淺議微機電系統(tǒng)(MEMS)技術的發(fā)展與應用

摘 要：本文論述了微機械的概念、特點、研究概況和微機械的加工制造技術一微細加工技術。闡速了微機械與微/納米科技、微電子技術之間的相互關系。分析了微機械研究的發(fā)展趨勢及應用熱點。

關鍵詞：微機電系統(tǒng);MEMS;微機械加工

中圖分類號：TP273 ????????文獻標識碼：A

1微機電系統(tǒng)的發(fā)展

作為微/納米技術研究的重要內容，微機電系統(tǒng)（MEMS）是當前微/納米科技中最具產業(yè)化前景的高新技術。MEMS的加工尺寸在微米（ ）量級，系統(tǒng)尺寸在毫米（ ）量級。微型化是MEMS的一個重要特點，但不是唯一特點。首先，MEMS不僅體積小、重量輕，同時具有諧振頻率和品質因子高（高Q值）、能量損失小等特點。其次，可批量加工特點大大降低了MEMS產品成本;若借助于MEMS器件庫，MEMS的設計將更加靈活，重用率更高。最后，強大的計算能力是MEMS系統(tǒng)實現信息采集、處理、控制的關鍵，充分利用集成電路的計算優(yōu)勢將會拓展MEMS在智能控制等領域的應用。

2微機電系統(tǒng)的主要關鍵技術

2.1基礎理論、技術基礎

微機械涉及的基本技術主要有微機械設計，微機械材料、微細加工（高深寬比多層微結構）、微系統(tǒng)控制和集成等關鍵技術。微機械設計技術主要有：微結構設計與數據庫、有限元分析、CAD/CAM、微系統(tǒng)建模與仿真技術等。

2.2制造工藝

籠統(tǒng)地講，微細加工技術可以理解為加工尺度在微米級以下的、針對于微小尺寸器件或薄膜圖形的一種加工制造方法。從加工尺寸看，它可分為微米級微細加工、亞微米級微細加工和納米級微細加工。

微細加工的兩個基本特征是所處理的對象尺寸微小和加工尺度極小。這就有別于研磨、拋光等傳統(tǒng)的精加工和超精加工。另外微細加工對加工環(huán)境、制造設備、選用材料、測量方法與儀器等有其特殊的要求。

2.3微組裝、微封裝、微集成、微測試技術

對微機電系統(tǒng)而言，如何把各個微小零件組裝起來以構成一個完整的微機電系統(tǒng)，還有待于進一步研究。目前主要的方法仍是將加工和組裝一體化，即從元器件到產品要經過微電子線路、微電子器件、MEMS、完整系統(tǒng)等4個層次的組裝。在實際應用中，諸如多自由度操作器、精密微位移工作臺及吸附、裝卡工具等，均是微系統(tǒng)組裝研究中的關鍵技術。組裝之后需要對微機電系統(tǒng)封裝，微封裝方法有真空封裝、阻尼控制封裝、多芯片封裝等，這些也是MEMS的關鍵技術之一。微系統(tǒng)集成主要涉及微傳感器、微執(zhí)行器與控制單元的集成。

3微機電系統(tǒng)的熱點應用領域

民用方面以微加速度計為代表，大量成熟的商業(yè)化MEMS產品已批量生產并取得效益;軍事方面，因MEMS能夠滿足武器裝備體積小、重量輕、功耗低、智能化、集成度高等要求，目前已被廣泛應用到武器系統(tǒng)中，在未來軍事應用領域將起著舉足輕重的作用。

（1）軍、民用加速度計。微加速度計應用范圍很廣，廣泛用于汽車安全氣囊的加速度計體積只有幾毫米見方大小，售價僅為宏觀加速度計的約1/10，適于惡劣工作環(huán)境，具有巨大的市場潛力。在智能彈藥引信中用于最佳起爆控制，其尺寸和重量可大大減小，能滿足引信設計微型化的需求。

（2）微慣性測量組合。通過集成三軸MEMS陀螺和加速度計，構成一個結構靈巧、價格便宜的慣性測量器件，可取代傳統(tǒng)的慣性裝置，用于車輛、攝像機等裝置的穩(wěn)定控制、姿態(tài)調節(jié)和個人導航系統(tǒng)。在軍事上，慣性測量組合可裝備各種精確制導武器，具有體積小、重量輕、抗高沖擊性強等特點。

（3）海量數據存儲。在硅片上制造的基于并行原子力分辨率的數據存儲系統(tǒng)，將顯著降低存儲系統(tǒng)的尺寸、重量、存取等待時間、失效率和成本，且存儲數據量大，存儲密度達到1～100Gb/cm2，遠遠高于目前的磁存儲和光存儲。

（4）MOEMS。目前正在研究的采用數字驅動微鏡陣列芯片DMD（Digital Micromirror Device）的光處理技術已開始應用到高分辨率的投影顯示裝置中。

（5）飛行器流體控制。自適應流體控制正在研究將“智能蒙皮”用作襟翼附著在飛行器表面，通過偏轉襟翼改變湍流結構可獲得更好的空氣動力學性能，使飛機產生俯沖、翻滾所需要的力矩。

（6）智能微型機器人。智能微機器人則是MEMS應用的高級形式，它是集成微傳感器、微執(zhí)行器、微機械元件和微控制技術的智能裝置，總體尺寸在毫米左右。醫(yī)療上的微機器人可植人人體擔當“外科醫(yī)生”，隨血液流動可提供冠狀動脈信息、清除血栓，注人人體特定部位可針對癌細胞實施化療。軍事上的微型飛行器可用作戰(zhàn)場環(huán)境信息偵察或用作外空間探測的無人操作機器人。航天領域目前正在研制的微型衛(wèi)星重量不到0.1kg，可由1枚運載火箭同時向太空發(fā)射多個微型衛(wèi)星，形成覆蓋全球的微衛(wèi)星網絡。

4結束語

綜上所述，可以看到：在科學技術高速發(fā)展的今天，人們借助于微米/納米技術及其相關高新技術群的幫助， “微型測控裝置”和“納米衛(wèi)星”等等“微型裝置”和“微型武器”都將不再是遙遠的科學幻想。

作者簡介：楊郁（1983-）男，漢族，江蘇徐州人，本科，助理工程師，研究方向：機械工程。

參考文獻

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