微機(jī)電系統(tǒng)

　　1系統(tǒng)概述

　　編輯微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS,Micro-Electro-MechanicalSystem）是一種先進(jìn)的制造技術(shù)平臺(tái)。它是以半導(dǎo)體制造技術(shù)為基礎(chǔ)發(fā)展起來(lái)的。MEMS技術(shù)采用了半導(dǎo)體技術(shù)中的光刻、腐蝕、薄膜等一系列的現(xiàn)有技術(shù)和材料，因此從制造技術(shù)本身來(lái)講，MEMS中基本的制造技術(shù)是成熟的。但MEMS更側(cè)重于超精密機(jī)械加工，并要涉及微電子、材料、力學(xué)、化學(xué)、機(jī)械學(xué)諸多學(xué)科領(lǐng)域。它的學(xué)科面也擴(kuò)大到微尺度下的力、電、光、磁、聲、表面等物理學(xué)的各分支。

　　微機(jī)電系統(tǒng)是微電路和微機(jī)械按功能要求在芯片上的集成，尺寸通常在毫米或微米級(jí)，自八十年代中后期崛起以來(lái)發(fā)展極其迅速，被認(rèn)為是繼微電子之后又一個(gè)對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和軍事具有重大影響的技術(shù)領(lǐng)域，將成為21世紀(jì)新的國(guó)民經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn)和提高軍事能力的重要技術(shù)途徑。

　　微機(jī)電系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是：體積小、重量輕、功耗低、耐用性好、價(jià)格低廉、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。微機(jī)電系統(tǒng)的出現(xiàn)和發(fā)展是科學(xué)創(chuàng)新思維的結(jié)果，使微觀尺度制造技術(shù)的演進(jìn)與革命。微機(jī)電系統(tǒng)是當(dāng)前交叉學(xué)科的重要研究領(lǐng)域，涉及電子工程、材料工程、機(jī)械工程、信息工程等多項(xiàng)科學(xué)技術(shù)工程，將是未來(lái)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和軍事科研領(lǐng)域的新增長(zhǎng)點(diǎn)。

　　MEMS(微機(jī)電系統(tǒng))最初大量用于汽車安全氣囊，而后以MEMS傳感器的形式被大量應(yīng)用在汽車的各個(gè)領(lǐng)域，隨著MEMS技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，以及應(yīng)用終端“輕、薄、短、小”的特點(diǎn)，對(duì)小體積高性能的MEMS產(chǎn)品需求增勢(shì)迅猛，消費(fèi)電子、醫(yī)療等領(lǐng)域也大量出現(xiàn)了MEMS產(chǎn)品的身影。

　　MEMS的特點(diǎn)是：

　　1）微型化：MEMS器件體積小、重量輕、耗能低、慣性小、諧振頻率高、響應(yīng)時(shí)間短。

　　微機(jī)電系統(tǒng)

　　2）以硅為主要材料，機(jī)械電器性能優(yōu)良：硅的強(qiáng)度、硬度和楊氏模量與鐵相當(dāng)，密度類似鋁，熱傳導(dǎo)率接近鉬和鎢。

　　3）批量生產(chǎn)：用硅微加工工藝在一片硅片上可同時(shí)制造成百上千個(gè)微型機(jī)電裝置或完整的MEMS。批量生產(chǎn)可大大降低生產(chǎn)成本。

　　4）集成化：可以把不同功能、不同敏感方向或致動(dòng)方向的多個(gè)傳感器或執(zhí)行器集成于一體，或形成微傳感器陣列、微執(zhí)行器陣列，甚至把多種功能的器件集成在一起，形成復(fù)雜的微系統(tǒng)。微傳感器、微執(zhí)行器和微電子器件的集成可制造出可靠性、穩(wěn)定性很高的MEMS。

　　5）多學(xué)科交叉：MEMS涉及電子、機(jī)械、材料、制造、信息與自動(dòng)控制、物理、化學(xué)和生物等多種學(xué)科，并集約了當(dāng)今科學(xué)技術(shù)發(fā)展的許多尖端成果。

　　MEMS發(fā)展的目標(biāo)在于，通過(guò)微型化、集成化來(lái)探索新原理、新功能的元件和系統(tǒng)，開(kāi)辟一個(gè)新技術(shù)領(lǐng)域和產(chǎn)業(yè)。MEMS可以完成大尺寸機(jī)電系統(tǒng)所不能完成的任務(wù)，也可嵌入大尺寸系統(tǒng)中，把自動(dòng)化、智能化和可靠性水平提高到一個(gè)新的水平。21世紀(jì)MEMS將逐步從實(shí)驗(yàn)室走向?qū)嵱没?，?duì)工農(nóng)業(yè)、信息、環(huán)境、生物工程、醫(yī)療、空間技術(shù)、國(guó)防和科學(xué)發(fā)展產(chǎn)生重大影響。

