微机电系统概论-1.优秀PPT.ppt

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1、微机电系统 闪明才 主要内容1、微机电系统概论2、微机电系统功能材料3、微机械加工制造技术4、微机械执行器5、微机械传感器6、微机械弱信号检测与处理7、微机电系统设计技术8、微封装、微构件及微尺寸效应 参考书n莫锦秋 梁庆华等，微机电系统设计与制造，化学工业出版社，2004.3n刘广玉 樊尚春等，微机械电子系统及其应用，北京航空航天高校出版社，2003.2n（美）徐泰然著，王晓浩等译MEMS和微系统设计与制造，机械工业出版社，2004.1n梅涛 伍小平主编，微机电系统，化学工业出版社，2003.1n德W.Menz J.Mohr等著，王春海 于杰等译微系统技术，化学工业出版社，2003.9 第一

2、部分n 微机电系统概论n（微机电系统的起源、国内外发呈现状及应用）简 介n机械与机电系统；宏观机电系统与微机电系统机械与机电系统；宏观机电系统与微机电系统n微机电系统：微机电系统：n 它是以微传感器、微执行器以及驱动和限制电它是以微传感器、微执行器以及驱动和限制电路为基本元器件组成的、可以活动和限制的、路为基本元器件组成的、可以活动和限制的、机电合一的微机械装置。机电合一的微机械装置。n特点：特点：n 1、学科交叉（力学、机械、电学、光学、电、学科交叉（力学、机械、电学、光学、电磁学、生物、化学等学科）磁学、生物、化学等学科）2、微型化、集成化、微型化、集成化和智能化；和智能化；3、低成本批量

3、化；、低成本批量化；4、应用广泛、应用广泛（军民两用）（军民两用）5、高新技术。、高新技术。n微机电系统的相关术语：微机电系统的相关术语：n MEMS(Microelectromechanical Systems)（美国）（美国）n Micro Machine（日本）（日本）n Micro System Technology（欧洲）（欧洲）微机电系统的组成n微机械电子系统微机械电子系统(微机电系统微机电系统)的组成：的组成：n 一般可定义为由微米和纳米加工技术制作而一般可定义为由微米和纳米加工技术制作而成的，融机、电、光、磁以及其他相关技术群为成的，融机、电、光、磁以及其他相关技术群为一体的，

4、可以活动和限制的微工程系统。目前，一体的，可以活动和限制的微工程系统。目前，人们泛称其为人们泛称其为MEMSMEMS。它是以微传感器、微执行器。它是以微传感器、微执行器以及驱动和限制电路为基本元器件组成的、自动以及驱动和限制电路为基本元器件组成的、自动化性能高的、可以活动和限制的、机电合一的微化性能高的、可以活动和限制的、机电合一的微机械装置。机械装置。n 用它进行的操作是极其微细的，有的操作用它进行的操作是极其微细的，有的操作已经到了单个细胞乃至分子范筹；有的微型敏感已经到了单个细胞乃至分子范筹；有的微型敏感元件能敏感到单个原子，能进行原子量级的探测元件能敏感到单个原子，能进行原子量级的探测

5、。如此微小的工作状况，用肉眼是不能辨别的，。如此微小的工作状况，用肉眼是不能辨别的，必需借助显微术或专用仪器来视察和限制。必需借助显微术或专用仪器来视察和限制。微机电系统的发展状况n 微机械电子系统，即微机械技术，是20世纪80年头后期国际上兴起的一项高技术。它以集成电路技术、表面加工技术和纳米精加工技术为基础，具有极大的学科交叉性，微机电系统的设计与制造涉及到设计、材料、制造、测试、限制、能源以及连接等相关技术。与传统机械系统相比，除在尺度上很小外，它还是一种高度智能化和高度集成化的系统。微机电系统的探讨是制造技术上的一场革命，在21世纪的机械发展过程中将占有主导地位。微机械技术将是一项新兴

6、的产业，会优先在生物、医疗、航空、航天、电子产品、过程限制及测试技术等领域获得广泛的应用。集成电路技术的发展 半导体晶体管计算机 上世纪末的微型计算机芯片 国外的发呈现状（1）n美国美国n 国家科学基金、先进探讨支配、国防部等投国家科学基金、先进探讨支配、国防部等投资资1.41.4亿美元进行微机电系统技术探讨。在军方亿美元进行微机电系统技术探讨。在军方资助下，完成了微电子机械系统的军事应用资助下，完成了微电子机械系统的军事应用探讨报告。探讨报告。n主要探讨方向：主要探讨方向：n 精密制导武器、灵活武器、侦察通讯、破坏精密制导武器、灵活武器、侦察通讯、破坏敌方指挥系统及战斗力、研制微型卫星及纳米

