WORLDWIDE

　　微机电系统（Micro Electro-Me-chanical Systems，MEMS）是指可批量制作的，集微型组织、微型传感器、微型履行器以及信号处理和操控电路、直至接口、通讯和电源等于一体的微型器材或系统。MEMS是跟着半导体集成电路微细加工技能和超精细机械加工技能的开展而开展起来的。图1是MEMS的模型框图。

　　1）微型化：MEMS器材体积小、分量轻、耗能低、惯性小、谐振频率高、呼应时刻短。

　　2）以硅为首要资料，机械电器功用优秀：硅的强度、硬度和杨氏模量与铁适当，密度相似铝，热传导率挨近钼和钨。

　　3）批量出产：用硅微加工工艺在一片硅片上可一同制作成百上千个微型机电设备或完好的MEMS。批量出产可大大下降出产本钱。

　　4）集成化：能够把不同功用、不同灵敏方向或致动方向的多个传感器或履行器集成于一体，或构成微传感器阵列、微履行器阵列，乃至把多种功用的器材集成在一同，构成杂乱的微系统。微传感器、微履行器和微电子器材的集成可制作出可靠性、稳定性很高的MEMS。

　　5）多学科穿插：MEMS触及电子、机械、资料、制作、信息与自动操控、物理、化学和生物等多种学科，并集约了当今科学技能开展的许多顶级作用。

　　MEMS开展的方针在于，经过微型化、集成化来探究新原理、新功用的元件和系统，拓荒一个新技能范畴和工业。MEMS能够完结大标准机电系统所不能完结的使命，也可嵌入大标准系统中，把自动化、智能化和可靠性水平提高到一个新的水平。二十一世纪MEMS将逐渐从实验室走向实用化，对工农业、信息、环境、生物工程、医疗、空间技能、国防和科学开展发生严重影响。

　　当标准缩小到必定规模时，许多物理现象将与微观国际有很大不同，一些惯例理论将作批改。现在，MEMS的研讨首要仍是依靠经历和重复打听，完好的微观标准下的理论系统没有树立，这现已严重地阻止了MEMS技能的进一步开展。因此，微观标准下的根底性理论研讨显得尤为重要。

　　标准效应研讨已有较长的时刻。力的标准效应和外表效应阐明，在微观范畴作用细小的力和现象，在微观范畴或许起着重要的作用。在细小标准范畴，与特征标准L的高次方成份额的惯性力、电磁力（L3）等的作用相对减小，而与标准的低次方成份额的粘性力、弹性力（L2），外表张力（L1）、静电力（L0）等的作用相对增大；跟着标准的减小，外表积（L2）与体积（L3）之比相对增大，外表力学、外表物理效应将起主导作用。标准效应的研讨将有助于MEMS的立异。

　　微流体现象与微观规则有适当的不同，有的规则需求进行较大的弥补和批改。例如：微细通道内活动是否还契合Navier-Stokes方程；细小设备中流体驱动机制可用外表张力和粘性力，其阻力特性也有所不同、细小设备中流体的相变点（饱和压力和温度）不再是常数，而随标准减小而下降；微细管道固液界面的微观物理化学特性所发生的化学效应，如电泳、电渗，对微流体的力学行为有重要影响。

　　微观范畴中的力学和热力学问题的根底研讨可分为两大类，一当物体标准缩小至与粒子运转的平均自由程同一量级时，则介质连续性等微观假定不再树立；另一类，尽管连续介质等微观假定依然树立，但因为物体标准的细小化，各种作用力的相对重要性发生了反转，然后导致了微观规则的改变。

　　在微型光机电系统研讨中首要需考虑的是第二类状况，其详细特色有：资料的失效形式，不只与资料的本征联系有关，并且与资料的微结构有关；很大，然后传热功率很高；界面、外表特征愈加明显。

　　须开展介于微观与微观之间的研讨办法，例如宏微观力学、宏微观热力学等。此外还应留意电磁、机械、力学和热学相结合的穿插学科研讨办法。

　　微结构资料组织特性中的弹性模量、波松比、疲劳极限、强度，以及内应力和内部缺点的研讨和数据库的树立引起了人们的注重，有些力学量需求从头作出科学的表述。微观冲突学包含纳米冲突行为及其操控研讨、薄膜光滑与超滑技能研讨、微观外表描摹与外表力学、外表物理效应研讨、微磨损和微观外表改性研讨。

