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微机械系统的技术与 发展 第一部分 MEMS简介 1. MEMS简介 n MEMS(Micro Electromechanical System ， 即微电子机械系统)是指集微型传感器、执 行器以及信号处理和控制电路、接口电路、 通信和电源于一体的微型机电系统。概括 起来， MEMS具有以下几个基本特点，微 型化、智能化、多功能、高集成度和适于 大批量生产。 3. 概念 定义: 简单地说：应用微米(pm)与纳米(nm)加 工技术研制微小机械、电子元件及组建，并整合 为电子电路与微控制器，就称为微机电系统。 指可批量制作的，集微型机构、微型传感器、 微型执行器以及信号处理和控制电路、直至接口、 通信和电源等于一体的微型器件或系统。 4.大小尺寸 n 简单地说在0.1~1000pm都可以算微机电 系统，而细分可以分成两方面来讨论。 ¨尺寸精度：微机电系统本身在微米的范围内。 ¨运动精度：微机电系统能达到微米以内的运动 精度的机械。 n 微机电和其它尺寸的比较： n MEMS是随着半导体集成电路微细加工技术和超精密 机械加工技术的发展而发展起来的。 n MEMS发展的目标在于，通过微型化、集成化来探索 新原理、新功能的元件和系统，开辟一个新技术领域和产 业。 MEMS可以完成大尺寸机电系统所不能完成的任务， 也可嵌入大尺寸系统中，把自动化、智能化和可靠性水平 提高到一个新的水平。 n MEMS技术是一种典型的多学科交叉的前沿性研究领 域，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、物理学、化学、生物医学、材料科学、能源科 学等。 5.MEMS发展的目的 6.MEMS的特点： n 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。 n 2)以硅为主要材料，机械电器性能优良：硅的强 度、硬度和杨氏模量与铁相当，密度类似铝，热 传导率接近钼和钨。 n 3)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或完整的MEMS 。 批量生产可大大降低生产成本。 6、微机电的优点 n 就日常生活而言： n 超轻、薄、短、小具有高附加值； n 符合环保、省能源、省空间、省材料； n 产品都相当程度地缩小，人性化也是其优点之一。 n 就制造技术而言： n 微型化后对于需要高精度稳定度的机构中，能够利 用自身的微小化让精度有所提升。 n 应用微机电技术，可以将许多不同或相同的元件缩 小到一个微小区域。除了能将微机构一体成形外， 在功能性方面也会显著提升。 n 美国MIT、Berkeley、Stanford\AT&T的15名科学家在上 世纪八十年代末提出“小机器、大机遇：关于新兴领域—— 微动力学的报告”的国家建议书，声称“由于微系统在美国 的紧迫性，应在这样一个新的重要技术领域与其他国家的 竞争中走在前面”，建议中央财政预支费用为五年5000万 美元，得到美国领导机构重视，连续大力投资，并把航空 航天、信息和MEMS作为科技发展的三大重点。美国宇航 局投资1亿美元着手研制“发现号微型卫星”，美国国家科学 基金会把MEMS作为一个新崛起的研究领域制定了资助微 型电子机械系统的研究的计划，从1998年开始，资助MIT ， 加州大学等8所大学和贝尔实验室从事这一领域的研究与 开发，年资助额从100万、 200万加到1993年的500万美元。 1994年发布的《美国国防部技术计划》报告，把MEMS列 为关键技术项目。 n 美国国防部高级研究计划局积极领导和支持 MEMS的研究和军事应用，现已建成一条MEMS 标准工艺线以促进新型元件/装置的研究与开发。 美国工业主要致力于传感器、位移传感器、应变 仪和加速度表等传感器有关领域的研究。很多机 构参加了微型机械系统的研究，如康奈尔大学、 斯坦福大学、加州大学伯克利分校、密执安大学、 威斯康星大学、老伦兹得莫尔国家研究等。加州 大学伯克利传感器和执行器中心(BSAC)得到 国防部和十几家公司资助1500万元后，建立了 1115m2研究开发MEMS的超净实验室。 n 日本通产省1991年开始启动一项为期10年、 耗资250亿日元的微型大型研究计划，研制 两台样机，一台用于医疗、进入人体进行 诊断和微型手术，另一台用于工业，对飞 机发动机和原子能设备的微小裂纹实施维 修。该计划有筑波大学、东京工业大学、 东北大学、早稻田大学和富士通研究所等 几十家单位参加。 n 欧洲工业发达国家也相继对微型系统的研究开发进行了重 点投资，德国自1988年开始微加工十年计划项目，其科技 部于1990~1993年拨款4万马克支持“微系统计划”研究， 并把微系统列为本世纪初科技发展的重点，德国首