7、敌方指挥系统及战斗力、研制微型卫星及纳米卫星等。卫星等。n主要好用化成果：主要好用化成果：n Park Park公司开发研制出用于扫描隧道显微镜公司开发研制出用于扫描隧道显微镜（STMSTM）和原子力显微镜（）和原子力显微镜（AFMAFM）的微型传感器；）的微型传感器；TexasTexas公司开发出用于彩色图像投影显示的数字公司开发出用于彩色图像投影显示的数字镜面器件（镜面器件（DMDDMD）；）；ADAD公司开发研制的加速度计，公司开发研制的加速度计，管芯尺寸为管芯尺寸为1.5mm*1.5mm1.5mm*1.5mm，量程达，量程达 50g 50g，灵敏，灵敏度为度为15mv/g15mv/g等

8、。等。国外的发呈现状（2）n欧共体欧共体n 成立了成立了NEXUS（多功能微系统探讨合作机构）（多功能微系统探讨合作机构）组织；德国制定了微机械系统技术支配（组织；德国制定了微机械系统技术支配（19901995投资共投资共40亿马克），亿马克），20世纪世纪80年头中年头中期发展了一种期发展了一种LIGA（深度同步辐射（深度同步辐射X射线光刻、射线光刻、电镀和模铸）工艺，深化了平面加工技术，实电镀和模铸）工艺，深化了平面加工技术，实现了高宽比大于现了高宽比大于200的三维立体结构的加工制的三维立体结构的加工制造，被加工材料也扩展为金属、塑料和陶瓷。造，被加工材料也扩展为金属、塑料和陶瓷。被公认

9、为是一种最有发展前景的超微细加工方被公认为是一种最有发展前景的超微细加工方法。法。n主要探讨机构和好用化成果主要探讨机构和好用化成果n Karlsruhe核探讨中心、微技术探讨所核探讨中心、微技术探讨所（IMM）、）、Microparts公司等。已开发研制出公司等。已开发研制出微传感器、微电机、微执行器、集成光学和微微传感器、微电机、微执行器、集成光学和微光学元件、微型流量计以及直径为数百微米的光学元件、微型流量计以及直径为数百微米的金属双联齿轮等。金属双联齿轮等。国外的发呈现状（3）n日本n 制定了纳米制造支配（19851990年）、埃技术支配（19922001年支配投资1.85亿美元）、微

10、机器人支配。支配生产两台微型机器人用于医学诊断（或微型手术）和飞机发动机（或原子能设备）的微小裂纹的修理诊断。现有MEMS探讨机构60余个（企业占23），1990年成立了微机械中心（MMC）和微机械学会（MST）。每年举办一次MEMS国际研讨会。n主要好用性成果n 利用电火花加工技术、IC技术和光成型技术加工出各种传感器和执行器，研制成功主要用于生物和医疗的微型机器人。有三本专著出版。国内的发呈现状n主要探讨机构主要探讨机构n 华北地区：清华高校、北京高校、中华北地区：清华高校、北京高校、中科院电子所、信息产业部科院电子所、信息产业部1313所、华北工所、华北工学院微米纳米技术探讨中心等。华东

11、地学院微米纳米技术探讨中心等。华东地区：中科院上海冶金所、上海交通高校、区：中科院上海冶金所、上海交通高校、复旦高校、东南高校、浙江高校、上海复旦高校、东南高校、浙江高校、上海高校、厦门高校等。东北地区：信息产高校、厦门高校等。东北地区：信息产业部业部4949所、哈尔滨工业高校、中科院长所、哈尔滨工业高校、中科院长春光机所、大连理工高校、沈阳仪器仪春光机所、大连理工高校、沈阳仪器仪表工艺探讨所等。西南地区：重庆高校、表工艺探讨所等。西南地区：重庆高校、信息产业部信息产业部2424所、所、2626所、所、4444所等。西北所等。西北地区：西安交通高校、航空地区：西安交通高校、航空618618所、

12、航天所、航天771771所、航天所、航天1616所等。所等。国内的主要探讨现状及成果n清华高校n 广泛开展了多种微型传感器(微加速度计、微陀螺、微磁场计、微压力传感器、微流量传感器、微麦克风等)、微泵、微阀、微喷、微毛细管电泳仪、微光开关、RF-MEMS器件、微光谱仪、DNA芯片等的探讨。其中，微加速度计和微泵正在准备生产；微毛细管电泳仪已经制成样机，可以用于药物分析和环境监测，具有广袤的市场前景，正在向市场化推动。n 清华高校于2000年6月放射成功进入700km太阳轨道的“航天清华一号”微小卫星，运行状况良好。其特点是质量轻(50kg)、体积小(0.07 )、研制周期短(约1年)、成本低、

13、功能密度高，体现了我国MEMS技术在微小卫星中的应用取得重大突破。北京高校微电子所n北京高校微电子所n 以IC加工生产线为基础，开展了体硅工艺和表面工艺探讨，已形成了较成熟的工艺技术，研制了硅微高加速度计、微化学传感器等，支配利用2年时间实现微型继电器、可调电容和微光学器件的小批量生产，已经得到环宇青岛公司的资金投入。信息产业部13所n 信息产业部13所n 已经建成体硅加工的小批量制造基地，研制了微加速度计、微陀螺、红外隧穿传感器、微光器件等，“十五支配”期间，他们将发展重点放在航空航天和信息技术领域，准备开发微小卫星、惯性组件、RFMEMS器件和光交换设备等。信息产业部49所n信息产业部49

