微機(jī)電系統(tǒng)科學(xué)與技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

薛淞元

摘要：微機(jī)電系統(tǒng)是一種將微電子技術(shù)與機(jī)械工程有機(jī)結(jié)合在一起的工業(yè)技術(shù)，其能夠在微米范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)操作。本文簡(jiǎn)要介紹了微機(jī)電系統(tǒng)內(nèi)涵及其分類，結(jié)合當(dāng)前最新研究動(dòng)態(tài)，展望了微機(jī)電系統(tǒng)科學(xué)與技術(shù)的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)，旨在為相關(guān)研究與實(shí)踐提供參考。

關(guān)鍵詞：微機(jī)電系統(tǒng);機(jī)電結(jié)合;發(fā)展趨勢(shì)

中圖分類號(hào)：TH16 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2018）11-0211-01

0 前言

近年來(lái)，微機(jī)電系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱為MEMS）逐漸開(kāi)辟出全新的產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域，相較于傳統(tǒng)傳感器來(lái)說(shuō)，MEMS有著眾多優(yōu)點(diǎn)，因此在航空航天、環(huán)境監(jiān)控、生物醫(yī)學(xué)等各個(gè)領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用。MEMS實(shí)質(zhì)上是微電子技術(shù)的拓展和延伸，實(shí)現(xiàn)了微電子技術(shù)與精密機(jī)械加工技術(shù)的有機(jī)融合，作為全新的技術(shù)領(lǐng)域，MEMS展現(xiàn)出強(qiáng)大的生命力和應(yīng)用潛力，本文即對(duì)MEMS科學(xué)與技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行簡(jiǎn)要分析。

1 微機(jī)電系統(tǒng)內(nèi)涵

MEMS指的是尺寸在幾毫米甚至更小的一種高科技裝置，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)一般在微米級(jí)，甚至更小，MEMS是一種獨(dú)立的智能系統(tǒng)，主要由三部分組成，分別是傳感器、執(zhí)行器和微能源。

相較于傳統(tǒng)傳感器來(lái)說(shuō)，MEMS有著無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)，具體來(lái)說(shuō)體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

第一，微型化。MEMS器件體積較小，且重量較輕，在日常工作的過(guò)程中，能耗較低，慣性較小，且有著十分快速的響應(yīng)速度。

第二，性能優(yōu)良。MEMS的器件以硅為主要原料，硅的強(qiáng)度、硬度與鐵相當(dāng)，密度與鋁相當(dāng)，且熱傳導(dǎo)效率較高，綜合性能十分優(yōu)良。

第三，能夠批量生產(chǎn)。以硅微加工工藝為基礎(chǔ)，能夠在一片硅片上同時(shí)制造成百上千個(gè)微型機(jī)電裝置，甚至可以制造完整的MEMS，這就解決了傳統(tǒng)工藝不能大批量生產(chǎn)的問(wèn)題，大大降低了制造成本，實(shí)現(xiàn)規(guī)模效益[1]。

第四，集成化。MEMS能夠集多重功能和不同敏感方向的傳感器或執(zhí)行器于一體，甚至能夠繼承多種功能的器件，由此形成功能復(fù)雜的微系統(tǒng)，這大大提升了MEMS的穩(wěn)定性與可靠性。

2 微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)分類

2.1 傳感MEMS技術(shù)

傳感MEMS是一種利用微電子微機(jī)械加工出來(lái)的具有傳感功能的器件和系統(tǒng)，通過(guò)電容、電阻、隧道電流等敏感元件能夠感知轉(zhuǎn)換電信號(hào)。傳感MEMS的種類繁多，根據(jù)其功能，主要包括微型加速度傳感器、面陣觸覺(jué)傳感器、壓力傳感器等。傳感器是人們認(rèn)知和探索世界的“觸角”，因此傳感MEMS在未來(lái)的應(yīng)用前景十分廣闊[2]。

2.2 生物MEMS技術(shù)

生物MEMS技術(shù)指的是利用MEMS技術(shù)制造生物微型分析或檢測(cè)儀器，其能夠?qū)鹘y(tǒng)實(shí)驗(yàn)室功能集成在一個(gè)芯片或一種儀器上，有著智能化程度高、成本低廉、使用方便等優(yōu)點(diǎn)。生物MEMS能夠獲取大量信息，相較于傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室分析方法來(lái)說(shuō)，其分析效率更高，其能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)通信。在國(guó)際上，生物MEMS已經(jīng)成為了熱點(diǎn)研究領(lǐng)域。

