微機(jī)電系統(tǒng)概論-1

微機(jī)電系統(tǒng)

閃明才

主要內(nèi)容1、微機(jī)電系統(tǒng)概論2、微機(jī)電系統(tǒng)功能材料3、微機(jī)械加工制造技術(shù)4、微機(jī)械執(zhí)行器5、微機(jī)械傳感器6、微機(jī)械弱信號檢測與處理7、微機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)8、微封裝、微構(gòu)件及微尺寸效應(yīng)

參考書莫錦秋梁慶華等，《微機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計與制造》，化學(xué)工業(yè)出版社，2004.3劉廣玉樊尚春等，《微機(jī)械電子系統(tǒng)及其應(yīng)用》，北京航空航天大學(xué)出版社，2003.2（美）徐泰然著，王曉浩等譯《MEMS和微系統(tǒng)—設(shè)計與制造》，機(jī)械工業(yè)出版社，2004.1梅濤伍小平主編，《微機(jī)電系統(tǒng)》，化學(xué)工業(yè)出版社，2003.1[德]W.MenzJ.Mohr等著，王春海于杰等譯《微系統(tǒng)技術(shù)》，化學(xué)工業(yè)出版社，2003.9

第一部分

微機(jī)電系統(tǒng)概論

（微機(jī)電系統(tǒng)的起源、國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀及應(yīng)用）簡介機(jī)械與機(jī)電系統(tǒng)；宏觀機(jī)電系統(tǒng)與微機(jī)電系統(tǒng)微機(jī)電系統(tǒng)：它是以微傳感器、微執(zhí)行器以及驅(qū)動和控制電路為基本元器件組成的、可以活動和控制的、機(jī)電合一的微機(jī)械裝置。特點：

1、學(xué)科交叉（力學(xué)、機(jī)械、電學(xué)、光學(xué)、電磁學(xué)、生物、化學(xué)等學(xué)科）2、微型化、集成化和智能化；3、低成本批量化；4、應(yīng)用廣泛（軍民兩用）5、高新技術(shù)。微機(jī)電系統(tǒng)的相關(guān)術(shù)語：

MEMS(MicroelectromechanicalSystems)（美國）

MicroMachine（日本）

MicroSystemTechnology（歐洲）

微機(jī)電系統(tǒng)的組成微機(jī)械電子系統(tǒng)(微機(jī)電系統(tǒng))的組成：

一般可定義為由微米和納米加工技術(shù)制作而成的，融機(jī)、電、光、磁以及其他相關(guān)技術(shù)群為一體的，可以活動和控制的微工程系統(tǒng)。目前，人們泛稱其為MEMS。它是以微傳感器、微執(zhí)行器以及驅(qū)動和控制電路為基本元器件組成的、自動化性能高的、可以活動和控制的、機(jī)電合一的微機(jī)械裝置。用它進(jìn)行的操作是極其微細(xì)的，有的操作已經(jīng)到了單個細(xì)胞乃至分子范籌；有的微型敏感元件能敏感到單個原子，能進(jìn)行原子量級的探測。如此細(xì)微的工作狀況，用肉眼是不能分辨的，必須借助顯微術(shù)或?qū)Ｓ脙x器來觀察和控制。微機(jī)電系統(tǒng)的發(fā)展?fàn)顩r

微機(jī)械電子系統(tǒng)，即微機(jī)械技術(shù)，是20世紀(jì)80年代后期國際上興起的一項高技術(shù)。它以集成電路技術(shù)、表面加工技術(shù)和納米精加工技術(shù)為基礎(chǔ)，具有極大的學(xué)科交叉性，微機(jī)電系統(tǒng)的設(shè)計與制造涉及到設(shè)計、材料、制造、測試、控制、能源以及連接等相關(guān)技術(shù)。與傳統(tǒng)機(jī)械系統(tǒng)相比，除在尺度上很小外，它還是一種高度智能化和高度集成化的系統(tǒng)。微機(jī)電系統(tǒng)的研究是制造技術(shù)上的一場革命，在21世紀(jì)的機(jī)械發(fā)展過程中將占有主導(dǎo)地位。

微機(jī)械技術(shù)將是一項新興的產(chǎn)業(yè)，會優(yōu)先在生物、醫(yī)療、航空、航天、電子產(chǎn)品、過程控制及測試技術(shù)等領(lǐng)域獲得廣泛的應(yīng)用。

集成電路技術(shù)的發(fā)展

半導(dǎo)體晶體管計算機(jī)

上世紀(jì)末的微型計算機(jī)芯片

國外的發(fā)展現(xiàn)狀（1）美國

國家科學(xué)基金、先進(jìn)研究計劃、國防部等投資1.4億美元進(jìn)行微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)研究。在軍方資助下，完成了《微電子機(jī)械系統(tǒng)的軍事應(yīng)用》研究報告。主要研究方向：

精密制導(dǎo)武器、靈巧武器、偵察通訊、破壞敵方指揮系統(tǒng)及戰(zhàn)斗力、研制微型衛(wèi)星及納米衛(wèi)星等。主要實用化成果：

Park公司開發(fā)研制出用于掃描隧道顯微鏡（STM）和原子力顯微鏡（AFM）的微型傳感器；Texas公司開發(fā)出用于彩色圖像投影顯示的數(shù)字鏡面器件（DMD）；AD公司開發(fā)研制的加速度計，管芯尺寸為1.5mm*1.5mm，量程達(dá)50g，靈敏度為15mv/g等。