14、所n 从20世纪80年头初就起先从事微传感器的相关探讨，主要制造不同规格的微压力传感器、气敏湿敏传感器、流量传感器等，并研制为武器装备配套的微加速度计中国科学院上海冶金所n中国科学院上海冶金所n 研制了微加速度计、微陀螺、微压力传感器、微红外传感器阵列、微光器件等多种MEMS器件，作为首席专家单位主持973项目“集成微光机电系统”探讨，并开展了微小卫星的探讨。沈阳仪器仪表探讨所n 沈阳仪表科学探讨院n（沈阳仪器仪表探讨所）n 生产的微硅压力传感器系列、双向静压过载微差压传感器系列，市场需求量较大，已形成小规模生产实力。信息产业部24所n信息产业部24所 重庆n 主要生产专用模拟集成电路，拥有各

15、种IC生产线，他们从“九五”起先与重庆高校合作进行MEMS的探讨，参与了微触觉传感器和生物芯片的生产。东南高校n东南高校n 东南高校和国际风险投资资金合作成立有E-life公司，主要开发生产有自主学问产权的DNA分析芯片及其相配套的平台。这种高密度的芯片将被用来建立人口基因档案，为公安等部门服务。n 该芯片及其平台在医院中可以代替传统的基因检测方法，具有速度快、成本低的优点。目前，E-life公司正在与医院进行联合探讨，可望形成较大的产值。n 东南高校还研制了硅微加速度计和陀螺等。中北高校（华北工学院）微米纳米技术探讨中心 主要从事微机械加速度计、微陀螺和微惯性测量组合的应用系统探讨，正在开展

16、军用和民用的惯性系统、新型的单兵作战系统以及道路、桥梁的监测系统等方面的探讨工作。浙江高校n浙江高校n 研制的纳米碳管、微透镜阵列、蛋白质生物芯片比较成熟，可望投入生产。另外他们也很重视设备的研制，可以向市场供应反应离子束蚀刻机、双元STM纳米检测仪。他们还研制了硅微加速度计、微陀螺、微真空计、微高度计等。重庆高校n重庆高校n 探讨了微加速度阵列、光压力传感器、触觉传感器、细胞流变学测量仪、微型光谱仪等。中国科学院电子所n中国科学院电子所n 开发了微气敏传感器、微波功率传感器、谐振式和真空微电子压力传感器、微pH传感器等。他们的另一个探讨重点是微生物传感器和微分析系统，正在探讨微芯片PCR扩增

17、仪、CE微型毛细管电泳仪、DNA微型检测仪等。中国科学院合肥智能机械探讨所n中国科学院合肥智能机械探讨所n 从1989年起就起先进行微机械加工技术探讨，以MEMS技术为主要实现手段，以研制生物医学、航天等领域的微型传感器与微型机器人系统为目标，探讨微传感器、微执行器与微系统。n 探讨了硅各向异性腐蚀工艺、电化学掺杂选择腐蚀工艺、硅硅静电键合工艺，研制了硅微力传感器、微结构气敏阵列传感器、集成化硅触觉阵列传感器、微型三维力传感器、表面微加工转速传感器、无线驱动体内微机器人等。n 目前正在研制爆炸物探测微阵列、微型六维力探针、柔性触觉传感器、能够进入人体肠胃进行检查的微机器人等微机电系统。哈尔滨工

18、业高校n主要探讨机构主要探讨机构n 航天学院航天学院MEMS中心、机器人探讨所中心、机器人探讨所MEMS探讨组、机电工程学院微机电探讨探讨组、机电工程学院微机电探讨室、机械制造及其自动化室、机械制造及其自动化MEMS探讨组等。探讨组等。微机电系统的特征n尺寸微小是微机电系统的基本特征尺寸微小是微机电系统的基本特征n 当尺寸小到微米或亚微米量级时，会产生当尺寸小到微米或亚微米量级时，会产生微尺寸效应。它的影响将反映到诸如结构材料、微尺寸效应。它的影响将反映到诸如结构材料、设计理论、制造方法、在微小范围内各种能量设计理论、制造方法、在微小范围内各种能量的相关作用及测量技术等很多方面。也就是说，的相

19、关作用及测量技术等很多方面。也就是说，工程上常用的尺寸缩放法不适用于由微尺寸元工程上常用的尺寸缩放法不适用于由微尺寸元器件组成的微装置；因而，传统的设计理论、器件组成的微装置；因而，传统的设计理论、方法及一些物理定律不能完全套用，很多理念方法及一些物理定律不能完全套用，很多理念须要更新和重新建立，必需从新的构思动身去须要更新和重新建立，必需从新的构思动身去探究微机械由于尺寸效应形成的一些特殊现象探究微机械由于尺寸效应形成的一些特殊现象和规律。和规律。微尺寸效应的影响n1 1、微尺寸效应对于元器件间的作用力的影响、微尺寸效应对于元器件间的作用力的影响n 随着尺寸的减小，与尺寸随着尺寸的减小，与尺

