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(hào)檢測(cè)與處理7、微機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)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(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀及應(yīng)用）簡(jiǎn)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(dòng)和控制電路為基本元器件組成的、可以活動(dòng)和控制的、機(jī)電合一的微機(jī)械裝置。特點(diǎn)：

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(yǔ)：

MEMS(MicroelectromechanicalSystems)（美國(guó)）

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(dòng)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(dòng)和控制電路為基本元器件組成的、自動(dòng)化性能高的、可以活動(dòng)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(gè)細(xì)胞乃至分子范籌；有的微型敏感元件能敏感到單個(gè)原子，能進(jìn)行原子量級(jí)的探測(cè)。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(lái)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(guó)際上興起的一項(xiàng)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(jì)與制造涉及到設(shè)計(jì)、材料、制造、測(cè)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(chǎng)革命，在21世紀(jì)的機(jī)械發(fā)展過(guò)程中將占有主導(dǎo)地位。

微機(jī)械技術(shù)將是一項(xiàng)新興的產(chǎn)業(yè)，會(huì)優(yōu)先在生物、醫(yī)療、航空、航天、電子產(chǎn)品、過(guò)程控制及測(cè)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(jì)算機(jī)

上世紀(jì)末的微型計(jì)算機(jī)芯片

國(guó)外的發(fā)展現(xiàn)狀（1）美國(guó)

國(guó)家科學(xué)基金、先進(jìn)研究計(jì)劃、國(guó)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(bào)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(shí)用化成果：

Park公司開(kāi)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(kāi)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(kāi)發(fā)研制的加速度計(jì)，管芯尺寸為1.5mm*1.5mm，量程達(dá)50g，靈敏度為15mv/g等。

國(guó)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(guó)制定了微機(jī)械系統(tǒng)技術(shù)計(jì)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(shí)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(shí)用化成果

Karlsruhe核研究中心、微技術(shù)研究所（IMM）、Microparts公司等。已開(kāi)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(jì)以及直徑為數(shù)百微米的金屬雙聯(lián)齒輪等。

國(guó)外的發(fā)展現(xiàn)狀（3）日本

制定了納米制造計(jì)劃（1985～1990年）、埃技術(shù)計(jì)劃（1992～2001年計(jì)劃投資1.85億美元）、微機(jī)器人計(jì)劃。計(jì)劃生產(chǎn)兩臺(tái)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(dòng)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(gè)（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(huì)（MST）。每年舉辦一次MEMS國(guó)際研討會(huì)。主要實(shí)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(guó)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(zhǎng)春光機(jī)所、大連理工大學(xué)、沈陽(yáng)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(guó)內(nèi)的主要研究現(xiàn)狀及成果清華大學(xué)廣泛開(kāi)展了多種微型傳感器(微加速度計(jì)、微陀螺、微磁場(chǎng)計(jì)、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(kāi)關(guān)、RF-MEMS器件、微光譜儀、DNA芯片等的研究。其中，微加速度計(jì)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(cè)，具有廣闊的市場(chǎng)前景，正在向市場(chǎng)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(yáng)軌道的“航天清華一號(hào)”微小衛(wèi)星，運(yùn)行狀況良好。其特點(diǎn)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(guó)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(kāi)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(jì)、微化學(xué)傳感器等，計(jì)劃利用2年時(shí)間實(shí)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(jì)、微陀螺、紅外隧穿傳感器、微光器件等，“十五計(jì)劃”期間，他們將發(fā)展重點(diǎn)放在航空航天和信息技術(shù)領(lǐng)域，準(zhǔn)備開(kāi)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(kāi)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(jì)中國(guó)科學(xué)院上海冶金所中國(guó)科學(xué)院上海冶金所研制了微加速度計(jì)、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(xiàng)目“集成微光機(jī)電系統(tǒng)”研究，并開(kāi)展了微小衛(wèi)星的研究。沈陽(yáng)儀器儀表研究所