國外的發(fā)展現(xiàn)狀（2）歐共體

成立了NEXUS（多功能微系統(tǒng)研究合作機(jī)構(gòu)）組織；德國制定了微機(jī)械系統(tǒng)技術(shù)計劃（1990～1995投資共40億馬克），20世紀(jì)80年代中期發(fā)展了一種LIGA（深度同步輻射X射線光刻、電鍍和模鑄）工藝，深化了平面加工技術(shù)，實現(xiàn)了高寬比大于200的三維立體結(jié)構(gòu)的加工制造，被加工材料也擴(kuò)展為金屬、塑料和陶瓷。被公認(rèn)為是一種最有發(fā)展前景的超微細(xì)加工方法。主要研究機(jī)構(gòu)和實用化成果

Karlsruhe核研究中心、微技術(shù)研究所（IMM）、Microparts公司等。已開發(fā)研制出微傳感器、微電機(jī)、微執(zhí)行器、集成光學(xué)和微光學(xué)元件、微型流量計以及直徑為數(shù)百微米的金屬雙聯(lián)齒輪等。

國外的發(fā)展現(xiàn)狀（3）日本

制定了納米制造計劃（1985～1990年）、埃技術(shù)計劃（1992～2001年計劃投資1.85億美元）、微機(jī)器人計劃。計劃生產(chǎn)兩臺微型機(jī)器人用于醫(yī)學(xué)診斷（或微型手術(shù)）和飛機(jī)發(fā)動機(jī)（或原子能設(shè)備）的微小裂紋的維修診斷?，F(xiàn)有MEMS研究機(jī)構(gòu)60余個（企業(yè)占2／3），1990年成立了微機(jī)械中心（MMC）和微機(jī)械學(xué)會（MST）。每年舉辦一次MEMS國際研討會。主要實用性成果

利用電火花加工技術(shù)、IC技術(shù)和光成型技術(shù)加工出各種傳感器和執(zhí)行器，研制成功主要用于生物和醫(yī)療的微型機(jī)器人。有三本專著出版。

國內(nèi)的發(fā)展現(xiàn)狀主要研究機(jī)構(gòu)華北地區(qū)：清華大學(xué)、北京大學(xué)、中科院電子所、信息產(chǎn)業(yè)部13所、華北工學(xué)院微米納米技術(shù)研究中心等。華東地區(qū)：中科院上海冶金所、上海交通大學(xué)、復(fù)旦大學(xué)、東南大學(xué)、浙江大學(xué)、上海大學(xué)、廈門大學(xué)等。東北地區(qū)：信息產(chǎn)業(yè)部49所、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、中科院長春光機(jī)所、大連理工大學(xué)、沈陽儀器儀表工藝研究所等。西南地區(qū)：重慶大學(xué)、信息產(chǎn)業(yè)部24所、26所、44所等。西北地區(qū)：西安交通大學(xué)、航空618所、航天771所、航天16所等。

國內(nèi)的主要研究現(xiàn)狀及成果清華大學(xué)廣泛開展了多種微型傳感器(微加速度計、微陀螺、微磁場計、微壓力傳感器、微流量傳感器、微麥克風(fēng)等)、微泵、微閥、微噴、微毛細(xì)管電泳儀、微光開關(guān)、RF-MEMS器件、微光譜儀、DNA芯片等的研究。其中，微加速度計和微泵正在準(zhǔn)備生產(chǎn)；微毛細(xì)管電泳儀已經(jīng)制成樣機(jī)，可以用于藥物分析和環(huán)境監(jiān)測，具有廣闊的市場前景，正在向市場化推進(jìn)。清華大學(xué)于2000年6月發(fā)射成功進(jìn)入700km太陽軌道的“航天清華一號”微小衛(wèi)星，運行狀況良好。其特點是質(zhì)量輕(50kg)、體積小(0.07)、研制周期短(約1年)、成本低、功能密度高，體現(xiàn)了我國MEMS技術(shù)在微小衛(wèi)星中的應(yīng)用取得重大突破。北京大學(xué)微電子所北京大學(xué)微電子所

以IC加工生產(chǎn)線為基礎(chǔ)，開展了體硅工藝和表面工藝研究，已形成了較成熟的工藝技術(shù)，研制了硅微高加速度計、微化學(xué)傳感器等，計劃利用2年時間實現(xiàn)微型繼電器、可調(diào)電容和微光學(xué)器件的小批量生產(chǎn)，已經(jīng)得到環(huán)宇－青島公司的資金投入。信息產(chǎn)業(yè)部13所

信息產(chǎn)業(yè)部13所

已經(jīng)建成體硅加工的小批量制造基地，研制了微加速度計、微陀螺、紅外隧穿傳感器、微光器件等，“十五計劃”期間，他們將發(fā)展重點放在航空航天和信息技術(shù)領(lǐng)域，準(zhǔn)備開發(fā)微小衛(wèi)星、慣性組件、RF—MEMS器件和光交換設(shè)備等。信息產(chǎn)業(yè)部49所信息產(chǎn)業(yè)部49所

從20世紀(jì)80年代初就開始從事微傳感器的相關(guān)研究，主要制造不同規(guī)格的微壓力傳感器、氣敏／濕敏傳感器、流量傳感器等，并研制為武器裝備配套的微加速度計中國科學(xué)院上海冶金所中國科學(xué)院上海冶金所研制了微加速度計、微陀螺、微壓力傳感器、微紅外傳感器陣列、微光器件等多種MEMS器件，作為首席專家單位主持973項目“集成微光機(jī)電系統(tǒng)”研究，并開展了微小衛(wèi)星的研究。沈陽儀器儀表研究所

