浅议微机电系统(MEMS)技术的发展与应用

摘 要：本文论述了微机械的概念、特点、研究概况和微机械的加工制造技术一微细加工技术。阐速了微机械与微/纳米科技、微电子技术之间的相互关系。分析了微机械研究的发展趋势及应用热点。

关键词：微机电系统;MEMS;微机械加工

中图分类号：TP273         文献标识码：A

1微机电系统的发展

作为微/纳米技术研究的重要内容，微机电系统（MEMS）是当前微/纳米科技中最具产业化前景的高新技术。MEMS的加工尺寸在微米（ ）量级，系统尺寸在毫米（ ）量级。微型化是MEMS的一个重要特点，但不是唯一特点。首先，MEMS不仅体积小、重量轻，同时具有谐振频率和品质因子高（高Q值）、能量损失小等特点。其次，可批量加工特点大大降低了MEMS产品成本;若借助于MEMS器件库，MEMS的设计将更加灵活，重用率更高。最后，强大的计算能力是MEMS系统实现信息采集、处理、控制的关键，充分利用集成电路的计算优势将会拓展MEMS在智能控制等领域的应用。

2微机电系统的主要关键技术

2.1基础理论、技术基础

微机械涉及的基本技术主要有微机械设计，微机械材料、微细加工（高深宽比多层微结构）、微系统控制和集成等关键技术。微机械设计技术主要有：微结构设计与数据库、有限元分析、CAD/CAM、微系统建模与仿真技术等。

2.2制造工艺

笼统地讲，微细加工技术可以理解为加工尺度在微米级以下的、针对于微小尺寸器件或薄膜图形的一种加工制造方法。从加工尺寸看，它可分为微米级微细加工、亚微米级微细加工和纳米级微细加工。

微细加工的两个基本特征是所处理的对象尺寸微小和加工尺度极小。这就有别于研磨、抛光等传统的精加工和超精加工。另外微细加工对加工环境、制造设备、选用材料、测量方法与仪器等有其特殊的要求。

2.3微组装、微封装、微集成、微测试技术

对微机电系统而言，如何把各个微小零件组装起来以构成一个完整的微机电系统，还有待于进一步研究。目前主要的方法仍是将加工和组装一体化，即从元器件到产品要经过微电子线路、微电子器件、MEMS、完整系统等4个层次的组装。在实际应用中，诸如多自由度操作器、精密微位移工作台及吸附、装卡工具等，均是微系统组装研究中的关键技术。组装之后需要对微机电系统封装，微封装方法有真空封装、阻尼控制封装、多芯片封装等，这些也是MEMS的关键技术之一。微系统集成主要涉及微传感器、微执行器与控制单元的集成。

3微机电系统的热点应用领域

民用方面以微加速度计为代表，大量成熟的商业化MEMS产品已批量生产并取得效益;军事方面，因MEMS能够满足武器装备体积小、重量轻、功耗低、智能化、集成度高等要求，目前已被广泛应用到武器系统中，在未来军事应用领域将起着举足轻重的作用。

（1）军、民用加速度计。微加速度计应用范围很广，广泛用于汽车安全气囊的加速度计体积只有几毫米见方大小，售价仅为宏观加速度计的约1/10，适于恶劣工作环境，具有巨大的市场潜力。在智能弹药引信中用于最佳起爆控制，其尺寸和重量可大大减小，能满足引信设计微型化的需求。

（2）微惯性测量组合。通过集成三轴MEMS陀螺和加速度计，构成一个结构灵巧、价格便宜的惯性测量器件，可取代传统的惯性装置，用于车辆、摄像机等装置的稳定控制、姿态调节和个人导航系统。在军事上，惯性测量组合可装备各种精确制导武器，具有体积小、重量轻、抗高冲击性强等特点。

（3）海量数据存储。在硅片上制造的基于并行原子力分辨率的数据存储系统，将显著降低存储系统的尺寸、重量、存取等待时间、失效率和成本，且存储数据量大，存储密度达到1～100Gb/cm2，远远高于目前的磁存储和光存储。

（4）MOEMS。目前正在研究的采用数字驱动微镜阵列芯片DMD（Digital Micromirror Device）的光处理技术已开始应用到高分辨率的投影显示装置中。

（5）飞行器流体控制。自适应流体控制正在研究将“智能蒙皮”用作襟翼附着在飞行器表面，通过偏转襟翼改变湍流结构可获得更好的空气动力学性能，使飞机产生俯冲、翻滚所需要的力矩。

（6）智能微型机器人。智能微机器人则是MEMS应用的高级形式，它是集成微传感器、微执行器、微机械元件和微控制技术的智能装置，总体尺寸在毫米左右。医疗上的微机器人可植人人体担当“外科医生”，随血液流动可提供冠状动脉信息、清除血栓，注人人体特定部位可针对癌细胞实施化疗。军事上的微型飞行器可用作战场环境信息侦察或用作外空间探测的无人操作机器人。航天领域目前正在研制的微型卫星重量不到0.1kg，可由1枚运载火箭同时向太空发射多个微型卫星，形成覆盖全球的微卫星网络。

4结束语

综上所述，可以看到：在科学技术高速发展的今天，人们借助于微米/纳米技术及其相关高新技术群的帮助， “微型测控装置”和“纳米卫星”等等“微型装置”和“微型武器”都将不再是遥远的科学幻想。

作者简介：杨郁（1983-）男，汉族，江苏徐州人，本科，助理工程师，研究方向：機械工程。

参考文献

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[2]周兆英，叶雄英等.微型系统和微型制造技术[J].微米纳米科学与技术，2016，2（01）.

[3]苑伟政，李晓莹.微机械及微细加工技术[J].机械科学与技术，2017（03）.