20、寸3 3次方成比例的次方成比例的像惯性力、体积力及电磁力等的作用将明显像惯性力、体积力及电磁力等的作用将明显减弱；而与尺寸减弱；而与尺寸2 2次方成比例的像粘性力、表次方成比例的像粘性力、表面力、静电力及摩擦力等的作用则明显增加，面力、静电力及摩擦力等的作用则明显增加，并成为影响微机械性能的主要因素。并成为影响微机械性能的主要因素。n 在微机械设计中，多利用静电力驱动。在微机械设计中，多利用静电力驱动。n 在微机械中，又由于表面积与体积之比在微机械中，又由于表面积与体积之比相对增大，使热传导的速度也相对增加。相对增大，使热传导的速度也相对增加。n 探讨微机械中的摩擦、磨损的特性与机探讨微机械中

21、的摩擦、磨损的特性与机理是该领域的主要课题之一。理是该领域的主要课题之一。n2 2、微尺寸效应对于元器件机械强度的影响、微尺寸效应对于元器件机械强度的影响n 随着元器件尺寸的减小，元器件材料内随着元器件尺寸的减小，元器件材料内部缺陷出现的可能性减小，因而元器件材料部缺陷出现的可能性减小，因而元器件材料的机械强度会增加。所以微型元器件的弹性的机械强度会增加。所以微型元器件的弹性模量、抗拉强度、疲惫强度及残余应力均与模量、抗拉强度、疲惫强度及残余应力均与大零件有所不同。大零件有所不同。n3 3、微尺寸效应对于元器件惯性和热容量的、微尺寸效应对于元器件惯性和热容量的影响影响n 由于微尺寸效应，导致微

22、机电系统的惯由于微尺寸效应，导致微机电系统的惯性小、热容量低，简洁获得高灵敏度和快速性小、热容量低，简洁获得高灵敏度和快速响应。响应。n4、微尺寸效应对于元器件信号检测的影响n 由于微尺寸效应，导致微机电系统的前端装置（如微传感器）的输出信号特别微小，传统的测量工具和仪器难以实现如此微弱信号的检测，必需创建新的测量设备。n5 5、微尺寸效应对于元器件设计方法的影响、微尺寸效应对于元器件设计方法的影响n 微机电系统尺度的缩小，集成化程度的提高微机电系统尺度的缩小，集成化程度的提高会导致工序增多，成本增高；所以应在试制前会导致工序增多，成本增高；所以应在试制前对整个微机电系统的器件、工艺及性能进行

23、模拟对整个微机电系统的器件、工艺及性能进行模拟分析，对各种参数进行优化，以保证微系统的设分析，对各种参数进行优化，以保证微系统的设计合理、正确，降低研制成本，缩短研制周期。计合理、正确，降低研制成本，缩短研制周期。明显，传统的设计方法明显，传统的设计方法(基本上为试凑法基本上为试凑法)巳难以巳难以满足上述新要求，必需寻求新的设计途径。满足上述新要求，必需寻求新的设计途径。n 其中最流行的设计方法就是微机电系统的计其中最流行的设计方法就是微机电系统的计算机协助设计算机协助设计(MEMS CAD)(MEMS CAD)。运用。运用MEMS CADMEMS CAD，除了，除了借鉴已有的机械借鉴已有的机

24、械CADCAD和电子工具外，还必需针对和电子工具外，还必需针对特定的微系统，开发专用的特定的微系统，开发专用的CADCAD建模软件。该探建模软件。该探讨方向有大量的工作要做。讨方向有大量的工作要做。微机电系统的材料n微机电系统常用材料微机电系统常用材料n 传统的机电系统，用得最多的是金属材料，传统的机电系统，用得最多的是金属材料，接受传统的机械制造工艺制作而成；而微机电接受传统的机械制造工艺制作而成；而微机电系统最常用的则是硅及其化合物材料。以及特系统最常用的则是硅及其化合物材料。以及特种合金、石英、塑料和陶瓷等。种合金、石英、塑料和陶瓷等。19821982年年K.E.PetersenK.E.

25、Petersen发表了一篇著名的论文发表了一篇著名的论文“硅作为硅作为机械材料机械材料”，引起了人们对硅的重新相识。，引起了人们对硅的重新相识。n硅及其合金材料的特点硅及其合金材料的特点n 硅是简洁获得的超纯无杂的低成本材料，硅是简洁获得的超纯无杂的低成本材料，有极好的机械特性和电学特性，特别适合制造有极好的机械特性和电学特性，特别适合制造微结构；微结构；n 便于利用集成电路便于利用集成电路(IC)(IC)工艺和微机械加工工艺和微机械加工工艺进行批量生产；工艺进行批量生产；n 硅微结构便于和微电子线路实现集成化。硅微结构便于和微电子线路实现集成化。微机电系统的制造技术n微机电系统制造的特点微机