沈陽儀表科學(xué)研究院（沈陽儀器儀表研究所）

生產(chǎn)的微硅壓力傳感器系列、雙向靜壓過載微差壓傳感器系列，市場需求量較大，已形成小規(guī)模生產(chǎn)能力。信息產(chǎn)業(yè)部24所信息產(chǎn)業(yè)部24所–重慶

主要生產(chǎn)專用模擬集成電路，擁有各種IC生產(chǎn)線，他們從“九五”開始與重慶大學(xué)合作進(jìn)行MEMS的研究，參與了微觸覺傳感器和生物芯片的生產(chǎn)。

東南大學(xué)東南大學(xué)東南大學(xué)和國際風(fēng)險投資資金合作成立有E-life公司，主要開發(fā)生產(chǎn)有自主知識產(chǎn)權(quán)的DNA分析芯片及其相配套的平臺。這種高密度的芯片將被用來建立人口基因檔案，為公安等部門服務(wù)。該芯片及其平臺在醫(yī)院中可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的基因檢測方法，具有速度快、成本低的優(yōu)點。目前，E-life公司正在與醫(yī)院進(jìn)行聯(lián)合研究，可望形成較大的產(chǎn)值。東南大學(xué)還研制了硅微加速度計和陀螺等。中北大學(xué)（華北工學(xué)院）微米納米技術(shù)研究中心

主要從事微機(jī)械加速度計、微陀螺和微慣性測量組合的應(yīng)用系統(tǒng)研究，正在開展軍用和民用的慣性系統(tǒng)、新型的單兵作戰(zhàn)系統(tǒng)以及道路、橋梁的監(jiān)測系統(tǒng)等方面的研究工作。浙江大學(xué)浙江大學(xué)

研制的納米碳管、微透鏡陣列、蛋白質(zhì)生物芯片比較成熟，可望投入生產(chǎn)。另外他們也很重視設(shè)備的研制，可以向市場提供反應(yīng)離子束蝕刻機(jī)、雙元STM納米檢測儀。他們還研制了硅微加速度計、微陀螺、微真空計、微高度計等。重慶大學(xué)重慶大學(xué)

研究了微加速度陣列、光壓力傳感器、觸覺傳感器、細(xì)胞流變學(xué)測量儀、微型光譜儀等。中國科學(xué)院電子所中國科學(xué)院電子所開發(fā)了微氣敏傳感器、微波功率傳感器、諧振式和真空微電子壓力傳感器、微pH傳感器等。他們的另一個研究重點是微生物傳感器和微分析系統(tǒng)，正在研究微芯片PCR擴(kuò)增儀、CE微型毛細(xì)管電泳儀、DNA微型檢測儀等。中國科學(xué)院合肥智能機(jī)械研究所中國科學(xué)院合肥智能機(jī)械研究所從1989年起就開始進(jìn)行微機(jī)械加工技術(shù)研究，以MEMS技術(shù)為主要實現(xiàn)手段，以研制生物醫(yī)學(xué)、航天等領(lǐng)域的微型傳感器與微型機(jī)器人系統(tǒng)為目標(biāo)，研究微傳感器、微執(zhí)行器與微系統(tǒng)。研究了硅各向異性腐蝕工藝、電化學(xué)摻雜選擇腐蝕工藝、硅—硅靜電鍵合工藝，研制了硅微力傳感器、微結(jié)構(gòu)氣敏陣列傳感器、集成化硅觸覺陣列傳感器、微型三維力傳感器、表面微加工轉(zhuǎn)速傳感器、無線驅(qū)動體內(nèi)微機(jī)器人等。目前正在研制爆炸物探測微陣列、微型六維力探針、柔性觸覺傳感器、能夠進(jìn)入人體腸胃進(jìn)行檢查的微機(jī)器人等微機(jī)電系統(tǒng)。

哈爾濱工業(yè)大學(xué)主要研究機(jī)構(gòu)

航天學(xué)院MEMS中心、機(jī)器人研究所MEMS研究組、機(jī)電工程學(xué)院微機(jī)電研究室、機(jī)械制造及其自動化MEMS研究組等。微機(jī)電系統(tǒng)的特征尺寸微小是微機(jī)電系統(tǒng)的基本特征

當(dāng)尺寸小到微米或亞微米量級時，會產(chǎn)生微尺寸效應(yīng)。它的影響將反映到諸如結(jié)構(gòu)材料、設(shè)計理論、制造方法、在微小范圍內(nèi)各種能量的相關(guān)作用及測量技術(shù)等許多方面。也就是說，工程上常用的尺寸縮放法不適用于由微尺寸元器件組成的微裝置；因而，傳統(tǒng)的設(shè)計理論、方法及一些物理定律不能完全套用，許多理念需要更新和重新建立，必須從新的構(gòu)思出發(fā)去探索微機(jī)械由于尺寸效應(yīng)形成的一些特殊現(xiàn)象和規(guī)律。

微尺寸效應(yīng)的影響1、微尺寸效應(yīng)對于元器件間的作用力的影響

隨著尺寸的減小，與尺寸3次方成比例的像慣性力、體積力及電磁力等的作用將明顯減弱；而與尺寸2次方成比例的像粘性力、表面力、靜電力及摩擦力等的作用則明顯增強(qiáng)，并成為影響微機(jī)械性能的主要因素。在微機(jī)械設(shè)計中，多利用靜電力驅(qū)動。在微機(jī)械中，又由于表面積與體積之比相對增大，使熱傳導(dǎo)的速度也相對增加。研究微機(jī)械中的摩擦、磨損的特性與機(jī)理是該領(lǐng)域的主要課題之一。2、微尺寸效應(yīng)對于元器件機(jī)械強(qiáng)度的影響

