1、项目六：机电一体化前沿展望无锡商业职业技术学院20107一、光机电一体化技术概述光机电一体化技术是指将光学、机械学、电子学、信息处理和控制及专用软件等当代各种新技术进行综合集成的一种群体技术。光机电一体化产品至少有以下优点：（1 ）原有的机构产品中增加信息处理装置及相应软件，来替代原有产品的部分机械控制机构，不仅提高了自动化程度，而且能大大提高产品质量，降低生产成本，提高经济效益。（ 2）以光机电一体化技术为主的新型产品，与原机械产品相比，不仅结构简单，而且功能增加，精度提高。（ 3）将光电子技术、传感器技术、控制技术与机 械技术各自的优势结合起来，形成综合化优势，可开发出具有多种功能、智能化
2、的高新技术产品。光机电一体化技术的运用主要包括在设计和加工制造中的运用。（一）设计中的运用1.信息处理技术（1 ）使用计算机进行大量的数据采集和处理；数字式或图像式生动明确的显示结果；对误差进行修正和补偿；利用计算机的高速运算和存储能力，提高系统的分析、实时反应速度；对图像信息进行自动处理和自动识别；通过网络进行协同工作和信息共享；以计算机作为上位机、可编程控制器作为下位机可使系统具有层次结构，接口合理，便于维护。（2 ）软件 人工智能（包含各种遗传算法、神经网络数据处理方法、专家系统及决策支持系统） ， 可优化数据处理，提高运行速度，并可提高决策能力和正确率； 网络技术，可共享资源（包括数据
3、、硬件和信息）和协同工作；仿真技术，可评估运行效果以辅助决策； 良好、简便的人机交互界面。2.激光技术（ 1）高单色性，利用激光高单色性作精密测量时，可极大地提高测量精度和量程。（ 2）高方向性，因具有很远距离传输光能和传输控制指令的能力，从而可以进行远距离激光通信，激光测距，激光雷达，激光导航以及遥控。（3 ）高亮度性，大功率激光器的发光亮度比太阳光亮度高几千亿倍。利用激光的高亮度特性，中等亮度激光束在焦点附近可产生几千到几万度的高温，可使照射点物体熔化或汽化，对各种各样材料和产品进行特种加工。（ 4）相干性极好，由于激光束频率单一、相位相同、方向又相同，故其光线叠加幅度稳定，在时间和空间上
4、周期一定。因此适用于激光通信、全息照相、 激光印刷以及光学计算机的研制。而在实际运用中也会通过一些激光技术改变激光辐射的特性，应用范围更广。3.传感检测技术（ 1）激光干涉测长，其特点是可测长度范围大、测量耗时短、精度高。可应用于精密丝杠、机床、零件、数控设备的测量和校验，坐标精密定位、光学平面检测和地震预测。（2 ）激光测速，利用多普勒效应，可以进而确定运动物体的速度。其优点是测速准确；非接触测量；空间分辨率高，因而可测量速度分布和速度梯度；可 在二维或三维空间内测量，因而可测量物体运动的方向。（3 ）激光准直，能够测量平直度、平面度、平行度、垂直度，也可以做三维空间的基准测量。（ 4）激光
5、测距，其探测距离远，测距精度高，抗干扰性强，体积小，重量轻，但受天气影响大。（5 ）光纤探测器，在目标很小，间隔受限或危险的环境中，最常选用的是光纤探测器。（ 6）运用微光机电一体化技术研制出了多种微型传感器件和系统。对于光机电一体化系统的设计，需注意其从整体到局部的设计原则，应根据系统功能和设计要求 提出系统设计的总任务，并进行系统的总体框图设计；然后，将总体框图分解成一个个独立的框图，可分解为光学系统、机械与执行机构、光电传感、信号采集与处理、驱动与控制、软件设计、计算机及其接口等分框图，然后再进一步设计。设计制作完成后，先对光学系统、机械结构、计算机及其接口、软件进行单独调试，然后再将它
6、们装配起来进行光、机、电、计算机联调。（二）在制造中的运用（1）激光加工技术包括金属表面的激光强化、激光焊接、激光切割、激光清洗技术，其他还有激光打孔、刻槽、标记、光化学沉积等加工技术。（2）先进制造技术激光快速成型是利用计算机将复杂的三维物体转化为二维层，然后利用“积分”的思想，将热塑性塑料粉末或胶粘衬底片材纸张烧结，由点、线构造零件的面（层） ，然后逐层成型。激光快速成型技术可使新产品及早投放市场，极大地提高了汽车生产企业对市场的适应能力和产品的竞争能力。激光金属塑性成形技术是一种较新的先进制造技术，它没有任何的机械接触就可以生产出金属板料制品，而不需要任何模具。板料成形是由于激光加热后上