26、电系统制造的特点n 由于微机电系统及器件多种多样，不仅和微由于微机电系统及器件多种多样，不仅和微电子之间有交联，还和外界其它物理量相互作电子之间有交联，还和外界其它物理量相互作用，并且为体型结构。因此，虽然集成电路制用，并且为体型结构。因此，虽然集成电路制造技术，包括版图设计、刻蚀工艺、薄膜工艺造技术，包括版图设计、刻蚀工艺、薄膜工艺以及模拟技术等已发展得较为成熟，能成功地以及模拟技术等已发展得较为成熟，能成功地用于微电子器件和集成电路的制作，但它不能用于微电子器件和集成电路的制作，但它不能完全满足微机电系统及其器件的制造要求。完全满足微机电系统及其器件的制造要求。n微机电系统专用制造方法微机

27、电系统专用制造方法n 体型加工技术、表面加工技术、体型加工技术、表面加工技术、LIGALIGA（深度（深度同步辐射同步辐射X X射线光刻、电镀和模铸）技术、构件射线光刻、电镀和模铸）技术、构件间的相互组装技术、键合及封装技术等。间的相互组装技术、键合及封装技术等。微机电系统的测量技术n由于微尺寸效应，导致微传感器、微执行器等由于微尺寸效应，导致微传感器、微执行器等的输出量衰减到微弱信号级的输出量衰减到微弱信号级n 如运动位移、振幅及形变小到亚微米和纳米如运动位移、振幅及形变小到亚微米和纳米量级。将它们变换成可供接收和处理的电信息量级。将它们变换成可供接收和处理的电信息时，相应的电压量小到微伏、

28、亚微伏乃至时，相应的电压量小到微伏、亚微伏乃至nVnV，电流量小到电流量小到nAnA，电容量小到，电容量小到(0.1(0.1.001)pF.001)pF。n为了把如此微弱的有用信号从强噪声背景下提为了把如此微弱的有用信号从强噪声背景下提取出来，从设计上考虑，必需遵循的原则是：取出来，从设计上考虑，必需遵循的原则是：n 设计合理的集成检测电路布局；设计合理的集成检测电路布局；n 检测电路必需与微机械装置检测电路必需与微机械装置(如微传感器如微传感器)尽量靠近，最好能与传感器实现单片集成或混尽量靠近，最好能与传感器实现单片集成或混合集成；合集成；n 尽量减短微系统的尺寸链。尽量减短微系统的尺寸链。

29、微机电系统功能元件测量仪器n扫描隧道显微镜（扫描隧道显微镜（STMSTM）工作原理）工作原理n 利用超细的金属纳米探针利用超细的金属纳米探针(纳米尖纳米尖)和被测和被测样件表面构成样件表面构成2 2个电极，当探针尖与样件表面个电极，当探针尖与样件表面特别接近特别接近(如如1nm)1nm)时，在探针与表面形成的电时，在探针与表面形成的电场作用下，将产生隧道电流效应，即电子会穿场作用下，将产生隧道电流效应，即电子会穿过二者之间的空隙从一个电极流向另一个电极。过二者之间的空隙从一个电极流向另一个电极。隧道电流的大小与空隙大小有关。当空隙增大隧道电流的大小与空隙大小有关。当空隙增大时，电流以指数形式衰

30、减，若空隙增大时，电流以指数形式衰减，若空隙增大0.1nm0.1nm，电流减小，电流减小1 1个数量级，灵敏度极高。测出探个数量级，灵敏度极高。测出探针在特别接近的被测样件表面上扫描产生的隧针在特别接近的被测样件表面上扫描产生的隧道电流变更，即可得知样件表面在道电流变更，即可得知样件表面在nmnm尺度内各尺度内各点位置的微细变更，即表面的三维空间形貌。点位置的微细变更，即表面的三维空间形貌。扫描显微术主要组成部份原子力显微镜（原子力显微镜（AFMAFM）工作原理）工作原理n在STM的基础上，现己发展了多种扫描探针的显微技术，以适应不同领域的须要。这些显微技术都是利用探针与样件的不同相互作用，探

31、测表面或界面在nm尺度上表现出来的微细变更。如原子力显微镜AFM，就是利用探针和被测表面之间微弱力的相互作用这一物理现象，对被测样件表面进行扫描测量，得知纳米形貌。AFM的探测力极其微弱，在 N之间，形成与被测表面稍微接触或接近于非接触(相互作用力仅为几nN)的模式。这种程度的接触模式是不会使样件表面产生形变和损伤的。AFM扫描测量结果示例用用AFMAFM扫描测量出的多晶硅芯片的表面粗糙度扫描测量出的多晶硅芯片的表面粗糙度微机电系统的应用 一、在航空航天方面的应用n微机电系统在飞行器的电子设备、飞行器设计及微微机电系统在飞行器的电子设备、飞行器设计及微小卫星等技术方面都有重要的应用。小卫星等技

