微型機電一體化設備的應用前景與技術難點

摘 要：隨著我國工業化的深入發展，傳統機電一體化行業要實現彎道超車，達到國際領先水平，就要在新領域上實現領先。微型機電一體化是傳統機電一體化行業發展的一個新方向，可以被廣泛應用于航空航天、集成電路、軍事和醫療器械領域，目前已經展現了巨大的前景。但是，想要在短期內實現突破將會面臨許多技術難點。本文從微型機電一體化的概念出發，分析了其所面臨的光明前景和巨大困難。

關鍵詞：機電一體化;微型;前景;技術難點

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.22.091

0 引言

機電一體化的發展水平代表了一個國家的工業實力，我國的機電一體化行業，雖然起步較晚但是發展勢頭好，從剛改革開放時候的一張白紙，經過近四十年兩代人的書寫，形成種類齊全并且具備一定的技術實力的機電一體化行業體系。但是目前我國的機電一體化行業水平相對于世界發達國家，例如日本、德國而言還是水平落后，主要存在的問題有產品精密性差、穩定性不足、缺乏創造力等，也正是由于這些原因使我國機電一體化行業一直處在追趕者的狀態。要想盡快縮小差距，實現彎道超車的方式之一就是搶占行業新領域的制高點。對于機電一體化行業而言，微型機電一體化設備就是其中新領域之一。同樣隨著世界和我國工業化進程的不斷深入，工業生產和市場需求的多樣化程度越來越大，工業生產和市場對機電一體化設備提出諸多的特殊需求，微型機電一體化設備就是其特殊需求之一。未來我國的工業生產和市場中將有大量微型化的機電一體化設備出現，并將會服務于我國航工、軍工和民用的各個層面。

1 微型機電一體化的概念

目前針對機電一體化的準確統一定義沒有公認的標準答案，但是行業中都有一個大概統一的理解——機電一體化設備是集機械工程技術、自動化技術等[1]于一體的現代化自動生產或運行的設備，目前已經被廣泛運用到各個生產行業之中。但隨著技術的不斷發展和人類生產生活面臨的新情況對傳統機電一體化設備提出了微型化的要求，既微型機電一體化設備。微型機電一體化設備是依賴于微機械技術、軟件技術以及微電子技術的發展逐步形成，在此基礎上將其同傳統機電一體化設備的機械與自動化技術相結合而形成的新型機電一體化設備。微型機電一體化設備是傳統機電一體化行業的一個新成果新方向[2]。據國外專家研究表明，目前微型機電一體化設備的尺寸可以達到不足1cm3的體積，未來隨著微納米技術發展，微型機電一體化設備可以伴隨其達到微米和納米的程度。總的來說微型機電一體化設備具有體積小、適用性廣、功能性強、成本低、生產效率高、能耗低的優點[3]。

2 微型機電一體化應用前景

目前厘米級別的微型機電一體化設備已經廣泛被運用到生產當中，初步證明了微型機電一體化設備具有廣泛而光明的前景。由于微型機電一體化設備具有前文所述的優勢，因而微型機電一體化設備具有被應用在航空航天、集成電路、國防軍事和醫療器械領域的巨大潛力。以下也將通過這個四個方面來闡述微型機電一體化設備的巨大潛力和前景。

2.1 航空航天領域

航空航天技術正在不斷發展進步，其中航天器例如衛星設備也在朝著小型化的方向發展，從之前的一箭一星到現在的一箭多星正是得益于衛星小型化的發展。衛星小型化的發展，對衛星系統中的機電一體化設備提出了微型化的要求，目前最簡單常見的例子就是微型電磁閥在衛星系統中的應用。微型電磁閥是厘米級微型機電一體化設備，微型電磁閥的尺寸通常在1-3個立方厘米之間。微型電磁閥的裝備使衛星的冷卻系統和動力系統得到極大的提升，使空間任務由過去動輒上噸重的衛星來執行轉變為整體構造簡單、體積小、重量輕而且能耗少，重量只有不到五十千克的小衛星來執行，甚至隨著技術的進一步發展將來的空間任務將由微米級別、納米級別的衛星來執行。例如據報道的納米衛星采用微型機電一體化技術中的多重集成技術，把機械部件、傳感器、執行器、微處理器以及其他電學和光學系統集成于一個極小的幾何空間內，形成機電一體化的微型納米系統。微型機電一體化設備還可以運用于航空航天的其他部分，例如微型航天器太陽能電池板的開閉系統、微型空間探測器的天線調節系統等等。