7、、下表面收缩引起的。可用适当的件夹持和操作系统来实现。 国际上光机电一体化系统研究发展迅速，而我国在许多方面落后于国外，工艺技术水平低是一个重要原因。我国的光机电一体化技术要赶上世界先 进水平，首先要重视基础研究，了解国际的发展模式，依靠自身的技术优势和高校多学科的交叉优势与企业合作攻克世界技术难题，只有这样，才能在世纪的尖端科技术较量中夺魁。1二、微机电一体化综述2.1 引言机电一体化（Mechatronics）不是机械和电子装置的简单“拼盘”，而是“机”和“电”的有机结合，在功能上互补，以实现系统的最佳构成，增加系统的功能，提高可靠性和性价比，节省原材料和降低成本。机电一体化所涉及的领域主
8、要包括：传统的机械设计、微电子技术、经典控制理论等内容，同时包括了现代信息处理技术、现代设计方法、软件工程，以及现代控制技术。随着现代技术的发展，尤其是机械技术和微电子技术的进步，机电一体化的涵义也在不断发展，机电一体化已经向“宏观”（机械电子学）和“微观”（电子机械学）发展。本文着重从系统角度叙述“微观”的机电一体化，即微机电系统（MEMS）。当前，信息技术已走上多媒体、网络化和智能化的道路，微电子信息处理已向系统级芯片集成发展。无沦从微型化或性能价格比发展看，信息获取(传感)技术和信息执行技术，即所谓“外部设备”技术都己成为发展的瓶颈，它们与“主机”的接口也成为阻碍处理速度的关键。MEMS
9、 技术的目标是把信息获取、处理和执行一体化地集成在一起，使之成为真正的信息处理系统，因此它对信息技术的革命意义是不言而喻的。对于传统的“机械学”来说，MEMS 技术不仅为之打开了“微尺寸”新领域大门，也是真正实现机电一体化的开始。所以，MEMS 被认为是微电子技术的又一次革命，对 21 世纪的科学技术、生产方式和人类生活质量都会有深远的影响。2.2 微机电系统（ MEMS）概述2.2.1 发展背景微机电系统（Micro Electro Mechanical Systems 简称 MEMS） 是近年来发展迅速的高新科学技术, 是一种集成微电子和微机械、具有微观尺寸的静止或移动部件的装置。1959
10、 年，美国物理学家 R Feynmam 提出了制2造微型机械的设想。1962 年第一个硅微型压力传感器问世，其后微梁、微齿轮等微型机构又开发成功。20 世纪 70 年代末期，斯坦福大学开发出硅微加工的气相色谱仪，随后人们又提出了制造微传感器、微处理器的构想。20 世纪 80 年代初，Middelhoek 著文预示微系统的出现和发展前景，对微系统的研究起着重要的推动作用。美国在 1987 年举行的 IEEE Micro-robots and Tele-operators 研讨会的主题报告标题为 small machines，large opportunities，首次提出了微机电系统（micro
11、 electro-mechanical system , MEMS）一词, 标志着微机电系统研究的开始。1988 年, 美国加州大学伯克利分校研制出直径为 60120m 的硅微型静电电机， 引起了人们的极大关注。对微机电系统研究产生很大的鼓舞。由此可见，美国有关微系统的研究是由微电子技术发展而来，故称之为MEMS，这也是目前广为使用的名称。在欧洲,，1989 年在荷兰特文蒂( Twente) 以 Micro Mechanics 的名称首次召开有关微系统的研讨会。1990 年, 在柏林召开的研讨会改称为 MST (micro system-technology)，即微系统，这一称谓更强调系统的观
12、点，即如何将多个微型化的传感器、执行器、处理电路等元部件集成为一个智能化的有机整体。欧洲在该领域的重要贡献是开发出扫描隧道 951。关于微机电系统研究显微镜和原子力显微镜以及 LIGA 工艺。在精密机械加工方面有传统优势的日本则称之为 Micro-Machine 即微机器。并于 1988 年正式建立微机械研究组织。到 20 世纪末，MEMS 技术已逐渐形成一门独立学科, 得到广泛的应用. 根据 NEXU S2002 年市场调查结果，目前商业 MEMS 及其应用发展迅速，每年可销售 1 亿多个MEMS 产品，2000 年 MEMS 的销售额更是达到 300 亿美元，预计到 2005 年达到 68