　　微型传感器是MEMS的一个重要组成部分。1962年第一个硅微型威力传感器面世，创始了MEMS的先河。现在现已构成产品和正在研讨中的微型传感器有：压力、力、力矩、加速度、速度、方位、流量、电量、磁场、温度、气体成分、湿度、pH值、离子浓度和生物浓度、微陀螺、触觉传感器等等。微型传感器正朝着集成化和智能化的方向开展。

　　国外某公司大批量出产的硅微加速度计。中心是传感的机械部分，四周为包含电信号源、放大器、信号处理和自校对电路等的集成电路，集成在3mm×3mm的芯片上，选用硅平面微细加工工艺制作，一块直径10厘米的硅片上可做出几百只微加速度计。已很多用于轿车的防磕碰气袋，每支只需几美元。有人估计微型传感器行将占邻40%的传感器的商场。

　　微型电机是一种典型的微型履行器，可分为旋转式和直线式两类，其他的微型履行器还有：微开关、微谐振器、微阀、微泵等。把微型履行器散布成阵列能够收到意想不到的作用，如：可用于物体的搬送、定位，用于飞机的灵活蒙皮。微型履行器的驱动方法首要有：静电驱动、压电驱动、电磁驱动、形状回忆合金驱动、热双金属驱动、热气驱动等等。

　　图2为清华大学研发的微型泵硅微静电电机。微泵有进出口阀、运用双金属热致动的泵膜和泵腔，在一个2英寸硅片上制作了16个泵片。微电机由两层多晶硅组成转子、定子和轴承，在外围的定子和中心的转子间加交变电压，静电力拉动转子滚动，转子直径只要头发丝粗细。

　　跟着信息技能、光通讯技能的开展，宽带的多波段光纤网络将成为信息时代的干流，光通讯中光器材的细小型化和大批量出产成为火急的需求。MEMS技能与光器材的结合刚好能满意这一要求。由MEMS与光器材融合为一体的微型光机电系统（MOEMS）将成为MEMS范畴中一个重要研讨方向。

　　美国Texas Instruments公司研发的用于投影显示设备的数字驱动微简易阵列芯片（DMD:Digital Micromirror Device)样机，一个微镜 的标准仅16μm×16μm。反射镜下面的支撑组织中，微镜经过支撑柱和改变梁悬于基片上，每个微镜下面都有驱动电极，鄙人电极与微镜间印加必定的电压，静电引力使微镜歪斜，入射光线被反射到镜头上投影到屏幕上，未加电压的微镜处的光线反射到镜头外，高速驱动微镜使每点发生明暗，投影出图画。

　　微型生物化学芯片是运用微细加工工艺，在厘米见方的硅片或玻璃等资料上集成样品预处理器、微反应器、微别离管道、微检测器等微型生特化学功用器材、电子器材和微流量器材的微型生物化学剖析系统。与传统的剖析仪器比较，微型生物化学剖析系统除了体积小以外，还具有剖析时刻短，样品耗费少，能耗低，功率高级长处。可广泛用于临床、环境临测、工业实时操控。芯片上的生物化学剖析系统还使剖析的并行处理成为或许，即一同剖析数十种乃至上百种的样品，这将大大缩短基因测序进程，因此将成为人类基因组计划中重要的剖析手法，有人称其为本国际终究一次技能革命。

　　跟着电子器材的不断缩小，拼装时要求的精细度也在不断添加。组在，科学家正在研发微型机器人，能在桌面巨细的当地拼装象硬盘驱动器之类的精细细巧的产品。日本通产省的十年计划便是一例。

　　戎行也对这种微型机器人体现了稠密的爱好。他们想象制作出大到鞋盒子，小到硬币巨细的机器人，它们会匍匐，跳动，抵达敌军后方，为不远处的部队或千里之外的总部搜集情报。这些机器人是廉价的，能够很多布置，它们能够替代人进入难以进入或风险的区域，进行侦查、排雷和勘探生化武器战役。