隨著元器件尺寸的減小，元器件材料內(nèi)部缺陷出現(xiàn)的可能性減小，因而元器件材料的機(jī)械強(qiáng)度會增加。所以微型元器件的彈性模量、抗拉強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度及殘余應(yīng)力均與大零件有所不同。3、微尺寸效應(yīng)對于元器件慣性和熱容量的影響

由于微尺寸效應(yīng)，導(dǎo)致微機(jī)電系統(tǒng)的慣性小、熱容量低，容易獲得高靈敏度和快速響應(yīng)。4、微尺寸效應(yīng)對于元器件信號檢測的影響

由于微尺寸效應(yīng)，導(dǎo)致微機(jī)電系統(tǒng)的前端裝置（如微傳感器）的輸出信號十分微小，傳統(tǒng)的測量工具和儀器難以實現(xiàn)如此微弱信號的檢測，必須創(chuàng)造新的測量設(shè)備。5、微尺寸效應(yīng)對于元器件設(shè)計方法的影響

微機(jī)電系統(tǒng)尺度的縮小，集成化程度的提高．會導(dǎo)致工序增多，成本增高；所以應(yīng)在試制前對整個微機(jī)電系統(tǒng)的器件、工藝及性能進(jìn)行模擬分析，對各種參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，以保證微系統(tǒng)的設(shè)計合理、正確，降低研制成本，縮短研制周期。顯然，傳統(tǒng)的設(shè)計方法(基本上為試湊法)巳難以滿足上述新要求，必須尋求新的設(shè)計途徑。其中最流行的設(shè)計方法就是微機(jī)電系統(tǒng)的計算機(jī)輔助設(shè)計(MEMSCAD)。運用MEMSCAD，除了借鑒已有的機(jī)械CAD和電子工具外，還必須針對特定的微系統(tǒng)，開發(fā)專用的CAD建模軟件。該研究方向有大量的工作要做。微機(jī)電系統(tǒng)的材料微機(jī)電系統(tǒng)常用材料傳統(tǒng)的機(jī)電系統(tǒng)，用得最多的是金屬材料，采用傳統(tǒng)的機(jī)械制造工藝制作而成；而微機(jī)電系統(tǒng)最常用的則是硅及其化合物材料。以及特種合金、石英、塑料和陶瓷等。1982年K.E.Petersen發(fā)表了一篇著名的論文“硅作為機(jī)械材料”，引起了人們對硅的重新認(rèn)識。硅及其合金材料的特點硅是容易獲得的超純無雜的低成本材料，有極好的機(jī)械特性和電學(xué)特性，非常適合制造微結(jié)構(gòu)；便于利用集成電路(IC)工藝和微機(jī)械加工工藝進(jìn)行批量生產(chǎn)；硅微結(jié)構(gòu)便于和微電子線路實現(xiàn)集成化。

微機(jī)電系統(tǒng)的制造技術(shù)微機(jī)電系統(tǒng)制造的特點

由于微機(jī)電系統(tǒng)及器件多種多樣，不僅和微電子之間有交聯(lián)，還和外界其它物理量相互作用，并且為體型結(jié)構(gòu)。因此，雖然集成電路制造技術(shù)，包括版圖設(shè)計、刻蝕工藝、薄膜工藝以及模擬技術(shù)等已發(fā)展得較為成熟，能成功地用于微電子器件和集成電路的制作，但它不能完全滿足微機(jī)電系統(tǒng)及其器件的制造要求。微機(jī)電系統(tǒng)專用制造方法

體型加工技術(shù)、表面加工技術(shù)、LIGA（深度同步輻射X射線光刻、電鍍和模鑄）技術(shù)、構(gòu)件間的相互組裝技術(shù)、鍵合及封裝技術(shù)等。微機(jī)電系統(tǒng)的測量技術(shù)由于微尺寸效應(yīng)，導(dǎo)致微傳感器、微執(zhí)行器等的輸出量衰減到微弱信號級如運動位移、振幅及形變小到亞微米和納米量級。將它們變換成可供接收和處理的電信息時，相應(yīng)的電壓量小到微伏、亞微伏乃至nV，電流量小到nA，電容量小到(0.1～.001)pF。為了把如此微弱的有用信號從強(qiáng)噪聲背景下提取出來，從設(shè)計上考慮，必須遵循的原則是：●設(shè)計合理的集成檢測電路布局；●檢測電路必須與微機(jī)械裝置(如微傳感器)盡量靠近，最好能與傳感器實現(xiàn)單片集成或混合集成；●盡量減短微系統(tǒng)的尺寸鏈。