13、0 亿美元。2002 年 5 月在 San Jose 召开的 MEMS 传感器世界博览及研讨会提出了 BioMEMS/BioSensor 的新观念，并探讨了 MEMS 在生物工程中的应用前景及所面临的挑战。2.2.3 MEMS 的定义作为最近十几年来新出现的一门技术，MEM 对现代科技的影响，将超过晶体管的出现，堪称为跨时代的技术。MEMS 技术是一种多学科交叉的前沿性领域，它几乎涉及到自然及工程科学的所有领域，如电子、机械、光学、3物理学、化学、生物医学、材料科学、能源科学等。但是，目前关于 MEMS尚无统一的定义。一般地说 MEMS 具有以下几个非约束性的特征：（1）尺寸在毫米到微米范围之
14、内，区别于一般宏（Macro），即传统的、大于 1cm 尺度的“机械”，但并非进入物理上的微观层次。（2）基于（但不限于）硅微加工（Micro fabrication）技术制造。（3）与微电子芯片类同，可大批量、低成本生产，使性能价格比比之传统“机械“制造技术，大幅度地提高。（4）MEMS 中的“机械”不限于狭义的机械力学中的机械，它代表一切具有能量转化、传输等功能的效应：包括力、热、声、光、磁，乃至化学、生物等。（5）MEMS 的目标是微“机械”与 IC 集成的微系统，即具有智能的微系统。用以上特征来衡量，用微电子技术（不限于）制造的微小机构、器件、部件和系统等都属于 MEMS 范围，微机电
15、系统不仅能够采集、处理与发送信息或指令，还能够按照所获取的信息自主地或根据外部的指令执行机械操作。微机械和微系统只说明 MEMS 发展的不同层次，而有关的科学技术都可统称为 MEMS 技术。一般来说，微机械多指构造较简单能动作的微构造，它是构成微机电系统的要素技术。微机电系统（MEMS）则指集微型传感器、微型执行器、信号处理和控制电路、接口电路、通信系统以及电源于一体的微型机电系统。2.2.4 MEMS 的基本特点MEMS 具有以下特点：（1）体积小，精度高，质量轻。机械按其特征尺寸可以这样划分：110mm 为（微）小型机械；1m1mm 为微型机械；1nm1m 为纳米机械。MEMS 体积可小至
16、 nm 数量级，尺寸精度亦可达 nm 数量级，质量可轻至ng。（2）性能稳定，可靠性高。由于微机电系统的体积甚小，几乎不受热膨胀、噪声和扰曲等因素影响，具有较高的抗干扰性，可在较差的环境下稳定工作。4（3）能耗低，灵敏性和工作效率高。微机电系统所消耗的能量远小于传统机械的十分之一，但却能以十倍以上的速度来完成同样的工作，如5mm5mm0.7mm 的微型泵的流速是比其体积大得多的小型泵的 1000 倍。（4）多功能及智能化。MEMS 最终将实现集微型传感器、微型执行器、信号处理和微电子控制电路、接口电路、通讯电路、电源于一体的目标，特别是应用智能材料和采用智能结构后，更利于实现微机电系统的多功能
17、化及智能化。（5）适合大批量生产，制造成本低廉。如 MEMS 可采用与半导体制造工艺相仿的方法生产，采用类似集成电路（IC）的生产工艺和加工过程，像生产超大规模集成电路芯片一样在一硅片上可同时制造成百上千个微型机电装置或完整的 MEMS。批量生产可大大降低生产成本，而且地球表层硅的含量为 2%，几乎取之不尽，因此 MEMS 产品在经济性方面更具竞争力。（6）“机械”的含义大为拓宽。微机电系统所指的“机械”，不限于狭义的机械力学中的机械，它代表一切具有能量转化、传输等功能的效应：其中包括力、热、声、光、磁等，乃至化学、生物等等。2.3 微机电系统（ MEMS）的基础研究及应用微机电系统（MEMS
18、）相关的研究分为理论基础研究和技术基础研究，理论基础研究是围绕着微尺度和学科渗透这些核心问题进行和展开的。技术基础研究则是 MEMS 的工艺实现方法的研究，包括设计、材料、模拟、加工、封装和测试等一系列生产步骤以及相关工艺。本文主要从系统观点出发叙述 MEMS，因此有关技术基础研究的内容略去。2.3.1MEMS 理论基础研究与宏观机电系统相比，不仅几何尺寸大大缩小，其自身还将有传统理论难以作出解释和预测的特定规律。在这一方面的基础性研究将极大地促进MEMS 的发展。尺度效应是 MEMS 中许多物理现象不同于宏观现象的一个非常重要的原因。所谓的尺寸效应是指在经典宏观规律适用的条件下，结构和器件的
19、性能随特征尺度减小发生的变化。尺寸效应对 MEMS 的影响：在当前 MEMS 所能达到的尺度下，宏观世界5基本的物理规律仍然起作用，但由于尺寸缩小带来的影响，许多物理现象与宏观世界有很大区别，相应物理量的作用可能发生急剧变化，而且与尺寸不一定成线性关系。原先在宏观结构中占主导作用的物理量在微结构和器件中的作用可能下降，而另一些次要作用力却上升到主导地，因此许多原来的理论基础都会发生变化，如力的尺寸效应、微结构的表面效应、微观摩擦机理等，因此有必要对微动力学、微流体力学、微热力学、微摩擦学、微光学和微结构学进行深入的研究。这一方面的研究虽然受到重视，但难度较大，往往需要多学科的学者进行基础研究。
