微機電系統的發展與應用

摘 要：文章主要介紹并分析了微機電系統在國內外發展的現狀，重點對微機電系統的發展與運用進行了研究，突出圍繞在軍事領域的偵察、打擊行動中的應用，在救援與醫療領域的探查和診斷、手術中的應用，以及在航空航天領域的微型衛星制造與發射中的應用進行了分析，對認識微機電系統的特點，發展相關技術和應用具有一定的借鑒和參考。

關鍵詞：微機電系統；發展現狀；應用展望

微機電系統（MEMS，Micro-Electro-Mechanical System）的產生最早可追溯到上世紀70年代美國斯坦福大學所開發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，這標志著其研究的真正開始[1]。MEMS得益于微電子學制造的飛速發展，它將普通芯片的電氣特性和機械可動結構這兩種特性相結合，具有微型化、能耗低、靈敏度高等優異的性能特點，同時還適合批量生產降低了生產成本[2]，MEMS現被廣泛應用于高薪技術產業。

很多人容易將MEMS和納米技術混為一談，事實上這是兩個截然不同卻有一定的共同點的領域，兩者都有不同于其他常規工程系統的設計理念。主要原因是與常規的機電系統相比，他們之間最根本的區別就是尺寸縮放的物理現象，簡單來說就是微尺寸裝置與常規尺寸裝置的主導力量是不同的。由于尺寸的減小，常規的機電系統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實的。

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

F=■

式中，？著為空氣的介電常數，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現，驅動力與幾何和運動學的縮放是無關的，事實上當尺寸減小，大多數力會急劇衰減，相比較之下靜電力就會顯得很大。另一種廣泛使用的微驅動器則是電磁驅動器，電磁驅動在常規尺寸的驅動器中是很常見的，但在微型尺寸中卻存在很大的技術難題。主要是由于電流的縮放并不理想，當將幾何尺寸縮小時，電磁驅動力會相應的減小更高的倍數，因此電磁驅動存在著能耗大，制造困難的不足之處。除了上述的這兩種主要的微驅動器，還有壓電驅動器、形狀記憶合金驅動器、熱驅動器等。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行器并不重要。微傳感器的重要指標參數依然是線性度、分辨率、滯后和抗干擾性等。微傳感器已經被成功且廣泛應用于應變測量、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在國內外發展的現狀，重點對微機電系統的發展與運用進行了研究，突出圍繞在軍事領域的偵察、打擊行動中的應用，在救援與醫療領域的探查和診斷、手術中的應用，以及在航空航天領域的微型衛星制造與發射中的應用進行了分析，對認識微機電系統的特點，發展相關技術和應用具有一定的借鑒和參考。

關鍵詞：微機電系統；發展現狀；應用展望測量等領域，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國內外發展現狀

MEMS在軍事、航空航天、醫療、救援、環境監控、建筑等幾乎是人類生活的方方面面都存在著巨大的應用價值，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，經過幾十年的發展美國已經占據了絕對領先的地位。美國的斯坦福大學在該領域的研究貢獻尤為突出，就在不久前，來自斯坦福大學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最多，在微傳感器技術專利數量上領先的全球前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。例如清華大學曾研制出世界最細超聲馬達以及并聯接觸式射頻微開關等，張大偉等基于MEMS的微型爬壁機器人自主控制系統設計[5]。雖然我國的研究取得了一些成果，但是與發達國家相比依然存在較大差距，且這種差距并不會在短期內消失，因此我國的MEMS研究工作依然任重而道遠。

2 MEMS的應用與展望

MEMS在現階段的很多產品都有應用，但是由于受到一些技術發展的限制，其應用依然存在一些局限。未來MEMS的應用將主要體現在以下的三個方面中。

2.1 軍事領域

基于MEMS開發的微型武器相比較與傳統武器具有小型、不易被發現和行動靈活的特點。可進行對敵方偵察甚至執行攻擊任務，如蒼蠅般大小的微型飛行器搭載微型偵察設備，對敵方偵察的隱蔽性將大大提高；微型偵察衛星、偵察雷達的可部署性和多點組網能力更強，偵察效能也將顯著提高。

2.2 救援與醫療領域

微型機械未來可在救援工作中發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量及尺寸上的巨大優勢，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。其在醫療領域中的應用尤其讓人興奮，通過口服或注射，微型機器人可進入人體內，對人體的健康進行實時的監測，更重要的是利用微型機器人將徹底改變外科手術，實現外科手術微創、精準的操作，這會大大降低手術的風險縮短術后康復時間，例如美國卡內基梅隆大學研制出一種適用于心臟手術的微型爬行機器人。

2.3 航空航天領域

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

微機電系統（MEMS）的發展還處在初期階段，很多的技術難題尚未解決，未來MEMS勢必將會成為各大國在科技領域一塊激烈的競技場。我國作為發展中的大國，應抓住這個時機，大力開展MEMS的研發工作，這也有利于促進我國經濟結構與產業結構的轉型。尤其是如何將MEMS與3D打印技術相結合，這也必將會成為一個重要的研究課題。

參考文獻

[1]王多.MEMS發展應用現狀[J].才智，2011，22：61.

[2]趙立敏.MEMS微驅動器的設計、工藝及應用[D].西安電子科技大學，2014.

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

[4]谷雨.MEMS技術現狀與發展前景[J].電子工業專用設備，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設計[J].制造業自動化，2015，37（2）：5-8.

作者簡介：馮帆（1994-），女，江蘇省南京市，所在學校：南京農業大學工學院，學歷：本科，研究方向：機械設計制造及其自動化。