沈陽(yáng)儀表科學(xué)研究院（沈陽(yáng)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(guò)載微差壓傳感器系列，市場(chǎng)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(kāi)始與重慶大學(xué)合作進(jìn)行MEMS的研究，參與了微觸覺(jué)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(guó)際風(fēng)險(xiǎn)投資資金合作成立有E-life公司，主要開(kāi)發(fā)生產(chǎn)有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的DNA分析芯片及其相配套的平臺(tái)。這種高密度的芯片將被用來(lái)建立人口基因檔案，為公安等部門服務(wù)。該芯片及其平臺(tái)在醫(yī)院中可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的基因檢測(cè)方法，具有速度快、成本低的優(yōu)點(diǎn)。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(jì)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(jì)、微陀螺和微慣性測(cè)量組合的應(yīng)用系統(tǒng)研究，正在開(kāi)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(cè)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(chǎng)提供反應(yīng)離子束蝕刻機(jī)、雙元STM納米檢測(cè)儀。他們還研制了硅微加速度計(jì)、微陀螺、微真空計(jì)、微高度計(jì)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(jué)傳感器、細(xì)胞流變學(xué)測(cè)量?jī)x、微型光譜儀等。中國(guó)科學(xué)院電子所中國(guó)科學(xué)院電子所開(kāi)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(gè)研究重點(diǎn)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(cè)儀等。中國(guó)科學(xué)院合肥智能機(jī)械研究所中國(guó)科學(xué)院合肥智能機(jī)械研究所從1989年起就開(kāi)始進(jìn)行微機(jī)械加工技術(shù)研究，以MEMS技術(shù)為主要實(shí)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(jué)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(wú)線驅(qū)動(dòng)體內(nèi)微機(jī)器人等。目前正在研制爆炸物探測(cè)微陣列、微型六維力探針、柔性觸覺(jué)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(dòng)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(jí)時(shí)，會(huì)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(jì)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(cè)量技術(shù)等許多方面。也就是說(shuō)，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(jì)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(duì)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(jì)中，多利用靜電力驅(qū)動(dòng)。在微機(jī)械中，又由于表面積與體積之比相對(duì)增大，使熱傳導(dǎo)的速度也相對(duì)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(duì)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(huì)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(duì)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(duì)于元器件信號(hào)檢測(cè)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(hào)十分微小，傳統(tǒng)的測(cè)量工具和儀器難以實(shí)現(xiàn)如此微弱信號(hào)的檢測(cè)，必須創(chuàng)造新的測(cè)量設(shè)備。5、微尺寸效應(yīng)對(duì)于元器件設(shè)計(jì)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(huì)導(dǎo)致工序增多，成本增高；所以應(yīng)在試制前對(duì)整個(gè)微機(jī)電系統(tǒng)的器件、工藝及性能進(jìn)行模擬分析，對(duì)各種參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，以保證微系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)途徑。其中最流行的設(shè)計(jì)方法就是微機(jī)電系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(MEMSCAD)。運(yùn)用MEMSCAD，除了借鑒已有的機(jī)械CAD和電子工具外，還必須針對(duì)特定的微系統(tǒng)，開(kāi)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(duì)硅的重新認(rèn)識(shí)。硅及其合金材料的特點(diǎn)硅是容易獲得的超純無(wú)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(shí)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(diǎn)

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(jì)、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(cè)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(hào)級(jí)如運(yùn)動(dòng)位移、振幅及形變小到亞微米和納米量級(jí)。將它們變換成可供接收和處理的電信息時(shí)，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(hào)從強(qiáng)噪聲背景下提取出來(lái)，從設(shè)計(jì)上考慮，必須遵循的原則是：●設(shè)計(jì)合理的集成檢測(cè)電路布局；●檢測(cè)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(shí)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(cè)量?jī)x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(cè)樣件表面構(gòu)成2個(gè)電極，當(dāng)探針尖與樣件表面非常接近(如1nm)時(shí)，在探針與表面形成的電場(chǎng)作用下，將產(chǎn)生隧道電流效應(yīng)，即電子會(huì)穿過(guò)二者之間的空隙從一個(gè)電極流向另一個(gè)電極。隧道電流的大小與空隙大小有關(guān)。當(dāng)空隙增大時(shí)，電流以指數(shù)形式衰減，若空隙增大0.1nm，電流減小1個(gè)數(shù)量級(jí)，靈敏度極高。測(cè)出探針在非常接近的被測(cè)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(diǎn)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(cè)表面或界面在nm尺度上表現(xiàn)出來(lái)的微細(xì)變化。如原子力顯微鏡AFM，就是利用探針和被測(cè)表面之間微弱力的相互作用這一物理現(xiàn)象，對(duì)被測(cè)樣件表面進(jìn)行掃描測(cè)量，得知納米形貌。AFM的探測(cè)力極其微弱，在N之間，形成與被測(cè)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(huì)使樣件表面產(chǎn)生形變和損傷的。AFM掃描測(cè)量結(jié)果示例用AFM掃描測(cè)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(jì)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(jì)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(hào)處理單元直接組成，并封裝在殼體內(nèi)，形成一個(gè)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(hào)，再經(jīng)信號(hào)處理單元解算和補(bǔ)償后，以總線信號(hào)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(jì)算機(jī)相比，其體積和質(zhì)量下降1～2個(gè)數(shù)量級(jí)。減輕質(zhì)量和減小體積．對(duì)于飛機(jī)和空間飛行器來(lái)說(shuō)是至關(guān)重要的。分布式大氣數(shù)據(jù)計(jì)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(shì)。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(cè)和檢測(cè)的功能，能連續(xù)地對(duì)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、振動(dòng)、聲、加速度、氣動(dòng)阻力及結(jié)構(gòu)完好性(或損傷)等多種狀態(tài)實(shí)施監(jiān)測(cè)和檢測(cè)。例如．若將能測(cè)量和控制氣動(dòng)渦流和擾動(dòng)氣流的MEMS單元分布嵌入飛機(jī)襟翼表面，使其成為主動(dòng)柔性表面，便可對(duì)氣流擾動(dòng)或渦流形成主動(dòng)抑制，就能明顯地降低氣動(dòng)阻力。改善飛機(jī)飛行的機(jī)動(dòng)性，參見(jiàn)下圖。類似的主動(dòng)活動(dòng)表面也可用于轉(zhuǎn)動(dòng)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(dòng)擾動(dòng)控制的柔性襟翼昆蟲微型偵察機(jī)利用具有程序可控、動(dòng)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(dòng)機(jī)冀的微型偵察機(jī)。這種新型飛機(jī)會(huì)像鳥兒一樣飛翔，用活動(dòng)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(jì)將來(lái)，當(dāng)有一只小鳥或蜜蜂一樣的飛行物在你頭上盤旋時(shí)，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(zhǎng)約136mm，高約85mm。