20、目前在 MEMS 理论基础研究方面已取得了一些进展， 但尚不系统。除了微摩擦学等分支外，大多是结合具体材料和器件的研制过程进行的。2.3.2MEMS 的应用MEMS 技术的应用范围广泛，MEMS 技术是一种典型的多学科交叉的前沿研究领域，几乎涉及到自然科学及工程技术的所有领域，如电子技术、机械技术、物理学、化学、生物医学、材料科学和能源科学等。与不同的技术结合，往往便会产生一种新型的 MEMS 器件。目前，除了进行信号处理的集成电路部件以外，微机电系统的应用主要有以下几大类：（1）微传感器。传感器是应用最广泛也是最成熟的 MEMS，包括敏感和检测力学量、磁学量、热学量、化学量和生物量等的传感器
21、。每一类又可以细分为多种，例如微加速度计等传感器。 （2）微执行器。主要包括微电机、微陀螺、微泵、微进给装置等。 （3）微型构件。三维微型构件主要包括微膜、微梁、微探针、微齿轮、微弹簧、微腔、微沟道、微锥体、微轴、微连杆等。 （4）微机械光学器件。即利用 MEMS 技术制作的光学元件及器件，主要有微镜阵列、微光扫描器、微光阀、微斩光器、微干涉仪、微光开关、微可变焦透镜、微外腔激光器、光编码器等。 （5）真空微电子器件。它是微电子技术、MEMS 技术和真空电子学发展的产物，具有极快的开关速度、非常好的抗辐照能力和极佳的温度特性。目前主要应用如场发射显示器、场发射照明器件、真空微电子毫米波器件、真
22、6空微电子传感器等。 （6）电力电子器件。主要包括 MEMS 技术制作的垂直导电型 MOS（VMOS）器件、V 型槽垂直导电型 MOS（VVMOS）器件等各类高压大电流器件。（7）微小型机器人。随着电子器件的不断缩小，组装时要求的精密度也在不断增加，使微小型机器人的实现成为可能，微小型机器人是指外形很小，便于进入微小空间进行可控操作的微型机械，比如微小型的介入诊疗机器人等。显然，微小型机器人是典型的“微观”机电一体化系统。2.4 微机电系统（ MEMS）的宏观、微观辩证统一微机电系统（MEMS）是现代机械工程技术发展的前沿，机电一体化系统进入太空、水下的同时，也必然地进入了微观世界。然而，宏观
23、与微观之间并没有严格的界定，在某些特定的条件下，在物理上属于微观世界范畴的物体和场又被看作宏观范畴。实质上，宏观与微观是一对相对的概念，所谓的宏观是相对微观而言的，反之也是如此。宏微观的演化是辩证统一的，科学地处理好宏观微观的辩证统一关系，对 MEMS 的研究具有理论指导意义。2.4.1 宏微观转换及其相互关系对于微机电系统（MEMS），由于尺寸效应，现有宏观世界的一些控制方法不再有效。与特征尺寸 L 的高次方成比例的惯性力、电磁力( L3) 等的作用相对减小，而与尺寸的低次方成比例的粘性力、弹性力( L2) 、表面张力( L1) 、静电力(L0) 等的作用相对增大。这也是微型系统常以静电力、
24、表面张力作为驱动力的原因。随着尺寸的减小, 表面积(L2) 与体积(L3) 之比相对增大。因而热传导、化学反应等速度加快，表面间摩擦阻力显著增大。材料性能和摩擦现象受制作工艺的影响。以上是“微小”操作所涉及的力。传统（宏观）的机电一体化系统的作业，是在同一工作空间完成的，而 MEMS 的操作过程则是宏观和微观空间的结合首先是大面积寻的操作，如介入诊疗机器人进入作业空间的过程，然后是在微观范围内完成精密操作。这需要整个操作过程能够实现宏微观的切换，完成类似“浏览”与“凝视”的操作切换。对于系统精度来说，在一个大系统下实现微米级运动，误差来源是多7方面的，实现高精度存在许多困难。由于各子系统对精度
25、的影响不同，问题采取一视同仁是不科学的，也是不经济的，对各子系统如何恰如其分地提出误差限度是有指导意义的。2.4.2 宏微观的辩证统一宏观与微观是相对的，以介入诊疗机器人的细胞操作为例，一个卵细胞的直径大约为 100 微米左右，一般“浏览”时希望能够看到尽可能多的细胞，我们的操作中大约在 1000 微米范围。而“凝视”时，希望能看到精微的细节，大约在 100 微米左右。对一般工业机器人来讲 1000 微米已属于微的范畴，但对于微操作而言它却是宏的范畴。对于更高要求的操作来讲 100 微米又属于宏的范畴。由此可以看出在机电一体化系统的操作过程中，宏观与微观不是一个绝对的概念，是一个相对的，随客观
