微观摩擦机理、热传导、误差效应和围观材料性能等研究。并且随着尺寸的减小，需要进一步研究微动力学、微流体力学、微热力学、微摩擦学、微光学、微结构学、微电子学和微生物学等。微系统建模也是微电子机械理论研究的重要组成部分，所需要考虑的因子比较多而且复杂。除实验建模外，微电子机械系统的建模与仿真需要有限元分析法等。

四、微机电系统技术的发展

MEMS技术是电子、机械、物理、化学、材料、能源、生物医学等多种学科交叉的前沿，其发展伴随着一个全新的领域和产业的诞生。从理论上看，随着MEMS尺寸的缩小，需要研究具有小尺寸特征的新理论，如：动力学、流体力学、热力学、摩擦学、光学、结构学等。从技术上看，需要研发新的设计方法、加工工艺、装配工艺和系统测量等技术。由于MEMS在通信、汽车、生物医学、信息和消费类等领域都表现出巨大的市场潜力，发达国家无不投巨资研发。当前，MEMS技术处于加速发展时期，是最为活跃的科学研究领域之一。MEMS的主要发展目标就是尽量缩小相同功能的器件的空间尺寸或者提高相同空间尺寸的

器件的功能。它并非单纯微小化，而是指可以开发批量制作的，集微型机构，微型传感器，微型执行器以及信号处理的控制电路，直至接口，通讯和电源等于一体的微型器件或系统。MEMS集成了微型机构，微型传感器和微型执行器，不可避免涉及机械，电子，力学，控制等多学科耦合问题。多学科耦合问题涉及到多学科优化，因此MEMS是多学科优化的系统，并不是传统的机械电子的直接微型化，在物质结构、尺寸、材料、制造工艺和工作原理等方面远远超出传统机械电子的概念和范畴。MEMS技术正在形成传感、信息和生物三个方向。

尽管近年来MEMS光器件制造商风云变幻，潮起潮落，但MEMS技术的应用领域不仅仅是光通信，依然保持着强劲的生命力。以其研究方向多元化、加工工艺多样化、系统单片集成化、制造与封装统一化、应用领域全面化为标志的固有特征和先天优势，必将在通信、导航、传感、医用、交通、航空航天等军事和民用领域得到广泛的推广和应用。经过数十年的发展，其已取得了很大的进展。在微传感器方面，除较成熟的压力和加速度传感器之外，在测量力、角速度、流量、声、光、热、磁、气、离子以及生物、化学等领域也已经取得了非常令人振奋的成功。在微执行器领域，已研制成功了多种微型构件，如微膜、微梁、微探针、微齿轮、微弹簧、微沟道、微喷嘴、微锥体、微轴承、微阀门等和多种微执行器，如微阀、微泵、微开关、微扬声器等。在微系统方面，也有许多成功的例子，如AD公司的力平衡式角速度仪（ADXL50）、TI公司的数字化微镜器件（DMD）等，尚在研究阶段的微系统包括微型机器人、微型飞行器、微型卫星、微型动力系统等，其潜在的军事应用前景不容忽视。微传感器一直是MEMS研究的重点。十多年前，微传感器仅有硅压力传感器具有较大市场应用，而如今，加速度传感器早已异军突起，许多其它微机械器件也正逐步商业化。MEMS已经在我们的身边，如汽车安全气囊中使用的加速妒计，在医学上使用的新型血压计都有微传感器的身影。由于复杂成都和磨损问题等的缘故，微执行器的发展要落后于微传感器，不过仍有商业化的产品面世，如喷墨打印头，硬盘读写磁头等。最近几年，微光机电系统，生物芯片等也有了长足的发展。相信在不久的将来，微机电系统技术将会得到越来越广泛的应用。