32、术方面都有重要的应用。n 如图所示为机载分布式大气数据计算机，由如图所示为机载分布式大气数据计算机，由多功能微型大气数据探头、微型压力传感器以及多功能微型大气数据探头、微型压力传感器以及信号处理单元干脆组成，并封装在壳体内，形成信号处理单元干脆组成，并封装在壳体内，形成一个微机电系统。其工作原理是：多功能微型大一个微机电系统。其工作原理是：多功能微型大气数据探头把感受到的大气数据干脆输入相应的气数据探头把感受到的大气数据干脆输入相应的微传感器，并将其变换为电信号，再经信号处理微传感器，并将其变换为电信号，再经信号处理单元解算和补偿后，以总线信号方式供应应飞机单元解算和补偿后，以总线信号方式供应

33、应飞机上飞控、火控、导航及环境限制等各系统运用。上飞控、火控、导航及环境限制等各系统运用。n 与现在飞机上运用的常规型分别式大气数据与现在飞机上运用的常规型分别式大气数据计算机相比，其体积和质量下降计算机相比，其体积和质量下降1 12 2个数量级。个数量级。减轻质量和减小体积对于飞机和空间飞行器来减轻质量和减小体积对于飞机和空间飞行器来说是至关重要的。说是至关重要的。分布式大气数据计算机由微机电功能单元构造的机敏材料与结构n现代飞机和飞行器的结构更多地接受复合材料，已成为发展趋势。尤其引人注目的是，在复合材料内分布嵌入微机电系统功能单元(微传感器十微执行器十微电子线路)，便可得到期望的、程序可

34、控的材料和结构组态。这些材料和结构被称为机敏材料和机敏结构。这种机敏结构具有自我监测和检测的功能，能连续地对结构的应力、振动、声、加速度、气动阻力及结构完好性(或损伤)等多种状态实施监测和检测。例如若将能测量和限制气动涡流和扰动气流的MEMS单元分布嵌入飞机襟翼表面，使其成为主动柔性表面，便可对气流扰动或涡流形成主动抑制，就能明显地降低气动阻力。改善飞机飞行的机动性，参见下图。类似的主动活动表面也可用于转动直升飞机的桨叶、燃气轮机的叶片，以达到减振降噪，提高功效的目的。气动扰动限制的柔性襟翼昆虫微型侦察机n利用具有程序可控、动态可调的机敏材料和机敏结构继而可以研发活动机冀的微型侦察机。这种新型

35、飞机会像鸟儿一样翱翔，用活动机翼调整空气阻力，达到节约燃油、提高性能的目的。n预料将来，当有一只小鸟或蜜蜂一样的飞行物在你头上回旋时，你要留意，这或许是有人在监视你。微型飞行机器人 MFR-II。螺旋桨长约136mm，高约85mm。精工爱普生制造的FR-II微型飞行机器人，该机器人为接受螺旋桨的直升飞机，可自动限制姿态、按事先指定的路途飞行。FR-II通过市场上销售的锂离子电池驱动。通过接受精工爱普生的陀螺仪“XV-3500CB”等，机身（不包括电池）的重量减轻了0.3g，仅为8.6g。包括电池在内，全部重量为12.3g。微型无人机微小型卫星技术n 微小型卫星质量的划分n 微小型卫星的质量通常

36、为100500kg左右，微型卫星的质量通常为10100kg左右，而纳米卫星的质量通常小于10kg，皮卫星的质量通常小于1kg。n微小型卫星的特点n 体积小、质量轻、制造和放射成本低、效费比高、生产周期短、适合于批量生产，平安性高，性能单一，运用敏捷，布设成局部星团或分布式星座，可替代大型卫星实现对地球上随意一点的连续覆盖和监视。哈工大试验卫星一号 试验卫星一号重204 公斤n微机电系统对发展微小卫星的促进作用微机电系统对发展微小卫星的促进作用n 应用微机电系统可以使微小卫星的质量降至应用微机电系统可以使微小卫星的质量降至10kg10kg以下。不久的将来，含有多种微传感器、微以下。不久的将来，含

37、有多种微传感器、微处理器、天线、微型火箭及微限制器等在内的集处理器、天线、微型火箭及微限制器等在内的集合体，将会用微米和纳米制造技术把它们制作在合体，将会用微米和纳米制造技术把它们制作在同一块硅基片上，成为单片微小卫星。这些微小同一块硅基片上，成为单片微小卫星。这些微小卫星放射上天后，形成星团卫星放射上天后，形成星团(或称浮动层或称浮动层)。这个。这个星团就是分布在确定轨道上的微小卫星结构体系，星团就是分布在确定轨道上的微小卫星结构体系，可以保证在任何时刻对地球上的覆盖区进行监视。可以保证在任何时刻对地球上的覆盖区进行监视。纳星一号重量小于25 公斤我国已相继成功放射了我国已相继成功放射了“实

38、践五号实践五号”、“海洋一号海洋一号”、“创创新一号新一号”、“清华一号清华一号”等多颗不同质量、不同用途的小卫等多颗不同质量、不同用途的小卫星，星，微机电系统与微小卫星技术n纳型卫星是基于微电子技术、微机电技术、微光电技术等微米/纳米技术而发展起来的新型微小卫星。纳卫星质量轻，有的仅重几公斤，卫星的一体化设计和集成度更高，是当前国际航天技术发展的重要方向之一，体现了航天器微小化的发展趋势。n目前世界上只有俄罗斯、美国、英国等国家相继成功放射了纳型卫星。“纳星一号”的放射成功，标记着我国成为成功进入这一领域的少数国家之一。微型人造卫星核心元器件n美国新墨西哥州的Los Alamos Natio