　　日本已制作出运用太阳电池的细小机器人，它只要钱币巨细。太阳能电池发生的电力驱动马达使机器人向着亮光的当地行进。

　　微型飞翔器（MAV,Micro AirVehicle）一般是指长、宽、高均小于15cm，分量不超越120克，并能以可接受的本钱履行某一有价值的军事使命的飞翔器。这种飞翔器的规划方针是有16公里的巡航规模，并能以30～60公里/小时的速度连续飞翔20～30分钟。美国陆军计划把这种微型飞翔器配备到陆军排，它将被广泛地用于战场侦查、通讯中继和反恐怖活动。

　　微型飞翔器并不是传统飞机的简略缩小，标准的缩小带来了许多新的技能应战。因为标准的缩小和速度的下降，现在惯例飞机上运用的翼型规划发生满足的升力。并且，要在一个标准如此细小的飞翔器上完成如此杂乱的功用，靠惯例的机电技能是难以完成的。微电子技能和微机电技能的开展，为微型飞翔器的完成奠定了根底。例如，运用MEMS技能在机翼上制作微结构阵列，使其具有供给升力，操控飞翔的功用，一同还能作为天线是MIT（麻省理工学院）规划的微型飞翔器，估计其飞翔速度为30～50公里/小时，可在空中逗留1小时，有侦查及导航才能。

　　微型动力系统以电、热、动能或机械能的输出为意图，以毫米到厘米级标准，发生瓦到十瓦级的功率。MIT从1996年开端了微型涡软发动机的研讨，该微型涡轮发动机运用MEMS加工技能制作，首要包含一个空气压缩机、涡软机、燃烧室、燃料操控系统（包含泵、阀、传感器等）、以及电发动马达/发电机。该校已在硅片上制作出涡轮机模型。其方针是1cm直径的发动机发生10～20W的电力或0.05～0.01N的推力，终究到达100W。

　　MIT正在研讨一种微型双级元火箭发动机。它由5到6片硅片叠在一同组成。硅征上制作有燃烧室、喷嘴、微泵、微阀及冷却管道。整个发动机约长15mm，宽12mm，厚2.5mm。运用液态氧和乙醇作燃料，估计能发生15N的推力，推力分量比是现在大型火箭的10～100倍。

　　美国TRW公司，航空航天公司和加州理工学院（CIT）组成的研讨小组提出了一个数字推动概念计划，在这个计划中，将有104～106个微推动器被集成到一块直径为10cm的硅片上。并已研发出了3×5的微推动器阵列。

　　MEMS加工技能首要有从半导体加工工艺中开展起来的硅平面工艺和体硅工艺。八十年代中期今后运用X射线光刻、电铸、及注塑的LIGA（德文Lithograph Galvanformung und Abformug简写）技能诞生，构成了MEMS加工的另一个系统。MEMS的加工技能可包含硅外表加工和体加工的硅微细加工、LIGA加工和运用紫外光刻的准LIGA加工、微细电火花加工（EDM）、超声波加工、等离子体加工、激光加工、离子束加工、电子束加工、立体光刻成形等。MEMS的封装技能也很重要。传统的精细机械加工技能在制作细小型机械方面仍有很大潜力。

　　MEMS在工业、信息和通讯、国防、航空航天、帆海、医疗和物生工程、农业、环境和家庭服务等范畴有着潜在的巨大使用远景。现在，MEMS的使用范畴中抢先的有：轿车、医疗和环境；正在增加的有：通讯、组织工程和进程

　　；还在萌发的有：家用/安全、化学/配药和食物加工。MEMS作为一个新式的技能范畴，有或许象当年的微电子技能相同，成为一门严重的工业。但瑞在它还处在初级阶段，因此我国在这一范畴，机会和应战并存。从研讨开发的状况来看，我国在该范畴的技能水平与国际先进水平的距离并不太大，某些方面乃至已到达先进水平。可是，我国在MEMS技能的工业化方面，却远远落后于国际先进水平。

　　MEMS在二十一世纪将会有更大的开展。咱们应该正视下一世纪在高技能范畴中的剧烈竞赛，争夺在不远的将来在国际上占有一席之地，迎候二十一世纪技能与工业革命的应战。