精工愛(ài)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(dòng)控制姿態(tài)、按事先指定的路線飛行。

μFR-II通過(guò)市場(chǎng)上銷售的鋰離子電池驅(qū)動(dòng)。通過(guò)采用精工愛(ài)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(wú)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(diǎn)

體積小、質(zhì)量輕、制造和發(fā)射成本低、效費(fèi)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(shí)現(xiàn)對(duì)地球上任意一點(diǎn)的連續(xù)覆蓋和監(jiān)視。

哈工大－試驗(yàn)衛(wèi)星一號(hào)

試驗(yàn)衛(wèi)星一號(hào)重204公斤微機(jī)電系統(tǒng)對(duì)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(lái)，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(huì)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(dòng)層)。這個(gè)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(shí)刻對(duì)地球上的覆蓋區(qū)進(jìn)行監(jiān)視。

納星一號(hào)重量小于25公斤我國(guó)已相繼成功發(fā)射了“實(shí)踐五號(hào)”、“海洋一號(hào)”、“創(chuàng)新一號(hào)”、“清華一號(hào)”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(lái)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(jì)和集成度更高，是當(dāng)前國(guó)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(shì)。目前世界上只有俄羅斯、美國(guó)、英國(guó)等國(guó)家相繼成功發(fā)射了納型衛(wèi)星?！凹{星一號(hào)”的發(fā)射成功，標(biāo)志著我國(guó)成為成功進(jìn)入這一領(lǐng)域的少數(shù)國(guó)家之一。微型人造衛(wèi)星

核心元器件美國(guó)新墨西哥州的LosAlamosNationalLaboratory正研究制造長(zhǎng)約3英時(shí),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(jì)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(chǎng)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(yáng)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(gè)小的PC板上提供一個(gè)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(gè)完整的單元，僅僅要求直流電壓輸入來(lái)測(cè)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(shí)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(guó)加州大學(xué)的科學(xué)家成功研制了一臺(tái)，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(tái)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(dòng)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(dòng)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(lái)了深刻的技術(shù)革命，手提電話、計(jì)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(duì)操作者的技術(shù)、勞動(dòng)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(zhǎng)的時(shí)間。微操作機(jī)器人系統(tǒng)采用專門設(shè)計(jì)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(jì)三軸加速度計(jì)結(jié)合三個(gè)直交相似的電容加速度計(jì)，電容加速度計(jì)帶有防潮、低阻抗，可用于商業(yè)和工業(yè)環(huán)境中測(cè)量加速度值。其內(nèi)部每一個(gè)加速度計(jì)都包含有微型密封、微機(jī)械的電容傳感單元和一個(gè)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(cè)量重力加速度，可以測(cè)量動(dòng)態(tài)沖擊加速度，也可以應(yīng)用加速度傳感器來(lái)集成傾角處理系統(tǒng)，測(cè)試速度和振動(dòng)。內(nèi)置放大和過(guò)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(dòng)和搖晃，儀器儀表，汽車制動(dòng)啟動(dòng)檢測(cè)，地震檢測(cè)，報(bào)警系統(tǒng)，環(huán)境監(jiān)視，工程測(cè)振、地質(zhì)勘探、鐵路、橋梁、大壩的振動(dòng)測(cè)試與分析；高層建筑結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性和安全保衛(wèi)振動(dòng)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(guò)偏轉(zhuǎn)大小的變化來(lái)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(cè)出這種電阻變化，即可測(cè)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(shí)，電容器兩塊電極板之間的距離就會(huì)發(fā)生變化，導(dǎo)致電容值變化，用電路檢測(cè)出電容值的變化，即可測(cè)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(jiǎn)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(wú)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(wú)機(jī)械傳動(dòng)部件，動(dòng)態(tài)頻響高，抗振動(dòng)和沖擊.XW-810

