微机电系统(MEMS)技术的研究与应用.pdf

1、4/ 200417科 技 导 报 4/ 2004科 技 导 报微 机 电 系 统 ( MEMS) 技 术 的 研 究 与 应 用高 世 桥 1 曲 大 成 2(北 京 理 工 大 学 机 电 工 程 学 院 , 博 士 、 教 授 、 博 士 生 导 师 1 ; 信 息 科 学 技 术 学 院 , 博 士 2北 京 100081)一 、 微 机 电 系 统 的 发 展在 自 然 界 中 , 人 们 对 未 知 领 域 的 物 理 研 究 越 来越 呈 现 出 两 级 化 的 发 展 趋 势 。 一 方 面 是 针 对 宇 宙 的极 大 化 研 究 , 尺 度 特 征 为 光 年 , 研 究 手

2、 段 以 射 电 望远 镜 为 代 表 ; 另 一 方 面 是 针 对 原 子 、 分 子 和 电 子 等的 极 小 化 研 究 ,尺 度 特 征 为 微 米 、 纳 米 甚 至 皮 米 ,研究 手 段 以 扫 描 隧 道 显 微 镜 为 代 表 。 这 其 中 , 微 型 化是 近 二 三 十 年 自 然 科 学 和 工 程 技 术 发 展 的 一 个 重要 趋 势 , 而 微 / 纳 米 技 术 的 研 究 则 推 动 了 这 一 领 域的 蓬 勃 发 展 。微 机 电 系 统 ( Microelectromechanical Systems , 简称 MEMS) 是 微 / 纳 米 技

3、术 研 究 的 一 个 重 要 方 向 , 是继 微 电 子 技 术 之 后 在 微 尺 度 研 究 领 域 中 的 又 一 次革 命 。 MEMS 是 指 将 微 结 构 的 传 感 技 术 、 致 动 技 术 和微 电 子 控 制 技 术 集 成 于 一 体 , 形 成 同 时 具 有 “ 传 感- 计 算 (控 制 ) - 执 行 ” 功 能 的 智 能 微 型 装 置 或 系统 。 MEMS 的 加 工 尺 寸 在 微 米 ( m) 量 级 ,系 统 尺 寸在 毫 米 ( mm) 量 级 。 它 的 学 科 交 叉 程 度 大 ,其 研 究 已延 伸 至 机 械 、 材 料 、 光 学

4、 、 流 体 、 化 学 、 医 学 、 生 物 等学 科 ,技 术 影 响 遍 及 包 括 各 种 传 感 器 件 、 医 疗 、 生 物芯 片 、 通 信 、 机 器 人 、 能 源 、 武 器 、 航 空 航 天 等 领 域 。MEMS 的 发 展 源 于 集 成 电 路 , 但 又 与 之 有 所 区 别 ;MEMS 能 够 感 知 物 理 世 界 中 的 各 种 信 息 , 并 由 计 算单 元 对 信 息 进 行 处 理 , 再 通 过 执 行 器 对 环 境 实 施 作用 与 控 制 。 微 型 化 是 MEMS 的 一 个 重 要 特 点 , 但 不是 唯 一 特 点 。 首

5、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

6、 。美 国 物 理 学 家 Richard Feynman 分 别 于 1959 年和 1983 年 发 表 了 “ There s Plenty of Room at the Bot2tom” 和 “ Infinitesimal Machinery” 两 篇 文 章 ,科 学 地 预见 并 描 绘 了 微 / 纳 米 机 械 与 控 制 的 技 术 发 展 趋 势 。自 20 世 纪 80 年 代 起 , MEMS 就 引 起 了 世 界 各 国 科学 界 、 产 业 界 和 政 府 部 门 的 高 度 重 视 , 成 为 发 达 国家 高 科 技 发 展 的 重 点 方 向 之 一 ,其