26、环境及所要完成的任务的要求而改变的。仍然从介入诊疗机器人细胞微操作的要求来看，首先，在宏观范围进行粗定位，捕获一个目标细胞，送入微观视野；微操作则要选择刺入的角度、方向、深度以及达到操作所要求的精度等。从上述过程我们可以看到，整个操作是一个从宏观到微观，整体到局部，由粗到精的过程。宏观选定目标，微观达到具体指标。由此我们可以得出宏微操作的规律，宏微操作中，最后所要达到的目的由微操作来实现，微操作是目的，是根本，要达到系统提出的精度要求首要任务就是提高微操作的精度；但在整个操作过程中没有宏过程微操作是盲目的，没有目的的，必须由宏观操作来确定目的，并导引到微观可操作的范围。从宏微操作中得到的规律出
27、发得到如下结论：宏观与微观是相对的，而非绝对的概念。宏、微双方，微观一方是根本，是根据，居决定的地位。在多层宏微关系中，越是低层的微观越是根本。宏观是功能，是体现，居控制地位，是高层的宏观功能愈强大。一般系统提出的要求对宏观与微观来讲是矛盾的，要完美地实现系统的功能必需将宏微有机地结合起来，形成宏观与微观的统一体。可概括为：微为本，宏为功，宏微相对，辩证统一。近来兴起的微机电系统（MEMS, Micro-Electro-Mechanic System）是8一种先进的制造技术平台。它是以半导体制造技术为基础发展起来的。MEMS 技术采用了半导体技术中的光刻、腐蚀、薄膜等一系列的现有技术和材料，因
28、此从制造技术本身来讲，MEMS 中基本的制造技术是成熟的。但MEMS 更侧重于超精密机械加工，并要涉及微电子、材料、力学、化学、机械学诸多学科领域。它的学科面也扩大到微尺度下的力、电、光、磁、声、表面等物理学的各分支。微机电系统是微电路和微机械按功能要求在芯片上的集成，尺寸通常在毫米或微米级，自八十年代中后期崛起以来发展极其迅速，被认为是继微电子之后又一个对国民经济和军事具有重大影响的技术领域，将成为 21 世纪新的国民经济增长点和提高军事能力的重要技术途径。微机电系统的优点是：体积小、重量轻、功耗低、耐用性好、价格低廉、性能稳定等优点。微机电系统的出现和发展是科学创新思维的结果，使微观尺度制
29、造技术的演进与革命。微机电系统是当前交叉学科的重要研究领域，涉及电子工程、材料工程、机械工程、信息工程等多项科学技术工程，将是未来国民经济和军事科研领域的新增长点。MEMS(微机电系统)最初大量用于汽车安全气囊，而后以 MEMS 传感器的形式被大量应用在汽车的各个领域，随着 MEMS 技术的进一步发展，以及应用终端“轻、薄、短、小”的特点，对小体积高性能的 MEMS 产品需求增势迅猛，消费电子、医疗等领域也大量出现了 MEMS 产品的身影。基于 MEMS 技术制造的器件具有以下共有特点：1）微型化：MEMS 器件体积小、重量轻、耗能低、惯性小、谐振频率高、响应时间短，一致性和重复性能远远高于宏
30、观机械器件。2）批量生产：用硅微加工工艺在一片硅片上可同时制造成百上千个微型机电装置，而同一批次可以同时加工十几个硅片。MEMS 这种批量生产能力是空前的。3）集成化：可以把不同功能的部件集成于一体，完成机械上的执行或电子传感以及电子逻辑的运算。和 IC 芯片相比，MEMS 芯片的制造工艺相对复杂且现阶段没有标准规范的工艺。MEMS 芯片制造在现阶段和可预见的相当长时间内仍然被和 IC 芯片远不能相比的良率所困扰。9MEMS 技术是一种典型的多学科交叉的前沿性研究领域，它几乎涉及到自然及工程科学的所有领域，如电子技术、机械技术、光学、物理学、化学、生物医学、材料科学、能源科学等。MEMS 技术
31、的目标是通过系统的微型化、集成化来探索具有新原理、新功能的元件和系统。MEMS 的发展开辟了一个全新的技术领域和产业。它们不仅可以降低机电系统的成本，而且还可以完成许多大尺寸机电系统所不能完成的任务。MEMS 在航空、航天、汽车、生物医学、环境监控、军事以及几乎人们接触到的所有领域中都有着十分广阔的应用前景。例如微加速度计可以用于汽车的安全气囊，当汽车发生碰撞等交通事故时，汽车的加速度会很大，这时通过微加速度计可以判断是否发生撞车事故。若发生交通事故，微加速度计即可以发出指令，使安全气囊及时弹出，保护司机和乘客的安全。又如，微惯性传感器及其组成的微型惯性测量组合系统能应用于制导系统、卫星控制系