微機(jī)電系統(tǒng)功能元件測量儀器掃描隧道顯微鏡（STM）工作原理

利用超細(xì)的金屬納米探針(納米尖)和被測樣件表面構(gòu)成2個電極，當(dāng)探針尖與樣件表面非常接近(如1nm)時，在探針與表面形成的電場作用下，將產(chǎn)生隧道電流效應(yīng)，即電子會穿過二者之間的空隙從一個電極流向另一個電極。隧道電流的大小與空隙大小有關(guān)。當(dāng)空隙增大時，電流以指數(shù)形式衰減，若空隙增大0.1nm，電流減小1個數(shù)量級，靈敏度極高。測出探針在非常接近的被測樣件表面上掃描產(chǎn)生的隧道電流變化，即可得知樣件表面在nm尺度內(nèi)各點位置的微細(xì)變化，即表面的三維空間形貌。掃描顯微術(shù)主要組成部份原子力顯微鏡（AFM）工作原理在STM的基礎(chǔ)上，現(xiàn)己發(fā)展了多種掃描探針的顯微技術(shù)，以適應(yīng)不同領(lǐng)域的需要。這些顯微技術(shù)都是利用探針與樣件的不同相互作用，探測表面或界面在nm尺度上表現(xiàn)出來的微細(xì)變化。如原子力顯微鏡AFM，就是利用探針和被測表面之間微弱力的相互作用這一物理現(xiàn)象，對被測樣件表面進(jìn)行掃描測量，得知納米形貌。AFM的探測力極其微弱，在N之間，形成與被測表面輕微接觸或接近于非接觸(相互作用力僅為幾nN)的模式。這種程度的接觸模式是不會使樣件表面產(chǎn)生形變和損傷的。AFM掃描測量結(jié)果示例用AFM掃描測量出的多晶硅芯片的表面粗糙度微機(jī)電系統(tǒng)的應(yīng)用

一、在航空航天方面的應(yīng)用微機(jī)電系統(tǒng)在飛行器的電子設(shè)備、飛行器設(shè)計及微小衛(wèi)星等技術(shù)方面都有重要的應(yīng)用。

如圖所示為機(jī)載分布式大氣數(shù)據(jù)計算機(jī)，由多功能微型大氣數(shù)據(jù)探頭、微型壓力傳感器以及信號處理單元直接組成，并封裝在殼體內(nèi)，形成一個微機(jī)電系統(tǒng)。其工作原理是：多功能微型大氣數(shù)據(jù)探頭把感受到的大氣數(shù)據(jù)直接輸入相應(yīng)的微傳感器，并將其變換為電信號，再經(jīng)信號處理單元解算和補(bǔ)償后，以總線信號方式提供給飛機(jī)上飛控、火控、導(dǎo)航及環(huán)境控制等各系統(tǒng)使用。與現(xiàn)在飛機(jī)上使用的常規(guī)型分離式大氣數(shù)據(jù)計算機(jī)相比，其體積和質(zhì)量下降1～2個數(shù)量級。減輕質(zhì)量和減小體積．對于飛機(jī)和空間飛行器來說是至關(guān)重要的。分布式大氣數(shù)據(jù)計算機(jī)由微機(jī)電功能單元構(gòu)造的機(jī)敏材料與結(jié)構(gòu)現(xiàn)代飛機(jī)和飛行器的結(jié)構(gòu)更多地采用復(fù)合材料，已成為發(fā)展趨勢。尤其引人注目的是，在復(fù)合材料內(nèi)分布嵌入微機(jī)電系統(tǒng)功能單元(微傳感器十微執(zhí)行器十微電子線路)，便可得到期望的、程序可控的材料和結(jié)構(gòu)組態(tài)。這些材料和結(jié)構(gòu)被稱為機(jī)敏材料和機(jī)敏結(jié)構(gòu)。這種機(jī)敏結(jié)構(gòu)具有自我監(jiān)測和檢測的功能，能連續(xù)地對結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、振動、聲、加速度、氣動阻力及結(jié)構(gòu)完好性(或損傷)等多種狀態(tài)實施監(jiān)測和檢測。例如．若將能測量和控制氣動渦流和擾動氣流的MEMS單元分布嵌入飛機(jī)襟翼表面，使其成為主動柔性表面，便可對氣流擾動或渦流形成主動抑制，就能明顯地降低氣動阻力。改善飛機(jī)飛行的機(jī)動性，參見下圖。類似的主動活動表面也可用于轉(zhuǎn)動直升飛機(jī)的槳葉、燃?xì)廨啓C(jī)的葉片，以達(dá)到減振降噪，提高功效的目的。氣動擾動控制的柔性襟翼昆蟲微型偵察機(jī)利用具有程序可控、動態(tài)可調(diào)的機(jī)敏材料和機(jī)敏結(jié)構(gòu)繼而可以研發(fā)活動機(jī)冀的微型偵察機(jī)。這種新型飛機(jī)會像鳥兒一樣飛翔，用活動機(jī)翼調(diào)節(jié)空氣阻力，達(dá)到節(jié)省燃油、提高性能的目的。預(yù)計將來，當(dāng)有一只小鳥或蜜蜂一樣的飛行物在你頭上盤旋時，你要注意，這也許是有人在監(jiān)視你。

微型飛行機(jī)器人

MFR-II。螺旋槳長約136mm，高約85mm。

精工愛普生制造的μFR-II微型飛行機(jī)器人，該機(jī)器人為采用螺旋槳的直升飛機(jī)，可自動控制姿態(tài)、按事先指定的路線飛行。

μFR-II通過市場上銷售的鋰離子電池驅(qū)動。通過采用精工愛普生的陀螺儀“XV-3500CB”等，機(jī)身（不包括電池）的重量減輕了0.3g，僅為8.6g。包括電池在內(nèi)，全部重量為12.3g。微型無人機(jī)微小型衛(wèi)星技術(shù)