7、中 美 国 、 日 本 、 德国 3 个 国 家 的 研 究 分 别 在 美 洲 、 亚 洲 和 欧 洲 最 具 代表 性 。 美 国 的 研 究 多 直 接 列 入 国 防 研 制 计 划 , 早 期的 研 究 经 费 来 自 国 家 基 金 会 ( NSF) , 之 后 由 以 国 防高 级 研 究 计 划 局 (DARPA) 为 主 的 军 事 领 域 提 供 资助 , 资 助 水 平 每 年 每 个 项 目 平 均 高 达 5 000 万 美 元 ,用 于 重 点 发 展 MEMS 的 国 防 应 用 。 日 本 的 研 究 以 开发 微 型 机 器 人 为 目 标 , 首 期 研 发

8、 了 医 疗 和 核 工 业 应用 中 的 微 型 机 器 人 ,并 于 1991 年 成 立 了 微 机 电 系 统研 究 中 心 , 计 划 10 年 内 投 资 250 多 亿 日 元 发 展MEMS。 德 国 更 侧 重 于 微 机 械 加 工 技 术 ,并 实 现 了 多种 具 有 前 沿 性 的 加 工 手 段 ; 欧 洲 还 成 立 了 NEXUS( Network of Excellence in Multifunctional Microsys2tems) , 仅 德 国 每 年 的 MEMS 投 入 就 达 7 000 万 美元 。 目 前 ,美 国 、 德 国 和 日 本

9、 在 MEMS 的 研 究 方 面 处于 领 先 水 平 , 并 已 取 得 市 场 效 益 , 主 要 以 加 速 度 传感 器 、 惯 性 测 量 器 件 、 微 流 体 系 统 为 主 导 产 品 。 此外 , 东 南 亚 地 区 如 新 加 坡 、 韩 国 在 MEMS 研 究 中 也取 得 一 些 成 果 。 我 国 的 MEMS 研 究 始 于 20 世 纪 90年 代 , 主 要 从 事 微 机 械 动 力 学 等 基 础 理 论 的 研 究 ,并 在 微 电 机 、 微 马 达 、 微 惯 性 测 量 等 方 面 取 得 了 阶段 性 的 成 果 。 国 家 自 然 科 学 基

10、 金 、 “ 863” 计 划 等 对MEMS 研 究 都 给 予 了 充 分 的 重 视 和 资 助 。二 、 微 机 电 系 统 关 键 技 术微 机 电 系 统 的 重 要 意 义 不 仅 在 于 能 缩 小 体 积 、减 轻 成 本 , 作 为 一 门 交 叉 学 科 , 它 的 研 究 和 开 发 更是 为 了 在 微 观 领 域 探 索 新 原 理 、 开 发 新 功 能 、 制 造新 器 件 。 它 已 涵 盖 了 从 基 础 理 论 、 建 模 设 计 、 材 料 、加 工 工 艺 到 传 感 控 制 、 封 装 集 成 等 各 个 技 术 领 域 ,近 年 来 在 这 些 领

11、 域 都 取 得 了 不 同 程 度 的 突 破 。1. MEMS 基 础 理 论 、 设 计 MEMS 器 件 在 设计 、 加 工 、 制 作 中 遇 到 的 非 经 典 物 理 问 题 是 其 基 础理 论 研 究 的 重 点 。 当 器 件 的 结 构 尺 寸 缩 小 到 微 米 量级 时 , 许 多 在 宏 观 情 况 下 可 以 忽 略 的 物 理 现 象 都 要重 新 予 以 考 虑 , 如 微 摩 擦 、 微 阻 尼 、 微 吸 附 力 、 微 静 摘 要 微 机 电 系 统 是 源 于 微 电 子 加 工 技 术 ,融 合 了 微 机 械 制 造 、 传 感 、 致 动 及

12、微 控 制 于 一 体 的 系 统 。 其 特征 尺 寸 极 小 ,学 科 交 叉 广 泛 ;技 术 研 究 包 括 微 系 统 理 论 、 设 计 建 模 、 微 机 械 加 工 、 微 器 件 集 成 等 多 个 方 面 ;学 科分 类 涵 盖 了 机 械 、 力 学 、 光 学 、 流 体 、 电 磁 学 、 生 物 学 等 各 领 域 ,在 民 品 和 军 品 领 域 有 许 多 热 点 应 用 。 本 文 介 绍了 微 机 电 系 统 发 展 概 况 、 微 机 电 系 统 技 术 关 键 、 微 机 电 系 统 有 关 传 感 器 ,以 及 微 机 电 系 统 热 点 应 用 和