2.2 集成電路領域

微型機電一體化設備的出現也將會為目前的高密度大規模集成電路系統提供巨大幫助。目前的無論是普通的集成電路板還是中央處理器（CPU）都會面臨一個如何散熱的問題。采用微型機電一體化的散熱系統，僅在很小的體積內就將集成電路板和中央處理產生的熱量通過傳熱介質散發到周圍環境中，由此可提高集成電路板的安全性，中央處理器的可靠性。例如目前在筆記本電腦中已經運用比較廣泛的散熱系統，在空間尺寸上還比較大，因而導致筆記本電腦在厚度上要做出犧牲以解決主板和中央處理器的散熱問題。隨著微型機電一體化技術的發展，將目前筆記本電腦龐大的散熱系統縮小成體積僅是一個立方厘米甚至更小，卻可以高效運行的微型液冷的機電一體化系統，將極大地減小筆記本電腦的體積，為消費者的生活帶來極大便利。

2.3 國防軍事領域

在國防軍事領域中，經常會用小型無人機提供偵查任務，特別是在野外的時候，通過便攜式無人機偵查周圍的地理地勢情況和敵軍情況，為我軍的軍事行動提供有效的情報支撐。但是目前無論是市面上常見的民用無人機設備還是軍事無人機設備都是體型較大，在攜帶上十分不便。在將來隨著微型機電一體化設備的發展和成熟，僅有蜂鳥大小的飛行偵查設備將會面世，整個動力系統、控制系統、偵查系統都將融合在僅有的極小空間中，到那時該種微型的機電一體化設備將在我國的軍事行動中大放異彩。

2.4 醫療器械領域

在醫療器械領域一直都渴望不斷出現新的醫療診斷或治療設備為患者提供服務。但對于許多疑難雜癥目前的醫療設備和治療方案很難解決患者的困難。例如現在很多人會面臨血栓的問題，目前的治療方案不能清除身體一些危險部分的血栓，只能通過保守治療。針對這個情況有國外科學家提出通過微型的探頭深入到血栓位置，然后插入微型導管，探頭釋放特殊網狀物質將血栓套進網后通過導管帶出。但是這個方案目前還僅僅是停留在假設和想法階段，主要的問題就是缺少實現這個方案的醫療設備。在將來，微型機電一體化技術的成熟并運用于醫療器械領域，例如上述的疾病和治療方案等諸多難題一定會迎刃而解。

上述的幾點僅僅是微型機電一體化設備目前可以預見到的最基本應用方向，還有很多我們目前不能預知的巨大需求和前景將會隨著微型機電一體化技術的成熟逐漸浮現在我們視野之中。

3 微型機電一體化設備目前的技術難題

目前傳統的機電一體化技術已經逐漸成熟，也正在朝著新的方向發展，例如智能化、微型化的方向發展。智能化方向主要是將機電一體化設備同互聯網技術和大數據相結合，但是在微型化發展方向上還面臨許多技術難題，主要有以下幾個方面。

3.1 加工精度的問題

微型機電一體化設備的尺寸將會是一個厘米或毫米級別，未來甚至會發展到微米納米級別，其加工精度的要求極高。目前的機械加工技術將難以滿足微型機電一體化設備的發展需要。因此傳統機電一體化設備向微型化發展時還需要加工制造業的提升作為強力支撐。

3.2 獨立設備供能和動力問題

將來，微型機電一體化設備必將會經常被獨立運用到所需要的地方，設備將需要獨立的供能和動力供給系統。本來體積就已經只有毫米級別的微型機電一體化設備如何騰出空間安裝供能和動力系統將是亟待解決的問題。目前的電池密度僅為0.2-0.3Wh/g已經是能量密度比較高的儲能設備，但是仍難以滿足未來微型機電一體化設備的獨立供能需求。另外，目前的將電能轉化為動能的常見設備是電機，微型電機的發展也將是制約微型機電一體化設備發展的主要因素。

3.3 微電子技術的問題

微型機電一體化設備的控制系統也將是在目前的控制系統的基礎上進一步微型化，如何僅在幾個平方毫米，甚至不到一個平方毫米的面積上實現對微型機電一體化設備的精確控制，將是微型機電一體化和微電子技術發展將會共同面臨的挑戰和問題。

4 總結

總之，隨著我國工業化的進一步發展，微型機電一體化將是機電一體化未來的發展方向之一，已經被證明了的巨大發展潛力和市場需求將會催生這一行業的蓬勃發展，但是諸如上述所面臨的技術難題還需要本行業和其他行業的工程師門一起逐步攻克。

參考文獻：

[1]齊濤.機械工程中機電一體化的運用[J].電子技術與軟件工程，2019（10）：107.

[2]韋武彤.機電一體化系統在機械工程中的應用[J].山東工業技術，2019（16）：8.

[3]彭紫朋.淺析機電一體化技術的發展和應用方向[J/OL].機電信息，2019（17）：182-183

作者簡介：蘇佳佳（1978-），女，廣東揭陽人，博士研究生，講師，主要研究方向：機電一體化技術、材料加工工程。