　　2系統(tǒng)概念

　　（micro-electromechanical system—MEMS）微機(jī)電系統(tǒng)基本上是指尺寸在幾厘米以下乃至更小的小型裝置，是一個(gè)獨(dú)立的智能系統(tǒng)，主要由傳感器、作動(dòng)器（執(zhí)行器）和微能源三大部分組成。微機(jī)電系統(tǒng)涉及物理學(xué)、化學(xué)、光學(xué)、醫(yī)學(xué)、電子工程、材料工程、機(jī)械工程、信息工程及生物工程等多種學(xué)科和工程技術(shù)，為系統(tǒng)生物技術(shù)的合成生物學(xué)與微流控技術(shù)等領(lǐng)域開(kāi)拓了廣闊的用途。微機(jī)電系統(tǒng)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)和軍事系統(tǒng)方面將有著廣泛的應(yīng)用前景。主要民用領(lǐng)域是醫(yī)學(xué)、電子和航空航天系統(tǒng)。美國(guó)已研制成功用于汽車防撞和節(jié)油的微機(jī)電系統(tǒng)加速度表和傳感器，可提高汽車的安全性，節(jié)油10%。僅此一項(xiàng)美國(guó)國(guó)防部系統(tǒng)每年就可節(jié)約幾十億美元的汽油費(fèi)。微機(jī)電系統(tǒng)在航空航天系統(tǒng)的應(yīng)用可大大節(jié)省費(fèi)用，提高系統(tǒng)的靈活性，并將導(dǎo)致航空航天系統(tǒng)的變革。例如，一種微型慣性測(cè)量裝置的樣機(jī)，尺度為2厘米×2厘米×0.5厘米，重5克。在軍事應(yīng)用方面，美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃局正在進(jìn)行把微機(jī)電系統(tǒng)應(yīng)用于個(gè)人導(dǎo)航用的小型慣性測(cè)量裝置、大容量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器件、小型分析儀器、醫(yī)用傳感器、光纖網(wǎng)絡(luò)開(kāi)關(guān)、環(huán)境與安全監(jiān)測(cè)用的分布式無(wú)人值守傳感等方面的研究。該局已演示以微機(jī)電系統(tǒng)為基礎(chǔ)制造的加速度表，它能承受火炮發(fā)射時(shí)產(chǎn)生的近10.5個(gè)重力加速度的沖擊力，可以為非制導(dǎo)彈藥提供一種經(jīng)濟(jì)的制導(dǎo)系統(tǒng)。設(shè)想中的微機(jī)電系統(tǒng)的軍事應(yīng)用還有：化學(xué)戰(zhàn)劑報(bào)警器、敵我識(shí)別裝置、靈巧蒙皮、分布式戰(zhàn)場(chǎng)傳感器網(wǎng)絡(luò)等。

　　全稱MicroElectromechanicalSystem微機(jī)電系統(tǒng)

　　MEMS(MicroElectromechanicalSystem，即微電子機(jī)械系統(tǒng))是指集微型傳感器、執(zhí)行器以及信號(hào)處理和控制電路、接口電路、通信和電源于一體的微型機(jī)電系統(tǒng)。概括起來(lái)，MEMS具有以下幾個(gè)基本特點(diǎn)，微型化、智能化、多功能、高集成度和適于大批量生產(chǎn)。MEMS技術(shù)的目標(biāo)是通過(guò)系統(tǒng)的微型化、集成化來(lái)探索具有新原理、新功能的元件和系統(tǒng)。MEMS技術(shù)是一種典型的多學(xué)科交叉的前沿性研究領(lǐng)域，幾乎涉及到自然及工程科學(xué)的所有領(lǐng)域，如電子技術(shù)、機(jī)械技術(shù)、物理學(xué)、化學(xué)、生物醫(yī)學(xué)、材料科學(xué)、能源科學(xué)等。其研究?jī)?nèi)容一般可以歸納為以下三個(gè)基本方面：1．理論基礎(chǔ)：在當(dāng)前MEMS所能達(dá)到的尺度下，宏觀世界基本的物理規(guī)律仍然起作用，但由于尺寸縮小帶來(lái)的影響（ScalingEffects），許多物理現(xiàn)象與宏觀世界有很大區(qū)別，因此許多原來(lái)的理論基礎(chǔ)都會(huì)發(fā)生變化，如力的尺寸效應(yīng)、微結(jié)構(gòu)的表面效應(yīng)、微觀摩擦機(jī)理等，因此有必要對(duì)微動(dòng)力學(xué)、微流體力學(xué)、微熱力學(xué)、微摩擦學(xué)、微光學(xué)和微結(jié)構(gòu)學(xué)進(jìn)行深入的研究。這一方面的研究雖然受到重視，但難度較大，往往需要多學(xué)科的學(xué)者進(jìn)行基礎(chǔ)研究。2.技術(shù)基礎(chǔ)研究：主要包括微機(jī)械設(shè)計(jì)、微機(jī)械材料、微細(xì)加工、微裝配與封裝、集成技術(shù)、微測(cè)量等技術(shù)基礎(chǔ)研究。3.微機(jī)械在各學(xué)科領(lǐng)域的應(yīng)用研究。