13、微 机 电系 统 技 术 的 发 展 前 景 。 关 键 词 微 机 电 系 统 MEMS 微 机 械 加 工 智 能 控 制 中 图 分 类 号 TH TP TM O3高 技 术 HIGH - TECHNOLO GY4/ 200418 Scienc e and Technology Review 4/ 2004科 技 导 报电 等 , 不 仅 不 能 忽 略 而 且 还 将 成 为 主 要 的 因 素 , 因此 需 要 从 微 能 量 传 输 的 角 度 予 以 研 究 。 MEMS 设 计主 要 包 括 微 结 构 及 微 系 统 建 模 设 计 及 与 集 成 电 路的 混 合 设 计

14、等 。 目 前 MEMS 通 常 的 设 计 方 法 包 括 结构 化 设 计 、 自 顶 向 下 设 计 、 层 次 化 设 计 等 ; 微 器 件 建模 是 通 过 CAD/ CAM计 算 机 辅 助 设 计 工 具 进 行 模 拟仿 真 , 如 器 件 级 模 拟 、 电 路 级 模 拟 、 系 统 级 模 拟 ; 建立 标 准 的 MEMS 器 件 仿 真 库 可 以 增 强 MEMS 设 计的 可 重 用 性 和 效 率 。2. MEMS 材 料 和 加 工 工 艺 硅 是 MEMS 使 用的 主 要 材 料 , 它 不 仅 有 良 好 的 半 导 体 特 性 , 而 且 有良 好

15、的 机 械 特 性 。 其 他 MEMS 材 料 还 有 多 孔 硅 、 氮化 硅 、 TiNi 形 状 记 忆 合 金 、 压 电 材 料 、 光 敏 材 料 等 。硅 微 机 械 加 工 技 术 是 制 造 MEMS 微 结 构 、 传 感 器 、执 行 器 的 主 要 方 法 。 它 是 借 助 于 一 系 列 特 殊 的 工艺 , 按 照 一 定 的 顺 序 来 制 作 微 器 件 的 方 法 。 微 机 械加 工 技 术 的 发 展 , 还 派 生 出 了 一 系 列 技 术 分 支 , 如体 微 加 工 技 术 、 表 面 微 加 工 技 术 、 LIGA 和 准 LIGA 技术

16、、 熔 接 技 术 等 。(1) 体 微 加 工 技 术 (Bulking Micromachining) 。 体微 加 工 技 术 是 制 造 微 三 维 结 构 的 一 种 方 法 。 它 按 照预 先 设 计 的 图 形 从 基 底 (硅 片 等 材 料 ) 开 始 ,通 过 有选 择 地 不 断 移 走 不 需 要 的 部 分 制 作 出 指 定 的 微 结构 。 体 微 加 工 技 术 的 主 体 材 料 通 常 为 单 晶 硅 片 , 而材 料 移 走 的 关 键 技 术 是 选 择 性 化 学 蚀 刻 (包 括 干 法和 湿 法 两 类 蚀 刻 ) 方 法 。 由 于 蚀 刻 液

17、 对 硅 片 具 有 不同 的 蚀 刻 力 , 故 蚀 刻 方 式 又 分 为 各 向 同 性 蚀 刻 和 各向 异 性 蚀 刻 。 各 向 同 性 蚀 刻 是 指 蚀 刻 时 蚀 刻 速 率 在各 个 方 向 上 相 同 , 各 向 异 性 的 蚀 刻 速 率 则 取 决 于 多方 面 因 素 。 体 微 加 工 技 术 在 MEMS 加 工 技 术 中 最 为成 熟 , 并 已 广 泛 用 于 硅 微 加 速 度 计 、 墨 水 喷 嘴 、 微阀 、 悬 臂 、 梁 、 弹 簧 、 隔 膜 等 微 结 构 。(2) 表 面 微 加 工 技 术 ( Surface Micromachinin