32、统、汽车自动驾驶仪、汽车防抱死系统(ABS)、稳定控制系统和玩具；微流量系统和微分析仪可用于微推进、伤员救护。MEMS 系统还可以用于医疗、高密度存储和显示、光谱分析、信息采集等等。现在已经成功地制造出了尖端直径为 5m 的可以夹起一个红细胞的微型镊子，3mm 大小的能够开动的小汽车，可以在磁场中飞行的像蝴蝶大小的飞机等。MEMS 器件的主要种类目前，MEMS 技术几乎可以应用于所有的行业领域，而它与不同的技术结合，往往便会产生一种新型的 MEMS 器件。正因为如此，MEMS 器件的种类极为繁杂。根据目前的研究情况，除了进行信号处理的集成电路部件以外，微机电系统内部包含的单元主要有以下几大类：
33、(1)微传感器。微传感器种类很多，主要包括机械类、磁学类、热学类、化学类、生物学类等等，每一类中又包含有很多种。例如机械类中又包括力学、力矩、加速度、速度、角速度(陀螺)、位置、流量传感器等，化学类中又包括气体成分、湿度、PH 值和离子浓度传感器等。(2)微执行器。微执行器主要包括微马达、微齿轮、微泵、微阀门、微机械开关、微喷射器、微扬声器、微可动平台等。(3)微型构件。三维微型构件主要包括微膜、微梁、微探针、微齿轮、微弹簧、10微腔、微沟道、微锥体、微轴、微连杆等。(4)微机械光学器件。这是一种利用 MEMS 技术制作的光学元件及器件。目前制备出的微光学器件主要有微镜阵列、微光扫描器、微光阀
34、、微斩光器、微干涉仪、微光开关、微变焦透镜、微外腔激光器、光编码器等。(5)真空微电子器件。它是微电子技术、MEMS 技术和真空电子学发展的产物，是一种采用已有的微细加工工艺在芯片上制造的集成化微型真空电子管或真空集成电路。它主要由场致发射阵列阴极、阳极、两电极之间的绝缘层和真空微腔组成。由于电子输运是在真空中进行的，因此真空微电子器件具有极快的开关速度、非常好的抗辐照能力和极佳的温度特性。目前研究较多的真空微电子器件主要包括场发射显示器、场发射照明器件、真空微电子毫米波器件、真空微电子传感器等。(6)电力电子器件。它主要包括利用 MEMS 技术制作的垂直导电型 MOS(VMOS)器件、 V
35、型槽垂直导电型 MOS(VVMOS)器件等各类高压大电流器件。现在，已经有很多很多种用途各异的 MEMS 器件相继问世。目前，微型马达的实例较多，其中德国采用 LIGA 技术制备的微型马达比较成功，已用于微型直升机样品。MEMS 的主要加工工艺目前，常用的制作 MEMS 器件的技术主要有三种。第一种是以日本为代表的利用传统机械加工手段，即利用大机器制造小机器，再利用小机器制造微机器的方法。第二种是以美国为代表的利用化学腐蚀或集成电路工艺技术对硅材料进行加工，形成硅基 MEMS 器件。第三种是以德国为代表的 LIGA(即光刻、电铸和塑铸)技术，它是利用 X 射线光刻技术，通过电铸成型和塑铸形成深
36、层微结构的方法。上述第二种方法与传统 IC 工艺兼容，可以实现微机械和微电子的系统集成，而且适合于批量生产，已经成为目前 MEMS 的主流技术。LIGA 技术可用来加工各种金属、塑料和陶瓷等材料，并可用来制做深宽比大的精细结构(加工深度可以达到几百微米)，因此也是一种比较重要的 MEMS 加工技术。LIGA 技术自八十年代中期由德国开发出来以后得到了迅速发展，人们已利用该技术开发和制造出了微齿轮、微马达、微加速度计、微射流计等。第一种加工方法可以用于加工一些在特殊场合应用的微机械装置，如微型机器人、微型手术台等。11下面主要介绍 LIGA 和硅 MEMS 技术。1. LIGA 技术 LIGA
37、技术是将深度 X 射线光刻、微电铸成型和塑料铸模等技术相结合的一种综合性加工技术，它是进行非硅材料三维立体微细加工的首选工艺。LIGA 技术制作各种微图形的过程主要由两步关键工艺组成，即首先利用同步辐射 X 射线光刻技术光刻出所要求的图形，然后利用电铸方法制作出与光刻胶图形相反的金属模具，再利用微塑铸制备微结构。LIGA 技术为 MEMS 技术提供了一种新的加工手段。利用 LIGA 技术可以制造出由各种金属、塑料和陶瓷零件组成的三维微机电系统，而用它制造的器件结构具有深宽比大、结构精细、侧壁陡峭、表面光滑等特点，这些都是其它微加工工艺很难达到的。2. 硅基 MEMS 技术 以硅为基础的微机械加