微型慣性測(cè)量單元XW-810（可升級(jí)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(jì)，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(kāi)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(gè)2平方毫米的振動(dòng)膜，遠(yuǎn)大于以前的器件，測(cè)量范圍是0Pa～20Pa，并具有高過(guò)載保護(hù)功能。該器件與一個(gè)數(shù)字電子芯片集成用于補(bǔ)償和數(shù)字信號(hào)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(dòng)懸掛控制。微慣性傳感器汽車中氣囊展開(kāi)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(jì)原理），傳感器產(chǎn)生適當(dāng)?shù)男盘?hào)給制動(dòng)器，使氣囊打開(kāi)，以保護(hù)駕駛員和乘客免受嚴(yán)重傷害。傳感器包括兩個(gè)微加速度計(jì)，被安裝在汽車的底盤上。右邊的加速度計(jì)測(cè)量水平方向的制動(dòng)。汽車氣囊展開(kāi)系統(tǒng)智能慣性傳感器微齒輪圖示是一個(gè)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(jí)。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(dòng)的微馬達(dá)。所有三個(gè)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(gè)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(dòng)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(gè)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(gè)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(kāi)關(guān)模塊

基于MEMS（微型機(jī)電系統(tǒng)）技術(shù)的光開(kāi)關(guān)，利用做在硅片上的微型可動(dòng)鏡子來(lái)操縱通過(guò)光導(dǎo)纖維網(wǎng)絡(luò)交叉點(diǎn)的光束?；贛EMS的光開(kāi)關(guān)的應(yīng)用，可以從小型的光交叉連接（見(jiàn)圖）直到能夠傳導(dǎo)成千上萬(wàn)光信號(hào)的大型交叉連接。與傳統(tǒng)的開(kāi)關(guān)不同，它必須能夠識(shí)別通過(guò)它的每一組、每一單元或每一幀的數(shù)據(jù)。純粹的光開(kāi)關(guān)與數(shù)據(jù)的速率和格式無(wú)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(shí)際上是未來(lái)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(chǎng)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(cè)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(cè)單元組成。植入顱內(nèi)腔的壓力微傳感器可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)顱內(nèi)病灶部位的壓力變化，如腦出血時(shí)壓力會(huì)增高。微型壓力傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)信息，經(jīng)內(nèi)導(dǎo)線傳給遙測(cè)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(dòng)器固定和測(cè)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(shí)還能測(cè)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(duì)只有幾微米的細(xì)胞來(lái)說(shuō)，關(guān)鍵動(dòng)作是接近細(xì)胞時(shí)的精細(xì)微調(diào)，要求分辯率達(dá)幾十納米，微驅(qū)動(dòng)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(huì)給病人帶來(lái)痛苦，還可以幫助醫(yī)生看見(jiàn)人體長(zhǎng)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(zhǎng)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(chǎng)驅(qū)動(dòng)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(duì)稱粘貼了兩個(gè)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(chǎng)中時(shí)，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(guò)橡膠中時(shí)磁阻最小，即磁力線更“愿意”從橡膠中“走”。同時(shí)，磁力線路徑越短，系統(tǒng)勢(shì)能越低。因此，鐵磁橡膠微執(zhí)行器趨向于沿磁場(chǎng)方向排列，以降低系統(tǒng)的勢(shì)能。微執(zhí)行器的一端固定在微機(jī)器人基體上．此時(shí)微執(zhí)行器等效于一個(gè)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(chǎng)撤消時(shí)，微執(zhí)行器由于自身的彈力作用，向相反方向運(yùn)動(dòng)，恢復(fù)原位。當(dāng)再一次施加勻強(qiáng)磁場(chǎng)時(shí)，微執(zhí)行器重復(fù)上述動(dòng)作。反復(fù)不停地提供脈沖磁場(chǎng)，一對(duì)微執(zhí)行器就連續(xù)產(chǎn)生滑水動(dòng)作，從而推動(dòng)微機(jī)器人游動(dòng)。游泳機(jī)器人實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)原理圖為微機(jī)器人實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖。該系統(tǒng)包括微機(jī)器人、螺線管、激勵(lì)電路和水槽四部分。實(shí)驗(yàn)中將微機(jī)器人放置在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中的水槽中，勻強(qiáng)磁場(chǎng)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(chǎng)區(qū)。水下微機(jī)器人在該區(qū)段才能夠避開(kāi)磁場(chǎng)的引力作用，而靠微執(zhí)行器的擺動(dòng)實(shí)現(xiàn)前進(jìn)和后退。激勵(lì)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(lái)產(chǎn)生頻率連續(xù)可調(diào)的交變電流信號(hào)。放大電路將信號(hào)的正半周