18、g) 。表 面 微 加 工 技 术 是 在 基 底 表 面 进 行 的 , 基 底 材 料 可以 是 硅 片 、 玻 璃 、 铝 等 ,但 基 底 只 是 作 为 衬 底 而 不 参与 加 工 过 程 。 表 面 微 加 工 首 先 要 进 行 薄 膜 的 沉 积 和成 型 , 然 后 再 通 过 有 选 择 性 的 蚀 刻 来 移 走 牺 牲 层 ,保 留 余 下 的 结 构 层 。 牺 牲 层 是 指 在 结 构 层 下 可 以 溶解 的 沉 积 薄 膜 , 通 常 是 二 氧 化 硅 , 可 用 湿 法 进 行 蚀刻 。 牺 牲 层 被 蚀 刻 后 ,留 下 无 支 撑 的 微 结 构

19、。(3) LIGA 和 准 LIGA 技 术 。 LIGA 源 于 德 语LIthographie Galvanoformung Anformung 首 写 字 母 的 缩写 , 它 对 器 件 的 加 工 宽 度 为 几 微 米 , 深 度 可 达 1 000微 米 , 被 认 为 是 能 够 产 生 最 佳 高 纵 横 比 的 微 加 工 技术 。 原 理 上 ,LIGA 技 术 是 应 用 X射 线 平 板 印 刷 术 在一 个 导 体 基 底 上 产 生 一 个 纵 深 模 式 , 然 后 从 底 材 底部 到 阻 件 顶 部 之 间 对 X 射 线 受 阻 的 其 余 空 间 实 施

20、电 镀 , 从 而 生 成 一 个 阻 件 模 子 的 镜 像 复 制 品 。 LIGA技 术 有 3 种 主 要 工 艺 : X光 掩 膜 板 制 造 、 X光 深 度 光刻 技 术 和 微 电 铸 技 术 。 X光 掩 膜 板 通 常 是 所 加 工 铸件 的 横 截 面 , 例 如 微 齿 轮 的 横 剖 面 , 它 必 须 有 选 择地 透 过 或 阻 挡 X光 。 X光 深 度 光 刻 的 深 度 可 达 数 百微 米 , 它 对 铸 模 沿 掩 膜 板 边 界 进 行 光 刻 。 微 电 铸 是将 显 影 后 的 铸 模 空 隙 用 电 镀 铸 入 各 种 金 属 , 最 后 除掉

21、 铸 模 后 便 可 形 成 所 要 的 铸 件 。 目 前 ,利 用 LIGA 技术 可 制 造 出 微 齿 轮 、 微 加 速 度 传 感 器 等 。 但 是 ,由 于X射 线 成 本 昂 贵 , 因 此 LIGA 技 术 并 不 普 及 , 但 它 在一 些 要 求 非 常 精 细 的 如 空 间 分 辨 率 和 高 深 宽 比 等特 殊 场 合 中 却 十 分 有 效 。 由 于 X射 线 源 本 身 的 稀 有性 及 技 术 本 身 价 格 昂 贵 ,因 此 ,采 用 紫 外 光 源 的 “ 准LIGA 技 术 ” 得 到 了 广 泛 的 应 用 , 且 适 用 于 对 垂 直 度和

22、 深 度 要 求 不 高 的 微 结 构 加 工 。(4) 键 合 技 术 ( Wafer Bonding) 。 键 合 技 术 用 于 将上 述 工 艺 加 工 出 的 微 结 构 通 过 键 合 制 成 微 器 件 。 键合 技 术 又 分 为 硅 熔 融 键 合 和 静 电 键 合 。 硅 熔 融 键 合是 借 助 粘 合 剂 通 过 化 学 反 应 在 相 邻 硅 原 子 之 间 产生 共 价 键 形 成 键 合 , 静 电 键 合 是 在 静 电 作 用 下 使 紧密 接 触 的 界 面 在 高 温 下 发 生 化 学 反 应 形 成 化 学 键的 键 合 。3. MEMS 感 知