38、工工艺也分为多种，传统上往往将其归纳为两大类，即体硅加工工艺和表面硅加工工艺。前者一般是对体硅进行三维加工，以衬底单晶硅片作为机械结构；后者则利用与普通集成电路工艺相似的平面加工手段，以硅(单晶或多晶)薄膜作为机械结构。在以硅为基础的 MEMS 加工技术中，最关键的加工工艺主要包括深宽比大的各向异性腐蚀技术、键合技术和表面牺牲层技术等。各向异性腐蚀技术是体硅微机械加工的关键技术。湿法化学腐蚀是最早用于微机械结构制造的加工方法。常用的进行硅各向异性腐蚀的腐蚀液主要有 EPW 和 KOH 等，EPW 和 KOH 对浓硼掺杂硅的腐蚀速率很慢，因此可以利用各向异性腐蚀和浓度选择腐蚀的特点将硅片加工成所
39、需要的微机械结构。利用化学腐蚀得到的微机械结构的厚度可以达到整个硅片的厚度，具有较高的机械灵敏度，但该方法与集成电路工艺不兼容，难以与集成电路进行集成，且存在难以准确控制横向尺寸精度及器件尺寸较大等缺点。为了克服湿法化学腐蚀的缺点，采用干法等离子体刻蚀技术已经成为微机械加工技术的主流。随着集成电路工艺的发展，干法刻蚀深宽比大的硅槽已不再是难题。例如采用感应耦合等离子体、高密度等离子体刻蚀设备等都可以得到比较理想的深宽比大的硅槽。键合技术是指不利用任何粘合剂，只是通过化学键和物理作用将硅片与硅片、硅片与玻璃或其他材料紧密地结合起来的方法。键合技术虽然不是微机械12结构加工的直接手段，却在微机械加
40、工中有着重要的地位。它往往与其他手段结合使用，既可以对微结构进行支撑和保护，又可以实现机械结构之间或机械结构与集成电路之间的电学连接。在 MEMS 工艺中，最常用的是硅/硅直接键合和硅/玻璃静电键合技术，最近又发展了多种新的键合技术，如硅化物键合、有机物键合等。表面牺牲层技术是表面微机械技术的主要工艺，其基本思路为：首先在衬底上淀积牺牲层材料，并利用光刻、刻蚀形成一定的图形，然后淀积作为机械结构的材料并光刻出所需要的图形，最后再将支撑结构层的牺牲层材料腐蚀掉，这样就形成了悬浮的可动的微机械结构部件。常用的结构材料有多晶硅、单晶硅、氮化硅、氧化硅和金属等，常用的牺牲层材料主要有氧化硅、多晶硅、光
41、刻胶等。MEMS 技术的发展趋势根据 MEMS 发展的现状，人们对今后 MEMS 技术的发展进行了大量的预测，作为本文的小结，将大多数专家认为的 MEMS 技术在今后的主要发展趋势综合如下：(1)研究方向多样化。从历次大型 MEMS 国际会议的论文来看，MEMS 技术的研究日益多样化。MEMS 技术涉及的领域主要包括惯性器件(如加速度计与陀螺)、原子力显微镜、数据存储、三维微型结构的制作、微型阀门、泵和微型喷口、流量器件、微型光学器件、各种执行器、微型机电器件性能模拟、各种制造工艺、封装键合、医用器件、实验表征器件、压力传感器、麦克风以及声学器件等。内容涉及军事、民用等各个应用领域。(2)加工
42、工艺多样化。正在使用和研究的加工工艺有传统的体硅加工工艺、表面牺牲层工艺、溶硅工艺、深槽刻蚀与键合相结合的加工工艺、SCREAM 工艺、LIGA 加工工艺、厚胶与电镀相结合的金属牺牲层工艺、MAMOS 工艺、体硅工艺与表面牺牲层工艺相结合等，而具体的加工手段更是多种多样。(3)系统单片集成化。一般传感器的输出信号(电流或电压)很弱，若将它连接到外部电路，则寄生电容、电阻等的影响会彻底掩盖有用的信号，因此采用灵敏元件外接处理电路的方法已不可能得到质量很高的传感器，只有把两者集成在一个芯片上，才能具有最好的性能。13(4)MEMS 器件芯片制造与封装统一考虑。MEMS 器件与集成电路芯片的主要不同
43、在于：MEMS 器件芯片一般都有活动部件，比较脆弱，在封装前不利于运输。所以，MEMS 器件芯片制造与封装应统一考虑。封装技术是 MEMS 的一个重要研究领域，几乎每次 MEMS 国际会议都对封装技术进行专题讨论。(5)普通商用低性能 MEMS 器件与高性能特殊用途(如航空、航天、军事用)MEMS器件并存。例如加速度计，既有大量的只要求精度为 0.5g 以上、可广泛应用于汽车安全气囊等的具有很高经济价值的加速度计，也有要求精度为 108g 的、可应用于航空航天等高科技领域的加速度计。对于陀螺，也是有些情况要求其精度为 0.1/小时，有的则只要求 10000/小时。三、新能源拓展材料我国具有丰富
44、的新能源和可再生能源资源。据统计，太阳能年辐照总量大于 502 万 kJW/m2，年日照时数在 2200h 以上的地区约占我国国土面积的三分之二以上，具有良好的开发条件和应用价值。风能资源也十分丰富，陆地上风能资源的理论储量为 32.26 亿 kW，而可开发的风能资源储量为 2.53 亿 kW，在沿海水深 2m 到 15m 的海域，可开发利用的风能储量为 7.5 亿 kW。新能源和可再生能源还包括可用作能源的地热能、潮汐能、波浪能、潮流能、生物质能，另外固体废弃物和温差能源等也具有很大的开发潜力。目前利用新能源的主要方式是发电，这其中风能、太阳能等发电技术代表着其发展方向，而且已经进入实用阶段
