淺議微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用

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

關(guān)鍵詞：微機(jī)電系統(tǒng);MEMS;微機(jī)械加工

中圖分類號(hào)：TP273 ????????文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1微機(jī)電系統(tǒng)的發(fā)展

作為微/納米技術(shù)研究的重要內(nèi)容，微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）是當(dāng)前微/納米科技中最具產(chǎn)業(yè)化前景的高新技術(shù)。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(gè)重要特點(diǎn)，但不是唯一特點(diǎn)。首先，MEMS不僅體積小、重量輕，同時(shí)具有諧振頻率和品質(zhì)因子高（高Q值）、能量損失小等特點(diǎn)。其次，可批量加工特點(diǎn)大大降低了MEMS產(chǎn)品成本;若借助于MEMS器件庫，MEMS的設(shè)計(jì)將更加靈活，重用率更高。最后，強(qiáng)大的計(jì)算能力是MEMS系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)信息采集、處理、控制的關(guān)鍵，充分利用集成電路的計(jì)算優(yōu)勢將會(huì)拓展MEMS在智能控制等領(lǐng)域的應(yīng)用。

2微機(jī)電系統(tǒng)的主要關(guān)鍵技術(shù)

2.1基礎(chǔ)理論、技術(shù)基礎(chǔ)

微機(jī)械涉及的基本技術(shù)主要有微機(jī)械設(shè)計(jì)，微機(jī)械材料、微細(xì)加工（高深寬比多層微結(jié)構(gòu)）、微系統(tǒng)控制和集成等關(guān)鍵技術(shù)。微機(jī)械設(shè)計(jì)技術(shù)主要有：微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)庫、有限元分析、CAD/CAM、微系統(tǒng)建模與仿真技術(shù)等。

2.2制造工藝

籠統(tǒng)地講，微細(xì)加工技術(shù)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(xì)加工、亞微米級微細(xì)加工和納米級微細(xì)加工。

微細(xì)加工的兩個(gè)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(xì)加工對加工環(huán)境、制造設(shè)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(shù)

對微機(jī)電系統(tǒng)而言，如何把各個(gè)微小零件組裝起來以構(gòu)成一個(gè)完整的微機(jī)電系統(tǒng)，還有待于進(jìn)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(chǎn)品要經(jīng)過微電子線路、微電子器件、MEMS、完整系統(tǒng)等4個(gè)層次的組裝。在實(shí)際應(yīng)用中，諸如多自由度操作器、精密微位移工作臺(tái)及吸附、裝卡工具等，均是微系統(tǒng)組裝研究中的關(guān)鍵技術(shù)。組裝之后需要對微機(jī)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(guān)鍵技術(shù)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(jī)電系統(tǒng)的熱點(diǎn)應(yīng)用領(lǐng)域

民用方面以微加速度計(jì)為代表，大量成熟的商業(yè)化MEMS產(chǎn)品已批量生產(chǎn)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(yīng)用到武器系統(tǒng)中，在未來軍事應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⑵鹬e足輕重的作用。

（1）軍、民用加速度計(jì)。微加速度計(jì)應(yīng)用范圍很廣，廣泛用于汽車安全氣囊的加速度計(jì)體積只有幾毫米見方大小，售價(jià)僅為宏觀加速度計(jì)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(shè)計(jì)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(jì)，構(gòu)成一個(gè)結(jié)構(gòu)靈巧、價(jià)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(jī)等裝置的穩(wěn)定控制、姿態(tài)調(diào)節(jié)和個(gè)人導(dǎo)航系統(tǒng)。在軍事上，慣性測量組合可裝備各種精確制導(dǎo)武器，具有體積小、重量輕、抗高沖擊性強(qiáng)等特點(diǎn)。

（3）海量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。在硅片上制造的基于并行原子力分辨率的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)，將顯著降低存儲(chǔ)系統(tǒng)的尺寸、重量、存取等待時(shí)間、失效率和成本，且存儲(chǔ)數(shù)據(jù)量大，存儲(chǔ)密度達(dá)到1～100Gb/cm2，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于目前的磁存儲(chǔ)和光存儲(chǔ)。

（4）MOEMS。目前正在研究的采用數(shù)字驅(qū)動(dòng)微鏡陣列芯片DMD（Digital Micromirror Device）的光處理技術(shù)已開始應(yīng)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(yīng)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(zhuǎn)襟翼改變湍流結(jié)構(gòu)可獲得更好的空氣動(dòng)力學(xué)性能，使飛機(jī)產(chǎn)生俯沖、翻滾所需要的力矩。

（6）智能微型機(jī)器人。智能微機(jī)器人則是MEMS應(yīng)用的高級形式，它是集成微傳感器、微執(zhí)行器、微機(jī)械元件和微控制技術(shù)的智能裝置，總體尺寸在毫米左右。醫(yī)療上的微機(jī)器人可植人人體擔(dān)當(dāng)“外科醫(yī)生”，隨血液流動(dòng)可提供冠狀動(dòng)脈信息、清除血栓，注人人體特定部位可針對癌細(xì)胞實(shí)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(jī)器人。航天領(lǐng)域目前正在研制的微型衛(wèi)星重量不到0.1kg，可由1枚運(yùn)載火箭同時(shí)向太空發(fā)射多個(gè)微型衛(wèi)星，形成覆蓋全球的微衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)。

4結(jié)束語

綜上所述，可以看到：在科學(xué)技術(shù)高速發(fā)展的今天，人們借助于微米/納米技術(shù)及其相關(guān)高新技術(shù)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(yuǎn)的科學(xué)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(jī)械工程。

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