23、与 执 行 技 术 经 过 MEMS 加 工工 艺 制 造 出 来 的 微 构 件 、 微 器 件 可 以 组 合 成 微 传 感器 和 微 执 行 器 。 微 传 感 技 术 直 接 影 响 信 息 的 获 取 、精 度 、 量 程 、 稳 定 性 等 指 标 , MEMS 进 行 信 息 处 理 取决 于 传 感 信 息 的 质 量 。 根 据 测 量 性 质 , 微 传 感 器 可分 为 机 械 、 声 、 光 、 电 、 磁 、 热 、 化 学 、 生 物 等 传 感 器 ,发 展 趋 势 呈 智 能 化 、 多 功 能 、 集 成 化 趋 势 。 微 执 行 技术 主 要 是 开 发

24、 与 硅 微 加 工 材 料 和 工 艺 相 兼 容 的 动作 形 式 , 并 在 同 一 硅 片 上 对 动 作 形 式 提 供 能 量 并 电气 控 制 。 微 执 行 器 是 微 系 统 的 关 键 技 术 之 一 , 实 现难 度 较 大 。 现 有 的 微 执 行 方 式 包 括 静 电 、 电 磁 、 压电 、 超 声 、 形 状 记 忆 合 金 、 高 分 子 凝 胶 、 热 和 光 执 行等 。 由 于 存 在 执 行 力 的 尺 寸 效 应 问 题 ,静 电 力 、 热 膨胀 力 的 作 用 强 于 其 它 如 电 磁 力 的 效 果 ; 前 者 一 般 与尺 寸 的 零 次

25、 方 或 二 次 方 成 正 比 , 后 者 则 与 尺 寸 的 高次 方 成 正 比 。 此 外 ,在 微 执 行 技 术 中 ,还 存 在 能 量 转换 率 、 执 行 电 压 、 集 成 与 控 制 等 问 题 。4. 微 组 装 、 微 封 装 、 微 集 成 、 微 测 试 技 术 微 组装 技 术 到 目 前 为 止 还 被 认 为 是 比 较 难 的 或 至 今 尚未 很 好 解 决 的 关 键 技 术 。 对 微 机 电 系 统 而 言 , 虽 然已 有 了 一 些 微 细 加 工 的 方 法 , 但 如 何 把 各 个 微 小 零件 组 装 起 来 以 构 成 一 个 完 整

26、 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

27、尼 控 制 封 装 、 多 芯 片 封 装 、硅 - 玻 璃 的 静 电 封 接 、 硅 - 硅 键 合 技 术 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 。 目 前 ,多 传 感器 系 统 、 多 层 信 息 处 理 系 统 等 的 发 展 使 传 感 器 、 执行 器 和 微 电 子 接 口 有 机 地 结 合 成 新 型 的 MEMS 器件 。 微 机 电 系 统 本 身 是 微 观 的 系 统 , 但 是 工 作 的 环境 、 工 作 的 目 的 并 不 总 是

28、微 观 的 。 因 此 ,无 论 是 与 宏观 系 统 其 它 部 件 、 其 它 功 能 芯 片 、 其 它 性 能 部 件 的连 结 , 还 是 宏 观 上 如 何 进 行 操 作 、 控 制 、 检 测 等 , 都存 在 宏 、 微 接 口 之 间 的 控 制 问 题 。 MEMS 器 件 的 测 试要 比 集 成 电 路 器 件 复 杂 得 多 , 后 者 通 过 加 电 的 方 式批 量 进 行 测 试 , 但 MEMS 器 件 不 仅 要 测 试 电 气 性能 , 而 且 还 要 测 试 在 模 拟 各 种 物 理 环 境 下 的 振 动 、加 速 度 、 惯 性 等 机 械 特

29、性 。 测 试 内 容 包 括 材 料 性 能测 试 、 加 工 工 艺 参 数 测 试 、 功 能 测 试 等 。 缺 乏 自 动 化的 测 试 设 备 给 批 量 测 试 也 带 来 了 很 大 的 挑 战 。本 栏 目 由 北 京 航 空 航 天 大 学 协 办4/ 200419科 技 导 报 4/ 2004科 技 导 报三 、 MEMS微 传 感 器 和 微 执 行 器微 机 器 人 囊 括 了 多 种 功 能 , 而 微 传 感 器 和 微 执行 器 本 身 也 是 一 种 微 机 电 系 统 。 当 前 , 研 究 比 较 集中 、 成 熟 的 微 传 感 器 和 微 执 行 器