39、nal Laboratory 正探讨制造长约3英时,重半盎司的微型人造卫星核心元器件,并将应用于数以百计的微型人造卫星中，放射到太空去。n微型人造卫星易于制造，不易受太空的磁场干扰，由于每一微型人造卫星只负责一类工作，耗电量低，易于限制，并可利用太阳能发电。XCG100/250低功耗微机械陀螺仪传感器系统nXCG100/250(低功耗陀螺仪)在一个小的PC板上供应一个MEMS（微电子机械系统）单轴角速率传感器。该传感器是一个完整的单元，仅仅要求直流电压输入来测量角速率。XCG100/250适合用于嵌入式应用，安装敏捷。n指标：标准输入范围:100/sec and 250/sec 输入电压:+5

40、VDC带宽：50Hz输出噪音：0.005/sec/(100/sec 角速率范围)操作温度：-40C 到+85C n应用：引导限制系统 短时期导航 姿态参考系统 机器人 n 机车仪器 微型陀螺仪微型内燃机n美国加州高校的科学家成功研制了一台，世界最小的内燃机，希望代替目前在手提电脑或其他电子产品运用的电池。这台内燃机只有一便士硬币大小，但可以持续供应能源，供应电子产品（如流淌电话、手提电脑和机械人）运用，甚至可以供应士兵携带的装备所须要的能源。微型发动机压电微电机二、在信息科学方面的应用微操作夹持器n现代的机电产品的微型化带来了深刻的技术革命，手提电话、计算器、精密手表零件的组装面临着新的挑战。

41、传统的手工装配方法对操作者的技术、劳动强度都有很高的要求，而且工作效率很低，操作工人的培育往往须要较长的时间。微操作机器人系统接受特地设计的工具、定位装置、照明装置和便于操作者操作的遥控作业系统，可以便利地装配和操作微机械零件。三轴加速度计n三轴加速度计结合三个直交相像的电容加速度计，电容加速度计带有防潮、低阻抗，可用于商业和工业环境中测量加速度值。其内部每一个加速度计都包含有微型密封、微机械的电容传感单元和一个一般集成放大器，电镀铝制外壳接受环氧密封技术，该外壳可以很便利的用#8（M4）螺丝钉安装。加速度传感器n微机械结构，微型尺寸，可以干脆焊接在PCB版上。可以测量重力加速度，可以测量动态

42、冲击加速度，也可以应用加速度传感器来集成倾角处理系统，测试速度和振动。内置放大和过滤器，抗冲击达5000g，供电范围宽：2.7-24V，IP66防护。量程从1g到100g。n可应用在限制手柄振动和摇摆，仪器仪表，汽车制动启动检测，地震检测，报警系统，环境监视，工程测振、地质勘探、铁路、桥梁、大坝的振动测试与分析；高层建筑结构动态特性和平安保卫振动侦察上。硅微压力传感器n微机械最早和最成功的产品是微型压力传感器。微机械最早和最成功的产品是微型压力传感器。n压阻式微型压力传感器压阻式微型压力传感器n 这种传感器的敏感元器件是厚这种传感器的敏感元器件是厚1010一一2525微米的硅微米的硅膜片。膜片

43、在压力作用下发生偏转，通过偏转大膜片。膜片在压力作用下发生偏转，通过偏转大小的变更来传感压力的变更。膜片的偏转导致电小的变更来传感压力的变更。膜片的偏转导致电阻变更，由微电路检测出这种电阻变更，即可测阻变更，由微电路检测出这种电阻变更，即可测出压力变更。出压力变更。n电容式微型压力传感器电容式微型压力传感器n 若把膜片制成电容器的一块芯极板，则当压力若把膜片制成电容器的一块芯极板，则当压力变更引起膜片偏转时，电容器两块电极板之间的变更引起膜片偏转时，电容器两块电极板之间的距离就会发生变更，导致电容值变更，用电路检距离就会发生变更，导致电容值变更，用电路检测出电容值的变更，即可测出压力变更。测出

44、电容值的变更，即可测出压力变更。n压阻式传感器运用的压力较低、工作稳定性较好、压阻式传感器运用的压力较低、工作稳定性较好、制造较简易，是主要发展产品。制造较简易，是主要发展产品。单晶硅压力传感器芯体n接受单晶硅材料，硅微机械加工精制而成,无P-N节效应，可做100:1的量程迁移,工作温度可达160,温度系数小，且温度影响为线性,无机械传动部件，动态频响高，抗振动和冲击.XW-810微型惯性测量单元nXW-810XW-810（可升级微型紧（可升级微型紧密组合系统）组合了密组合系统）组合了3-3-轴轴MEMSMEMS陀螺仪，陀螺仪，3-3-轴轴MEMSMEMS加速度计，加速度计，3-3-轴磁轴磁阻

