微機電系統科學與技術發展趨勢

薛淞元

摘要：微機電系統是一種將微電子技術與機械工程有機結合在一起的工業技術，其能夠在微米范圍內實現操作。本文簡要介紹了微機電系統內涵及其分類，結合當前最新研究動態，展望了微機電系統科學與技術的未來發展趨勢，旨在為相關研究與實踐提供參考。

關鍵詞：微機電系統;機電結合;發展趨勢

中圖分類號：TH16 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2018）11-0211-01

0 前言

近年來，微機電系統（以下簡稱為MEMS）逐漸開辟出全新的產業領域，相較于傳統傳感器來說，MEMS有著眾多優點，因此在航空航天、環境監控、生物醫學等各個領域都有著廣泛的應用。MEMS實質上是微電子技術的拓展和延伸，實現了微電子技術與精密機械加工技術的有機融合，作為全新的技術領域，MEMS展現出強大的生命力和應用潛力，本文即對MEMS科學與技術發展趨勢進行簡要分析。

1 微機電系統內涵

MEMS指的是尺寸在幾毫米甚至更小的一種高科技裝置，其內部結構一般在微米級，甚至更小，MEMS是一種獨立的智能系統，主要由三部分組成，分別是傳感器、執行器和微能源。

相較于傳統傳感器來說，MEMS有著無可比擬的優勢，具體來說體現在以下幾個方面：

第一，微型化。MEMS器件體積較小，且重量較輕，在日常工作的過程中，能耗較低，慣性較小，且有著十分快速的響應速度。

第二，性能優良。MEMS的器件以硅為主要原料，硅的強度、硬度與鐵相當，密度與鋁相當，且熱傳導效率較高，綜合性能十分優良。

第三，能夠批量生產。以硅微加工工藝為基礎，能夠在一片硅片上同時制造成百上千個微型機電裝置，甚至可以制造完整的MEMS，這就解決了傳統工藝不能大批量生產的問題，大大降低了制造成本，實現規模效益[1]。

第四，集成化。MEMS能夠集多重功能和不同敏感方向的傳感器或執行器于一體，甚至能夠繼承多種功能的器件，由此形成功能復雜的微系統，這大大提升了MEMS的穩定性與可靠性。

2 微機電系統技術分類

2.1 傳感MEMS技術

傳感MEMS是一種利用微電子微機械加工出來的具有傳感功能的器件和系統，通過電容、電阻、隧道電流等敏感元件能夠感知轉換電信號。傳感MEMS的種類繁多，根據其功能，主要包括微型加速度傳感器、面陣觸覺傳感器、壓力傳感器等。傳感器是人們認知和探索世界的“觸角”，因此傳感MEMS在未來的應用前景十分廣闊[2]。

2.2 生物MEMS技術

生物MEMS技術指的是利用MEMS技術制造生物微型分析或檢測儀器，其能夠將傳統實驗室功能集成在一個芯片或一種儀器上，有著智能化程度高、成本低廉、使用方便等優點。生物MEMS能夠獲取大量信息，相較于傳統實驗室分析方法來說，其分析效率更高，其能夠實現實時通信。在國際上，生物MEMS已經成為了熱點研究領域。

2.3 光學MEMS技術

近年來，光通信技術、信息技術不斷發展，MEMS與光學之間的結合越來越緊密，即將微電子技術、微機械技術與光電子技術結合在一起，開發出更為先進的微光機電系統[3]。這種微光機電系統能夠將MEMS結構件與各種光學器件集成在一起，由此形成功能更為全面的系統。如基于微光機電系統的新型投影設備、光通信器件等等。

2.4 射頻MEMS技術

一般來說，射頻MEMS技術大體可劃分為兩類，一類是固定射頻MEMS器件，如濾波器、耦合器等，另一類是可移動的MEMS器件，如微機械開關、可變電容等。

3 微機電系統科學與技術發展趨勢

3.1 新的應用領域

3.1.1 微型機器人

微型機器人一直是科學領域的熱點研究方向，實質上，微型機器人就是一個微型系統，在桌面大小的地方，就可以完成組裝，如微型硬盤、微型驅動器等高精密設備。這種微型機器人在軍事領域的應用前景十分廣闊，其不僅價格低廉，同時能夠大規模的使用，即便是危險地區，也可以完成偵查、排雷及生化武器探測等一系列工作，對于減少士兵勞作和傷亡有著積極的意義。除了在軍事領域的應用外，微型飛行器還可以在農業領域上應用，通過微型飛行器感知害蟲種類和數量，針對性制定滅殺策略，還可感知農作物的濕度、溫度等，給農作物管理提供依據。

3.1.2 微型動力系統

微型動力系統的核心在于有效能源的輸出，從體積很小的系統中輸出很大的能量。能源問題是關系到人類社會長遠發展的重要問題，石油、天然氣等都是地球的不可再生能源，而當前市場上一些小型機動車耗費資源是比較大的，微型動力系統的研發則能夠有效解決這個問題，發揮其替代作用，多余的空間可以設計座位，大大提高了利用效率。

3.1.3 大腦調制解調器

在通信技術不斷發展的背景下，微型化與大批量生產成為光通信領域的重點研究方向。微型光機電系統則能夠有效解決這一問題，這也使得其成為MEMS領域的研究熱點。就目前來看，一種高帶寬神經接口的研究逐漸受到關注，其能夠讓人類大腦與外部電子設備相連接，由此實現數據信息的交換，這一創新技術正被研發，實質上就是人通過大腦來對機器進行控制，即大腦調制解調器。

3.2 方便擴展

MEMS技術采用的是模塊化設計方式，對于運營商來說，如果想要增加系統的額外容量，只需要直接增加器件或系統的數量就能夠達到目的，不需要預先對所需要的數量進行計算，其擴展十分方便。

4 結語

綜上所述，微機電系統的發展前景優良，應用也越來越廣泛，在電子領域、軍事領域中，其應用已經比較成熟，而在工農業、醫療行業、交通行業等方面的應用也越來越受到關注。本文即展望了微機電系統的未來發展趨勢和方向，相信我們未來的世界，微機電系統會進一步發展，從而讓世界更加節能、高效和環保。

參考文獻

[1]畢研偉，潘力.微機電系統在智能服裝領域的研究與展望[J].服裝學報，2018，3（04）：308-313.

[2]羅凡，馮飛，趙斌，田博文，楊雪蕾，周海梅，李昕欣.基于微機電系統的微型氣相色譜柱研究進展[J].色譜，2018，36（08）：707-715.

[3]李雪梅，王春玲.微機電系統的未來趨勢[J].科教文匯（下旬刊），2016（04）：186-187.

Development Trend of Micro-electromechanical System Science and Technology

XUE Song-yuan

（No. 1 Middle School， Huantai County， Shandong Province，Zibo Shandong? 256400）

Abstract：Micro-electromechanical system is an industrial technology which combines micro-electronics technology with mechanical engineering. It can operate in the micron range. This paper briefly introduces the connotation and classification of micro-electro-mechanical systems， and looks forward to the future development trend of science and technology of micro-electro-mechanical systems in the light of the latest research trends， in order to provide reference for relevant research and practice.

Key words：micro-electromechanical system; electromechanical integration; development trend