30、有 如 下 各 种 。1. 力 学 传 感 器 与 执 行 器 力 学 传 感 器 和 执 行器 是 应 用 最 为 普 遍 的 MEMS 器 件 。 它 利 用 微 结 构 的基 本 力 学 原 理 , 通 过 各 种 方 式 来 感 知 或 产 生 应 变 、压 电 、 压 阻 、 电 容 、 静 电 力 等 。 微 加 速 度 计 是 利 用 弹性 力 学 方 法 , 通 过 测 量 已 知 质 量 和 刚 度 的 微 结 构 变形 来 直 接 或 间 接 度 量 加 速 度 值 的 传 感 器 件 。 微 加 速度 计 具 有 量 程 范 围 更 宽 、 抗 冲 击 性 能 强 、 成

31、 本 更 低 、实 现 方 式 多 样 化 等 特 点 , 已 用 于 汽 车 安 全 气 囊 或 心脏 脉 动 探 测 等 。 微 机 械 陀 螺 是 另 外 一 种 根 据 科 里 奥利 力 ( Coriolis) 测 量 物 体 旋 转 速 度 和 旋 转 角 度 的 传 感器 。 同 宏 观 陀 螺 结 构 不 同 , 微 机 械 陀 螺 多 采 用 内 外框 架 形 式 的 振 动 结 构 , 它 与 微 加 速 度 计 组 合 在 一 起形 成 微 惯 性 测 量 组 合 ( MIMU) , 可 用 于 飞 行 器 导 航 、车 辆 及 摄 像 机 的 姿 态 控 制 等 。 其

32、它 力 学 传 感 和 执 行器 件 还 包 括 力 传 感 器 、 液 体 或 气 体 压 力 传 感 器 , 用于 麦 克 风 上 将 说 话 气 流 转 换 成 电 能 的 传 声 器 (气 流不 断 变 化 的 压 力 传 感 器 ) 、 机 器 人 操 作 手 上 的 触 觉传 感 器 ,以 及 各 种 静 电 执 行 器 、 热 膨 胀 执 行 器 、 机 械谐 振 器 、 机 械 继 电 器 和 射 频 电 路 的 机 械 RF 开 关等 。2. 光 学 传 感 器 与 执 行 器 MOEMS 微 光 机 电系 统 微 光 机 电 系 统 主 要 涉 及 微 光 学 传 感 器

33、、 执 行器 以 及 微 小 光 学 结 构 等 , 是 MEMS 与 光 学 相 交 融 的技 术 。 其 基 本 原 理 是 将 微 光 学 器 件 、 光 波 导 器 件 、 半导 体 激 光 器 、 光 电 检 测 器 件 等 集 成 在 一 起 形 成 各 种微 小 光 学 系 统 。 MOEMS 传 感 器 是 用 于 探 测 光 的 各 种传 感 器 , 如 直 接 光 电 效 应 传 感 器 、 结 型 光 电 监 测 器 、电 荷 耦 合 的 电 容 式 传 感 器 、 热 电 式 光 检 测 器 等 ;MOEMS 执 行 器 是 用 于 光 发 射 和 光 调 制 的 器

34、件 ,如 各种 形 式 的 发 光 二 极 管 、 激 光 器 、 液 晶 显 示 和 各 种 形式 的 光 调 制 器 。 此 外 , 微 机 械 加 工 还 可 以 得 到 各 种MOEMS 光 学 结 构 。 异 性 腐 蚀 技 术 可 腐 蚀 出 光 滑 完 美的 晶 体 平 面 , 其 晶 体 面 积 小 、 精 度 高 、 反 射 效 果 好 ,可 用 于 制 造 高 分 辨 率 投 影 显 示 器 件 。 还 有 用 于 光 通信 的 光 传 导 器 件 、 光 栅 器 件 , 用 于 光 谱 分 析 的 滤 光器 、 分 光 仪 等 ,这 些 都 是 目 前 MOEMS 技 术