45、。现就新能源发电方式的技术现状、研究热点、存在问题以及在我国的应用前景等做一些简介。1.风力发电风力发电是新能源中技术最成熟的、最具规模开发条件和商业化发展前景的发电方式，目前其发电成本已接近常规发电方式。截止到 2003 年底，全国已建成风电场 40 座，累计运行风力发电机组 1042 台，总容量达 567.02MW，同时国产化风力机组的开发也取得了一定成果。但是由于大型风力发电机组几乎都14是引进的，我国风力发电成本仍然较高。我国小型风力发电的技术比较成熟，能够自行研发容量从 100W 到 l0kW 的风力发电机组，累计保有量已经居于世界第一位，与国外同类型机组相比，具有起动风速低、低速发
46、电性好、限速可靠、运行平稳等优点，而且价格便宜。但在外观质量、叶片材料的应用和制作工艺水平上以及在较大容量的离网型机组的生产制造技术方面，还存在一定差距。风力发电系统中最主要的组成部分是风机和发电机。目前投入运行的机组的风机主要有两类:一类是定桨距失速控制;另一类是变桨距控制。定桨距失速控制风机的功率调节完全依靠叶片的空气动力学特性，其输出功率随风速改变而改变。这种风机的发电机一般采用两个不同功率、不同极对数的异步发电机，在高风速区使用大功率高转速的发电机，低风速区使用小功率低转速的发电机。当风速达到额定风速以上时，通过叶片的失速或主动失速来实现风机的功率调节。变桨距风机通过对桨距进行调整来提
47、高风能转换效率，其输出功率比定桨距失速控制风机平稳的多，变桨距风机在定桨距基础上加装桨距调节结构，依靠改变与叶片相匹配的叶片攻角来进行功率调节。一般来说，变桨距风机的起动风速较定桨距风机低，停机时传动机械的冲击应力也相对缓和。变桨距风机可以在非常大的风速范围内按最佳效率运行，一般要求相应的发电机可以变速运行，以保证风机的运行效率，从风中获取更多的能量。风力发电机系统按照发电机运行的方式来分有恒速恒频系统和变速恒频系统两大类。恒速恒频系统一般使用同步电机或者笼型异步电机作为发电机，通过定桨距失速控制的风机使发电机的转速保持在恒定的数值继而保证发电机端输出电压的频率和幅值的恒定，其运行范围比较窄。
48、变速恒频系统一般采用永磁同步电机或者双馈电机作为发电机，通过变桨距控制风机使整个系统在很大的速度范围内按照最佳的效率运行，这是当前风力发电发展的一个趋势，其应用结构图如图 1 和图 2 所示。变速恒频系统中双馈异步系统是一种非常适合风力发电的变速恒频方案，因为对于风机来说，其调速范围一般在同步速的50%150%之间，如果采用普通笼型异步电机系统或者永磁同步电机系统，变频器的容量要求与所拖动的发电机容量相当，这是非常不经济的，而双馈异步发电系统的定子绕组直接接到工频电网上，其转子绕组接到频率、相位、幅值和相序都可以调节的变频电源上，其容量与调速范围有关，成本可以大大降低。15图 1 永磁同步风力
49、发电系统结构框图 图 2 双馈异步风力发电系统结构框图风力发电技术的矿究目前主要集中在以下几个方面:风轮机叶片翼型、结构以及气动特性的研究、设计、计算及实验;风轮机叶片的制造工艺;风轮机的限速调速系统的研究;塔架与叶片的共振及稳定性分析;风力发电运行方式的研究;不同类型和容量的发电机的研制以及控制方法的研究;风力发电系统的软并网和软解列，MPPT，MEPT 以及储能的研究;风电系统的计算机仿真研究。 我国政府为了推动并网风电的商业化发展，预计在 2010 年时装机 4.9GW，要实现这一目标，在加速风力发电设备国产化进程的同时，加强对风力发电技术特别是发电机电控技术的研究开发是十分必要的。另外，由于陆地上风况好的地方有限，同时受自然条件和人口的限制，陆地的风能开发将满足不了人类的要求，风力发电将朝着离岸型发展，离岸型海上风电场如图 3 所示。预计到2030 年，风力发电将占全国总发电量的 10%，此时的海上风电技术将更加成熟，成本也将明显下降，风电将会进入大规模发展时期。图 3 海上风电场2 太阳能发电太阳能作为清洁无污染的新能源方式之一，具有广阔的发展前景，在我国16太阳能发电的主要以光伏发电为主。近些年我国太阳电池的生产能力得到了较大的提高，据统计到 2002 年底我国的光伏系统累计的装机容量达 40MW，但是多晶