45、传感器和阻传感器和1212通道载波通道载波相位的相位的GPSGPS接收机。该系接收机。该系统是星网迅达科技发展统是星网迅达科技发展有限公司的专利技术产有限公司的专利技术产品。品。XW-810XW-810的机械尺寸的机械尺寸小小12.5cm3(8in3)12.5cm3(8in3)。n 左图是丰田公司的探讨人员和东北高校合作开发的另一种压力传感器。该传感器为体型硅加工的电容器件，由硅与玻璃基片键合而成，并集成了CMOS电路。该器件具有一个2平方毫米的振动膜，远大于以前的器件，测量范围是0Pa20Pa，并具有高过载爱护功能。该器件与一个数字电子芯片集成用于补偿和数字信号输出。n利用同样的原理和结构还

46、可以制作电容加速度传感器，可用于汽车平安气囊和主动悬挂限制。微惯性传感器n汽车中气囊绽开系统的操作是汽车在严峻碰撞中产生的冲击被惯性传感器“感知”，（该惯性传感器接受的是微加速度计原理），传感器产生适当的信号给制动器，使气囊打开，以爱护驾驶员和乘客免受严峻损害。n传感器包括两个微加速度计，被安装在汽车的底盘上。右边的加速度计测量水平方向的制动。汽车气囊绽开系统智能惯性传感器微齿轮图示是一个比蚂蚁头的尺寸还要小得多的齿轮和运用陶瓷制造的双层齿轮。齿轮的齿距在100微米量级。这两种齿轮都是利用LIGA工艺制造的。微 马 达n图为静电驱动的微马达。全部三个部件转子（中心齿轮）、定子以及扭矩传递齿轮都

47、是用镍制造的。锯齿形的转子直径700微米，与一个直径250微米的齿轮啮合，后者传递马达产生的扭矩。转子和轴之间的间隙以及转子和定子之间的间隙都是4微米，装置的高度是120微米。微 涡 轮n微涡轮用以产生动力，涡轮是用镍制造。转子直径130微米，转子和轴之间的间隙5微米，涡轮高度150微米，整个装置的材料用镍制造。最大转速可达150000r/min。微 透 镜n左图中每一个透镜的直径都是150微米，这些透镜组成微物镜，可以使内窥镜的光学辨别率提高到3微米。这些透镜还可以被应用在复印机、光学扫描仪及打印机上。右图是这些透镜组成的用于神经外科的微物镜。叠层式密封2-DMEMS光开关模块 n基于MEM

48、S（微型机电系统）技术的光开关，利用做在硅片上的微型可动镜子来操纵通过光导纤维网络交叉点的光束。n基于MEMS的光开关的应用，可以从小型的光交叉连接（见图）直到能够传导成千上万光信号的大型交叉连接。与传统的开关不同，它必需能够识别通过它的每一组、每一单元或每一帧的数据。纯粹的光开关与数据的速率和格式无关，因此，它们适用于网络的全部环节，所以，它们事实上是将来的发展方向。三、在生命科学方面的应用n微传感器、微执行器及微系统在生物医学和工程方面的应用加速疾病的预防、诊断及治疗都有重要作用。主要应用场合：1、腔内压力监侧；2、微型手术；3、生物芯片；4、细胞操作；5、仿生器件等。n图所示为用于颅内压

49、力监测的微系统。它由微型压力传感图所示为用于颅内压力监测的微系统。它由微型压力传感器器(如硅电容式压力微传感器如硅电容式压力微传感器)和遥测单元组成。植入颅和遥测单元组成。植入颅内腔的压力微传感器可以实时监测颅内病灶部位的压力内腔的压力微传感器可以实时监测颅内病灶部位的压力变更，如脑出血时压力会增高。微型压力传感器实时检变更，如脑出血时压力会增高。微型压力传感器实时检测信息，经内导线传给遥测单元输出，供医生做出正确测信息，经内导线传给遥测单元输出，供医生做出正确推断，以便确定适宜的治疗方案。推断，以便确定适宜的治疗方案。单片夹持驱动器固定和测试细胞n随着生物工程的发展,要求能随意捕获和释放单一

50、游离细胞，或向细胞内注入和拾取某一成分，同时还能测定和记录细胞生物电参数。游离细胞捕获仪就是为此目的而研制的，对只有几微米的细胞来说，关键动作是接近细胞时的精微小调，要求分辩率达几十纳米，微驱动机器人具有高定位精度和精细操作实力，适于完成上述操作。微型内窥镜n最新型的最新型的M2AM2A微型内窥镜，微型内窥镜，也叫也叫“装在药丸里的相机装在药丸里的相机”。n用用M2AM2A微型内窥镜做检查不微型内窥镜做检查不会给病人带来苦痛，还可以会给病人带来苦痛，还可以帮助医生望见人体长达帮助医生望见人体长达2121英英尺的小肠内发生的病变，如尺的小肠内发生的病变，如不明显的内出血、侵扰胃肠不明显的内出血、