35、 研 究 的 热点 。3. 热 传 感 器 与 执 行 器 热 传 感 器 和 执 行 器 的主 要 功 能 是 测 量 或 调 节 温 度 。 热 传 感 器 是 利 用 微 机械 加 工 器 件 根 据 不 同 的 热 传 导 形 式 对 物 体 或 环 境的 温 度 进 行 测 量 。 这 一 领 域 的 热 传 感 器 包 括 电 阻 随温 度 变 化 的 薄 膜 热 阻 传 感 器 、 采 用 红 外 等 光 学 形 式的 非 接 触 式 测 温 计 、 金 属 材 料 随 温 度 线 性 膨 胀 的 热- 力 传 感 器 、 微 机 械 热 电 偶 传 感 器 等 。 热 执 行

36、器 包括 各 种 由 电 能 、 机 械 能 、 化 学 能 转 换 成 热 能 的 加 热器 , 简 单 的 如 电 阻 器 、 加 热 丝 可 以 应 用 于 温 度 补 偿 ,复 杂 的 像 通 过 微 喷 嘴 控 制 的 循 环 冷 器 。 目 前 这 方 面的 研 究 尚 不 成 熟 , 吸 引 了 众 多 研 究 者 的 注 意 力 。 此外 , 在 与 微 流 体 领 域 相 交 叉 的 研 究 方 面 , 热 传 感 器与 执 行 器 的 应 用 还 包 括 热 气 体 压 力 传 感 器 、 热 流 体压 力 传 感 器 等 。4. 微 流 体 器 件 微 阀 、 泵 ,微

37、管 道 、 喷 嘴 等 都 属于 微 流 体 器 件 , 是 MEMS 应 用 于 微 流 体 领 域 的 研 究热 点 。 尽 管 目 前 对 发 生 在 微 尺 度 范 围 内 的 微 流 体 力学 的 规 律 还 没 完 全 认 识 , 但 MEMS 在 微 流 体 力 学 领域 将 产 生 很 多 有 价 值 的 技 术 方 向 , 如 基 于 微 机 械 加工 的 流 动 传 感 器 、 对 流 体 黏 度 和 密 度 进 行 测 量 的 黏度 / 密 度 传 感 器 , 采 用 热 膨 胀 、 压 电 致 动 、 静 电 致 动等 方 式 来 控 制 流 体 流 动 的 微 阀 等

38、 。5. 电 磁 传 感 器 与 执 行 器 微 机 械 磁 传 感 器 的基 本 原 理 与 宏 观 器 件 一 样 , 主 要 是 根 据 霍 尔 效 应 制造 各 种 基 于 微 机 械 加 工 的 磁 力 计 、 位 置 传 感 器 、 电流 传 感 器 等 。 磁 执 行 器 则 是 在 线 圈 电 流 的 作 用 下 产生 磁 场 , 对 磁 场 中 的 器 件 产 生 机 械 力 以 实 现 致 动 。典 型 的 如 用 于 磁 盘 驱 动 器 读 写 的 磁 头 既 是 磁 传 感器 也 是 磁 执 行 器 : 当 从 磁 介 质 上 读 取 数 据 时 , 磁 头作 为 磁

39、传 感 器 传 感 磁 介 质 表 面 的 磁 场 而 产 生 电 平 ;当 向 磁 介 质 上 写 入 数 据 时 , 磁 头 作 为 执 行 器 在 电 流的 作 用 下 ,产 生 机 械 力 来 改 写 磁 介 质 表 面 内 容 。6. 化 学 和 生 物 传 感 器 与 执 行 器 化 学 和 生 物传 感 器 与 执 行 器 的 学 科 交 叉 相 当 广 泛 , 应 用 中 涉 及到 大 量 多 学 科 的 知 识 。 化 学 传 感 器 通 过 与 环 境 中 气体 、 液 体 、 固 体 化 学 物 质 相 互 作 用 ,来 检 测 和 识 别 某一 种 化 学 物 质 ,

