微機電系統(tǒng)的發(fā)展與應(yīng)用

摘 要：文章主要介紹并分析了微機電系統(tǒng)在國內(nèi)外發(fā)展的現(xiàn)狀，重點對微機電系統(tǒng)的發(fā)展與運用進行了研究，突出圍繞在軍事領(lǐng)域的偵察、打擊行動中的應(yīng)用，在救援與醫(yī)療領(lǐng)域的探查和診斷、手術(shù)中的應(yīng)用，以及在航空航天領(lǐng)域的微型衛(wèi)星制造與發(fā)射中的應(yīng)用進行了分析，對認(rèn)識微機電系統(tǒng)的特點，發(fā)展相關(guān)技術(shù)和應(yīng)用具有一定的借鑒和參考。

關(guān)鍵詞：微機電系統(tǒng)；發(fā)展現(xiàn)狀；應(yīng)用展望

微機電系統(tǒng)（MEMS，Micro-Electro-Mechanical System）的產(chǎn)生最早可追溯到上世紀(jì)70年代美國斯坦福大學(xué)所開發(fā)的硅微加工的氣象色譜儀。而MEMS這個概念則是在80年代末被首次正式提出，這標(biāo)志著其研究的真正開始[1]。MEMS得益于微電子學(xué)制造的飛速發(fā)展，它將普通芯片的電氣特性和機械可動結(jié)構(gòu)這兩種特性相結(jié)合，具有微型化、能耗低、靈敏度高等優(yōu)異的性能特點，同時還適合批量生產(chǎn)降低了生產(chǎn)成本[2]，MEMS現(xiàn)被廣泛應(yīng)用于高薪技術(shù)產(chǎn)業(yè)。

很多人容易將MEMS和納米技術(shù)混為一談，事實上這是兩個截然不同卻有一定的共同點的領(lǐng)域，兩者都有不同于其他常規(guī)工程系統(tǒng)的設(shè)計理念。主要原因是與常規(guī)的機電系統(tǒng)相比，他們之間最根本的區(qū)別就是尺寸縮放的物理現(xiàn)象，簡單來說就是微尺寸裝置與常規(guī)尺寸裝置的主導(dǎo)力量是不同的。由于尺寸的減小，常規(guī)的機電系統(tǒng)可以忽略的作用力就會變成MEMS的主要作用力，比如靜電力[3]，而慣性力相比較之下就會顯得微不足道，因此僅靠縮小幾何尺寸而去制造出微尺寸的裝置是不現(xiàn)實的。

MEMS主要包括微執(zhí)行器，微型傳感器等，也可由獨立的微器件嵌入尺寸較大的系統(tǒng)中，這能夠使系統(tǒng)的可靠性、智能化及自動化水平得以提升。執(zhí)行器與傳感器的基本原理是能量轉(zhuǎn)換，在微小尺寸下主要是利用靜電感應(yīng)和電磁感應(yīng)原理進行開發(fā)的。靜電驅(qū)動器是最廣泛使用的微驅(qū)動器，有直線型和旋轉(zhuǎn)型兩種，對于平板電容驅(qū)動力為：

F=■

式中，？著為空氣的介電常數(shù)，A為平行板的正對面積，v為板間電壓，x為板間距。由這個公式的量綱可以發(fā)現(xiàn)，驅(qū)動力與幾何和運動學(xué)的縮放是無關(guān)的，事實上當(dāng)尺寸減小，大多數(shù)力會急劇衰減，相比較之下靜電力就會顯得很大。另一種廣泛使用的微驅(qū)動器則是電磁驅(qū)動器，電磁驅(qū)動在常規(guī)尺寸的驅(qū)動器中是很常見的，但在微型尺寸中卻存在很大的技術(shù)難題。主要是由于電流的縮放并不理想，當(dāng)將幾何尺寸縮小時，電磁驅(qū)動力會相應(yīng)的減小更高的倍數(shù)，因此電磁驅(qū)動存在著能耗大，制造困難的不足之處。除了上述的這兩種主要的微驅(qū)動器，還有壓電驅(qū)動器、形狀記憶合金驅(qū)動器、熱驅(qū)動器等。對于微傳感器，由于不需要傳輸功率，因此對力的縮放相對于微執(zhí)行器并不重要。微傳感器的重要指標(biāo)參數(shù)依然是線性度、分辨率、滯后和抗干擾性等。微傳感器已經(jīng)被成功且廣泛應(yīng)用于應(yīng)變測量、壓力測量、加速度測量以及角速度摘 要：文章主要介紹并分析了微機電系統(tǒng)在國內(nèi)外發(fā)展的現(xiàn)狀，重點對微機電系統(tǒng)的發(fā)展與運用進行了研究，突出圍繞在軍事領(lǐng)域的偵察、打擊行動中的應(yīng)用，在救援與醫(yī)療領(lǐng)域的探查和診斷、手術(shù)中的應(yīng)用，以及在航空航天領(lǐng)域的微型衛(wèi)星制造與發(fā)射中的應(yīng)用進行了分析，對認(rèn)識微機電系統(tǒng)的特點，發(fā)展相關(guān)技術(shù)和應(yīng)用具有一定的借鑒和參考。

關(guān)鍵詞：微機電系統(tǒng)；發(fā)展現(xiàn)狀；應(yīng)用展望測量等領(lǐng)域，相比于普通傳感器微傳感器具有極高的分辨率，無漂移和無滯后的特性。

1 MEMS國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

MEMS在軍事、航空航天、醫(yī)療、救援、環(huán)境監(jiān)控、建筑等幾乎是人類生活的方方面面都存在著巨大的應(yīng)用價值，在未來MEMS會充滿我們生活的每一個角落，由于MEMS所存在的巨大優(yōu)勢以及潛在的龐大市場，其研究越來越受到各國的重視。