微小型衛(wèi)星質(zhì)量的劃分

微小型衛(wèi)星的質(zhì)量通常為100～500kg左右，微型衛(wèi)星的質(zhì)量通常為10～100kg左右，而納米衛(wèi)星的質(zhì)量通常小于10kg，皮衛(wèi)星的質(zhì)量通常小于1kg。微小型衛(wèi)星的特點

體積小、質(zhì)量輕、制造和發(fā)射成本低、效費比高、生產(chǎn)周期短、適合于批量生產(chǎn)，安全性高，性能單一，使用靈活，布設(shè)成局部星團(tuán)或分布式星座，可替代大型衛(wèi)星實現(xiàn)對地球上任意一點的連續(xù)覆蓋和監(jiān)視。

哈工大－試驗衛(wèi)星一號

試驗衛(wèi)星一號重204公斤微機(jī)電系統(tǒng)對發(fā)展微小衛(wèi)星的促進(jìn)作用

應(yīng)用微機(jī)電系統(tǒng)可以使微小衛(wèi)星的質(zhì)量降至10kg以下。不久的將來，含有多種微傳感器、微處理器、天線、微型火箭及微控制器等在內(nèi)的集合體，將會用微米和納米制造技術(shù)把它們制作在同一塊硅基片上，成為單片微小衛(wèi)星。這些微小衛(wèi)星發(fā)射上天后，形成星團(tuán)(或稱浮動層)。這個星團(tuán)就是分布在一定軌道上的微小衛(wèi)星結(jié)構(gòu)體系，可以保證在任何時刻對地球上的覆蓋區(qū)進(jìn)行監(jiān)視。

納星一號重量小于25公斤我國已相繼成功發(fā)射了“實踐五號”、“海洋一號”、“創(chuàng)新一號”、“清華一號”等多顆不同質(zhì)量、不同用途的小衛(wèi)星，

微機(jī)電系統(tǒng)與微小衛(wèi)星技術(shù)納型衛(wèi)星是基于微電子技術(shù)、微機(jī)電技術(shù)、微光電技術(shù)等微米/納米技術(shù)而發(fā)展起來的新型微小衛(wèi)星。納衛(wèi)星質(zhì)量輕，有的僅重幾公斤，衛(wèi)星的一體化設(shè)計和集成度更高，是當(dāng)前國際航天技術(shù)發(fā)展的重要方向之一，體現(xiàn)了航天器微小化的發(fā)展趨勢。目前世界上只有俄羅斯、美國、英國等國家相繼成功發(fā)射了納型衛(wèi)星?！凹{星一號”的發(fā)射成功，標(biāo)志著我國成為成功進(jìn)入這一領(lǐng)域的少數(shù)國家之一。微型人造衛(wèi)星

核心元器件美國新墨西哥州的LosAlamosNationalLaboratory正研究制造長約3英時,重半盎司的微型人造衛(wèi)星核心元器件,并將應(yīng)用于數(shù)以百計的微型人造衛(wèi)星中，發(fā)射到太空去。微型人造衛(wèi)星易于制造，不易受太空的磁場干擾，由于每一微型人造衛(wèi)星只負(fù)責(zé)一類工作，耗電量低，易于控制，并可利用太陽能發(fā)電。XCG100/250

低功耗微機(jī)械

陀螺儀傳感器系統(tǒng)XCG100/250(低功耗陀螺儀)在一個小的PC板上提供一個MEMS（微電子機(jī)械系統(tǒng)）單軸角速率傳感器。該傳感器是一個完整的單元，僅僅要求直流電壓輸入來測量角速率。XCG100/250適合用于嵌入式應(yīng)用，安裝靈活。指標(biāo)：標(biāo)準(zhǔn)輸入范圍:±100°/secand±250°/sec

輸入電壓:+5VDC

帶寬：>50Hz

輸出噪音：<0.005°/sec/(±100°/sec角速率范圍)

操作溫度：-40°C到+85°C

應(yīng)用：引導(dǎo)控制系統(tǒng)短時期導(dǎo)航姿態(tài)參考系統(tǒng)機(jī)器人機(jī)車儀器微型陀螺儀微型內(nèi)燃機(jī)

美國加州大學(xué)的科學(xué)家成功研制了一臺，世界最小的內(nèi)燃機(jī)，希望代替目前在手提電腦或其他電子產(chǎn)品使用的電池。

這臺內(nèi)燃機(jī)只有一便士硬幣大小，但可以持續(xù)提供能源，供應(yīng)電子產(chǎn)品（如流動電話、手提電腦和機(jī)械人）使用，甚至可以供給士兵攜帶的裝備所需要的能源。