40、它 包 括 特 定 元 素 传 感 器 、 气 体 传 感器 、 化 学 反 应 传 感 器 等 ,可 用 于 食 品 环 境 监 测 、 医 学病 理 诊 断 、 电 化 学 反 应 等 。 生 物 传 感 器 主 要 指 包 含生 物 分 子 的 传 感 器 。 化 学 执 行 器 是 指 能 够 引 起 化 学反 应 的 器 件 ,它 通 过 化 学 反 应 产 生 电 能 。四 、 微 机 电 系 统 热 点 应 用继 MEMS 微 加 速 度 计 成 功 应 用 于 汽 车 安 全 气囊 后 , 目 前 国 际 上 已 涌 现 出 一 大 批 面 向 应 用 的MEMS 研 究 热

41、点 , 涵 盖 了 从 民 品 到 军 品 的 各 个 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

42、 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 医 疗方 面 , 微 加 速 度 计 可 用 于 心 脏 脉 动 加 速 度 测 量 , 灵敏 度 可 达 0. 001g ; 军 事 上 用 于 抗 冲 击 的 高 g 值 加 速度 计 测 量 范 围 可 达 到 上 万 g 甚 至 10 几 万 g , 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

43、 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 。美 国 陆 军 已 在 81mm迫

44、击 炮 弹 和 “ 神 剑 ” 155mm炮 弹高 技 术 HIGH - TECHNOLO GY4/ 200420 Scienc e and Technology Review 4/ 2004科 技 导 报上 进 行 了 试 验 ; 此 外 , 美 国 海 军 也 正 在 研 究 低 成 本的 惯 性 测 量 单 元 ,用 于 鱼 雷 的 惯 性 制 导 。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

45、 , 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 。 此 外 ,光 通 信 领 域 中 的 光 开 关 、 光 调 制 器 、 光 滤波 器 和 复 用 器 的 研 究 ,目 前 也 取 得 了 一 定 的 成 果 。5. 飞 行 器 流 体 控 制 自

46、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 。 此 外 ,美 国 国 防 部 DARPA 还 在 开 发 机 翼 上 微 喷 管 , 发 动机 喷 出 的 空 气 通 过 机 翼 下 方 的 微 喷 管 向 外 吹 散 , 可以 增 加 机 翼 下 方 的 空 气 流 量 、 增 加 升 力 大 小 。 这 一技 术 还 适 用 于 微 型 飞 行 器 的 飞 行

47、控 制 。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 入 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 入 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

48、 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 。7. 分 布 式 MEMS 应 用 用 于 研 究 物 理 上 分 布的 多 个 MEMS 传 感 / 执 行 器 件 所 构 成 的 网 络 。 借 助人 工 智 能 技 术 , 每 个 MEMS 器 件 作 为 一 个 主 体(Agent) , 均 拥 有 自 治 性 和 社 会 性 , 单 个 MEMS 主

49、体可 完 成 局 部 的 任 务 ; 众 多 的 MEMS 主 体 具 有 群 体 组织 能 力 , 能 够 为 完 成 全 局 性 目 标 而 相 互 协 调 、 共 同作 用 ; 可 广 泛 用 于 分 布 式 智 能 控 制 系 统 、 空 间 探 测的 群 体 机 器 人 等 领 域 。8. 微 型 高 能 能 源 目 前 开 发 的 微 型 能 源 有 太阳 能 电 池 、 燃 料 电 池 、 微 型 内 燃 机 热 泵 和 新 型 电池 。 微 型 能 源 可 以 突 破 成 本 和 重 量 的 限 制 , 提 供 高能 动 力 保 障 , 其 能 量 密 度 要 比 现 有 的 最 好 电 池 高 出几 十 倍 。五 、 微 机 电 系 统 技 术 的 发 展 前 景总 之 , 微 机 电 系 统 研 究 在 国 际 上 已 开 展 得 如 火如 荼 , MEMS 的 概 念 、 加 工 工 艺 , 跨 学 科 交 叉 以 及 应用 系 统 等 都 是 全 新 的 研 究 领 域 , 特 别 是 在 军 事 上 应用 的 MEMS 技 术 , 更 成 为 美 国 等 发 达 国 家 掌 握 的 高精 尖 技 术 。 目 前 ,微 机 电 系 统 在 应 用 系 统 设 计 、 器 件建 模 与 仿 真 、 MEMS 加 工 、 M