美國是最早開始進行MEMS的國家，經(jīng)過幾十年的發(fā)展美國已經(jīng)占據(jù)了絕對領(lǐng)先的地位。美國的斯坦福大學(xué)在該領(lǐng)域的研究貢獻尤為突出，就在不久前，來自斯坦福大學(xué)的工程師就研制出以昆蟲和壁虎為原型，能夠以微小的自重拉動百倍于自身重量的物體的微型機器人。日本與德國也緊追美國的腳步，于20世紀(jì)90年代開始就將MEMS列為本國的重點研究項目，其中日本和美國掌握的專利技術(shù)最多，在微傳感器技術(shù)專利數(shù)量上領(lǐng)先的全球前10家公司中，就有5家是來自日本[4]。

我國對MEMS的研究起步較晚，但由于國家高度重視，也取得了很多成績。例如清華大學(xué)曾研制出世界最細(xì)超聲馬達(dá)以及并聯(lián)接觸式射頻微開關(guān)等，張大偉等基于MEMS的微型爬壁機器人自主控制系統(tǒng)設(shè)計[5]。雖然我國的研究取得了一些成果，但是與發(fā)達(dá)國家相比依然存在較大差距，且這種差距并不會在短期內(nèi)消失，因此我國的MEMS研究工作依然任重而道遠(yuǎn)。

2 MEMS的應(yīng)用與展望

MEMS在現(xiàn)階段的很多產(chǎn)品都有應(yīng)用，但是由于受到一些技術(shù)發(fā)展的限制，其應(yīng)用依然存在一些局限。未來MEMS的應(yīng)用將主要體現(xiàn)在以下的三個方面中。

2.1 軍事領(lǐng)域

基于MEMS開發(fā)的微型武器相比較與傳統(tǒng)武器具有小型、不易被發(fā)現(xiàn)和行動靈活的特點。可進行對敵方偵察甚至執(zhí)行攻擊任務(wù)，如蒼蠅般大小的微型飛行器搭載微型偵察設(shè)備，對敵方偵察的隱蔽性將大大提高；微型偵察衛(wèi)星、偵察雷達(dá)的可部署性和多點組網(wǎng)能力更強，偵察效能也將顯著提高。

2.2 救援與醫(yī)療領(lǐng)域

微型機械未來可在救援工作中發(fā)揮出極其重要的作用，尤其是在強震之后，微型機器人可以以龐大的數(shù)量及尺寸上的巨大優(yōu)勢，順利進入廢墟之中，為搜救工作提供寶貴的信息挽救更多人的生命。其在醫(yī)療領(lǐng)域中的應(yīng)用尤其讓人興奮，通過口服或注射，微型機器人可進入人體內(nèi)，對人體的健康進行實時的監(jiān)測，更重要的是利用微型機器人將徹底改變外科手術(shù)，實現(xiàn)外科手術(shù)微創(chuàng)、精準(zhǔn)的操作，這會大大降低手術(shù)的風(fēng)險縮短術(shù)后康復(fù)時間，例如美國卡內(nèi)基梅隆大學(xué)研制出一種適用于心臟手術(shù)的微型爬行機器人。

2.3 航空航天領(lǐng)域

MEMS在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用也極其廣泛。例如現(xiàn)在的衛(wèi)星發(fā)射成本極高，且一次的發(fā)射數(shù)量也很有限，因此航空航天領(lǐng)域的研究人員提出要制造微型衛(wèi)星，這可以使一次的衛(wèi)星發(fā)射數(shù)量達(dá)到一個相當(dāng)驚人的數(shù)量。早在20世紀(jì)90年代年就有人提出研制全硅衛(wèi)星，這可以使衛(wèi)星的重量縮小到千克級，成本大幅降低，密集分布式衛(wèi)星系統(tǒng)將成為現(xiàn)實。MEMS在飛行器上也有著廣泛的應(yīng)用，通過微傳感器在飛行器上的大量使用，可以對飛行環(huán)境和自身飛行狀況進行實時準(zhǔn)確的監(jiān)測，使飛行更加平穩(wěn)和安全。

微機電系統(tǒng)（MEMS）的發(fā)展還處在初期階段，很多的技術(shù)難題尚未解決，未來MEMS勢必將會成為各大國在科技領(lǐng)域一塊激烈的競技場。我國作為發(fā)展中的大國，應(yīng)抓住這個時機，大力開展MEMS的研發(fā)工作，這也有利于促進我國經(jīng)濟結(jié)構(gòu)與產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)型。尤其是如何將MEMS與3D打印技術(shù)相結(jié)合，這也必將會成為一個重要的研究課題。

參考文獻

[1]王多.MEMS發(fā)展應(yīng)用現(xiàn)狀[J].才智，2011，22：61.

[2]趙立敏.MEMS微驅(qū)動器的設(shè)計、工藝及應(yīng)用[D].西安電子科技大學(xué)，2014.

[3]田文超.電子封裝、微機電與微系統(tǒng)[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2012.

[4]谷雨.MEMS技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展前景[J].電子工業(yè)專用設(shè)備，2013（8）：1-8.

[5]張大偉，李振波，陳佳品.基于MEMS微型爬壁機器人自主控制系統(tǒng)設(shè)計[J].制造業(yè)自動化，2015，37（2）：5-8.

作者簡介：馮帆（1994-），女，江蘇省南京市，所在學(xué)校：南京農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，學(xué)歷：本科，研究方向：機械設(shè)計制造及其自動化。