微型發(fā)動機(jī)壓電微電機(jī)二、在信息科學(xué)方面的應(yīng)用微操作夾持器

現(xiàn)代的機(jī)電產(chǎn)品的微型化帶來了深刻的技術(shù)革命，手提電話、計算器、精密手表零件的組裝面臨著新的挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的手工裝配方法對操作者的技術(shù)、勞動強(qiáng)度都有很高的要求，而且工作效率很低，操作工人的培養(yǎng)往往需要較長的時間。微操作機(jī)器人系統(tǒng)采用專門設(shè)計的工具、定位裝置、照明裝置和便于操作者操作的遙控作業(yè)系統(tǒng)，可以方便地裝配和操作微機(jī)械零件。三軸加速度計三軸加速度計結(jié)合三個直交相似的電容加速度計，電容加速度計帶有防潮、低阻抗，可用于商業(yè)和工業(yè)環(huán)境中測量加速度值。其內(nèi)部每一個加速度計都包含有微型密封、微機(jī)械的電容傳感單元和一個普通集成放大器，電鍍鋁制外殼采用環(huán)氧密封技術(shù)，該外殼可以很方便的用#8（M4）螺絲釘安裝。加速度傳感器微機(jī)械結(jié)構(gòu)，微型尺寸，可以直接焊接在PCB版上?？梢詼y量重力加速度，可以測量動態(tài)沖擊加速度，也可以應(yīng)用加速度傳感器來集成傾角處理系統(tǒng)，測試速度和振動。內(nèi)置放大和過濾器，抗沖擊達(dá)5000g，供電范圍寬：2.7-24V，IP66防護(hù)。量程從1g到100g?？蓱?yīng)用在控制手柄振動和搖晃，儀器儀表，汽車制動啟動檢測，地震檢測，報警系統(tǒng)，環(huán)境監(jiān)視，工程測振、地質(zhì)勘探、鐵路、橋梁、大壩的振動測試與分析；高層建筑結(jié)構(gòu)動態(tài)特性和安全保衛(wèi)振動偵察上。硅微壓力傳感器微機(jī)械最早和最成功的產(chǎn)品是微型壓力傳感器。壓阻式微型壓力傳感器

這種傳感器的敏感元器件是厚10一25微米的硅膜片。膜片在壓力作用下發(fā)生偏轉(zhuǎn)，通過偏轉(zhuǎn)大小的變化來傳感壓力的變化。膜片的偏轉(zhuǎn)導(dǎo)致電阻變化，由微電路檢測出這種電阻變化，即可測出壓力變化。電容式微型壓力傳感器

若把膜片制成電容器的一塊芯極板，則當(dāng)壓力變化引起膜片偏轉(zhuǎn)時，電容器兩塊電極板之間的距離就會發(fā)生變化，導(dǎo)致電容值變化，用電路檢測出電容值的變化，即可測出壓力變化。壓阻式傳感器使用的壓力較低、工作穩(wěn)定性較好、制造較簡易，是主要發(fā)展產(chǎn)品。單晶硅壓力

傳感器芯體采用單晶硅材料，硅微機(jī)械加工精制而成,無P-N節(jié)效應(yīng)，可做100:1的量程遷移,工作溫度可達(dá)160℃,溫度系數(shù)小，且溫度影響為線性,無機(jī)械傳動部件，動態(tài)頻響高，抗振動和沖擊.XW-810

微型慣性測量單元XW-810（可升級微型緊密組合系統(tǒng)）組合了3-軸MEMS陀螺儀，3-軸MEMS加速度計，3-軸磁阻傳感器和12通道載波相位的GPS接收機(jī)。該系統(tǒng)是星網(wǎng)迅達(dá)科技發(fā)展有限公司的專利技術(shù)產(chǎn)品。XW-810的機(jī)械尺寸小12.5cm3(<8in3)。

左圖是豐田公司的研究人員和東北大學(xué)合作開發(fā)的另一種壓力傳感器。該傳感器為體型硅加工的電容器件，由硅與玻璃基片鍵合而成，并集成了CMOS電路。該器件具有一個2平方毫米的振動膜，遠(yuǎn)大于以前的器件，測量范圍是0Pa～20Pa，并具有高過載保護(hù)功能。該器件與一個數(shù)字電子芯片集成用于補(bǔ)償和數(shù)字信號輸出。利用同樣的原理和結(jié)構(gòu)還可以制作電容加速度傳感器，可用于汽車安全氣囊和主動懸掛控制。微慣性傳感器汽車中氣囊展開系統(tǒng)的操作是汽車在嚴(yán)重碰撞中產(chǎn)生的沖擊被慣性傳感器“感知”，（該慣性傳感器采用的是微加速度計原理），傳感器產(chǎn)生適當(dāng)?shù)男盘柦o制動器，使氣囊打開，以保護(hù)駕駛員和乘客免受嚴(yán)重傷害。傳感器包括兩個微加速度計，被安裝在汽車的底盤上。右邊的加速度計測量水平方向的制動。汽車氣囊展開系統(tǒng)智能慣性傳感器微齒輪圖示是一個比螞蟻頭的尺寸還要小得多的齒輪和使用陶瓷制造的雙層齒輪。齒輪的齒距在100微米量級。這兩種齒輪都是利用LIGA工藝制造的。微馬達(dá)圖為靜電驅(qū)動的微馬達(dá)。所有三個部件－轉(zhuǎn)子（中心齒輪）、定子以及扭矩傳遞齒輪都是用鎳制造的。鋸齒形的轉(zhuǎn)子直徑700微米，與一個直徑250微米的齒輪嚙合，后者傳遞馬達(dá)產(chǎn)生的扭矩。轉(zhuǎn)子和軸之間的間隙以及轉(zhuǎn)子和定子之間的間隙都是4微米，裝置的高度是120微米。微渦輪微渦輪用以產(chǎn)生動力，渦輪是用鎳制造。轉(zhuǎn)子直徑130微米，轉(zhuǎn)子和軸之間的間隙5微米，渦輪高度150微米，整個裝置的材料用鎳制造。最大轉(zhuǎn)速可達(dá)150000r/min。微透鏡左圖中每一個透鏡的直徑都是150微米，這些透鏡組成微物鏡，可以使內(nèi)窺鏡的光學(xué)分辨率提高到3微米。這些透鏡還可以被應(yīng)用在復(fù)印機(jī)、光學(xué)掃描儀及打印機(jī)上。右圖是這些透鏡組成的用于神經(jīng)外科的微物鏡。疊層式密封

2-DMEMS光開關(guān)模塊

基于MEMS（微型機(jī)電系統(tǒng)）技術(shù)的光開關(guān)，利用做在硅片上的微型可動鏡子來操縱通過光導(dǎo)纖維網(wǎng)絡(luò)交叉點的光束?；贛EMS的光開關(guān)的應(yīng)用，可以從小型的光交叉連接（見圖）直到能夠傳導(dǎo)成千上萬光信號的大型交叉連接。與傳統(tǒng)的開關(guān)不同，它必須能夠識別通過它的每一組、每一單元或每一幀的數(shù)據(jù)。純粹的光開關(guān)與數(shù)據(jù)的速率和格式無關(guān)，因此，它們適用于網(wǎng)絡(luò)的所有環(huán)節(jié)，所以，它們實際上是未來的發(fā)展方向。三、在生命科學(xué)方面的應(yīng)用微傳感器、微執(zhí)行器及微系統(tǒng)在生物醫(yī)學(xué)和工程方面的應(yīng)用加速疾病的預(yù)防、診斷及治療都有重要作用。主要應(yīng)用場合：

1、腔內(nèi)壓力監(jiān)側(cè)；

2、微型手術(shù)；

3、生物芯片；

4、細(xì)胞操作；

5、仿生器件等。圖所示為用于顱內(nèi)壓力監(jiān)測的微系統(tǒng)。它由微型壓力傳感器(如硅電容式壓力微傳感器)和遙測單元組成。植入顱內(nèi)腔的壓力微傳感器可以實時監(jiān)測顱內(nèi)病灶部位的壓力變化，如腦出血時壓力會增高。微型壓力傳感器實時檢測信息，經(jīng)內(nèi)導(dǎo)線傳給遙測單元輸出，供醫(yī)生做出正確判斷，以便確定適宜的治療方案。單片夾持驅(qū)動器固定和測試細(xì)胞隨著生物工程的發(fā)展,要求能隨意捕捉和釋放單一游離細(xì)胞，或向細(xì)胞內(nèi)注入和拾取某一成分，同時還能測定和記錄細(xì)胞生物電參數(shù)。游離細(xì)胞捕捉儀就是為此目的而研制的，對只有幾微米的細(xì)胞來說，關(guān)鍵動作是接近細(xì)胞時的精細(xì)微調(diào)，要求分辯率達(dá)幾十納米，微驅(qū)動機(jī)器人具有高定位精度和精細(xì)操作能力，適于完成上述操作。微型內(nèi)窺鏡最新型的M2A微型內(nèi)窺鏡，也叫“裝在藥丸里的相機(jī)”。用M2A微型內(nèi)窺鏡做檢查不會給病人帶來痛苦，還可以幫助醫(yī)生看見人體長達(dá)21英尺的小腸內(nèi)發(fā)生的病變，如不明顯的內(nèi)出血、侵犯胃腸道的克羅恩病，及小腸生長的腫瘤等。微型游泳機(jī)器人期望用于人體血管中的微型游泳機(jī)器人。游泳機(jī)器人工作原理利用鐵磁橡膠的特性可以制作柔性磁場驅(qū)動執(zhí)行器，圖為采用鐵磁橡膠制作的微型游泳機(jī)器人。微機(jī)器人流線型基體采用泡沫塑料制作，在水中具有一定的浮力。在基體兩側(cè)以一定的角度對稱粘貼了兩個鐵磁橡膠執(zhí)行器，執(zhí)行器為扁平條狀。當(dāng)微機(jī)器人處于勻強(qiáng)磁場中時，由于鐵磁橡膠的磁導(dǎo)率比空氣的磁導(dǎo)率大，磁力線通過橡膠中時磁阻最小，即磁力線更“愿意”從橡膠中“走”。同時，磁力線路徑越短，系統(tǒng)勢能越低。因此，鐵磁橡膠微執(zhí)行器趨向于沿磁場方向排列，以降低系統(tǒng)的勢能。微執(zhí)行器的一端固定在微機(jī)器人基體上．此時微執(zhí)行器等效于一個懸臂梁系統(tǒng)，在磁力的作用下，微執(zhí)行器發(fā)生彎曲。當(dāng)磁場撤消時，微執(zhí)行器由于自身的彈力作用，向相反方向運動，恢復(fù)原位。當(dāng)再一次施加勻強(qiáng)磁場時，微執(zhí)行器重復(fù)上述動作。反復(fù)不停地提供脈沖磁場，一對微執(zhí)行器就連續(xù)產(chǎn)生滑水動作，從而推動微機(jī)器人游動。游泳機(jī)器人實驗系統(tǒng)實驗原理圖為微機(jī)器人實驗系統(tǒng)示意圖。該系統(tǒng)包括微機(jī)器人、螺線管、激勵電路和水槽四部分。實驗中將微機(jī)器人放置在勻強(qiáng)磁場中的水槽中，勻強(qiáng)磁場由螺線管產(chǎn)生，螺線管中間有200mm的區(qū)域基本上為勻強(qiáng)磁場區(qū)。水下微機(jī)器人在該區(qū)段才能夠避開磁場的引力作用，而靠微執(zhí)行器的擺動實現(xiàn)前進(jìn)和后退。激勵電路由振蕩電路、放大電路和整形輸出電路組成。振蕩電路用來產(chǎn)生頻率連續(xù)可調(diào)的交變電流信號。放大電路將信號的正半周