2.3 光學(xué)MEMS技術(shù)

近年來(lái)，光通信技術(shù)、信息技術(shù)不斷發(fā)展，MEMS與光學(xué)之間的結(jié)合越來(lái)越緊密，即將微電子技術(shù)、微機(jī)械技術(shù)與光電子技術(shù)結(jié)合在一起，開(kāi)發(fā)出更為先進(jìn)的微光機(jī)電系統(tǒng)[3]。這種微光機(jī)電系統(tǒng)能夠?qū)EMS結(jié)構(gòu)件與各種光學(xué)器件集成在一起，由此形成功能更為全面的系統(tǒng)。如基于微光機(jī)電系統(tǒng)的新型投影設(shè)備、光通信器件等等。

2.4 射頻MEMS技術(shù)

一般來(lái)說(shuō)，射頻MEMS技術(shù)大體可劃分為兩類，一類是固定射頻MEMS器件，如濾波器、耦合器等，另一類是可移動(dòng)的MEMS器件，如微機(jī)械開(kāi)關(guān)、可變電容等。

3 微機(jī)電系統(tǒng)科學(xué)與技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

3.1 新的應(yīng)用領(lǐng)域

3.1.1 微型機(jī)器人

微型機(jī)器人一直是科學(xué)領(lǐng)域的熱點(diǎn)研究方向，實(shí)質(zhì)上，微型機(jī)器人就是一個(gè)微型系統(tǒng)，在桌面大小的地方，就可以完成組裝，如微型硬盤、微型驅(qū)動(dòng)器等高精密設(shè)備。這種微型機(jī)器人在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用前景十分廣闊，其不僅價(jià)格低廉，同時(shí)能夠大規(guī)模的使用，即便是危險(xiǎn)地區(qū)，也可以完成偵查、排雷及生化武器探測(cè)等一系列工作，對(duì)于減少士兵勞作和傷亡有著積極的意義。除了在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用外，微型飛行器還可以在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域上應(yīng)用，通過(guò)微型飛行器感知害蟲(chóng)種類和數(shù)量，針對(duì)性制定滅殺策略，還可感知農(nóng)作物的濕度、溫度等，給農(nóng)作物管理提供依據(jù)。

3.1.2 微型動(dòng)力系統(tǒng)

微型動(dòng)力系統(tǒng)的核心在于有效能源的輸出，從體積很小的系統(tǒng)中輸出很大的能量。能源問(wèn)題是關(guān)系到人類社會(huì)長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展的重要問(wèn)題，石油、天然氣等都是地球的不可再生能源，而當(dāng)前市場(chǎng)上一些小型機(jī)動(dòng)車耗費(fèi)資源是比較大的，微型動(dòng)力系統(tǒng)的研發(fā)則能夠有效解決這個(gè)問(wèn)題，發(fā)揮其替代作用，多余的空間可以設(shè)計(jì)座位，大大提高了利用效率。

3.1.3 大腦調(diào)制解調(diào)器

在通信技術(shù)不斷發(fā)展的背景下，微型化與大批量生產(chǎn)成為光通信領(lǐng)域的重點(diǎn)研究方向。微型光機(jī)電系統(tǒng)則能夠有效解決這一問(wèn)題，這也使得其成為MEMS領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。就目前來(lái)看，一種高帶寬神經(jīng)接口的研究逐漸受到關(guān)注，其能夠讓人類大腦與外部電子設(shè)備相連接，由此實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的交換，這一創(chuàng)新技術(shù)正被研發(fā)，實(shí)質(zhì)上就是人通過(guò)大腦來(lái)對(duì)機(jī)器進(jìn)行控制，即大腦調(diào)制解調(diào)器。

3.2 方便擴(kuò)展

MEMS技術(shù)采用的是模塊化設(shè)計(jì)方式，對(duì)于運(yùn)營(yíng)商來(lái)說(shuō)，如果想要增加系統(tǒng)的額外容量，只需要直接增加器件或系統(tǒng)的數(shù)量就能夠達(dá)到目的，不需要預(yù)先對(duì)所需要的數(shù)量進(jìn)行計(jì)算，其擴(kuò)展十分方便。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，微機(jī)電系統(tǒng)的發(fā)展前景優(yōu)良，應(yīng)用也越來(lái)越廣泛，在電子領(lǐng)域、軍事領(lǐng)域中，其應(yīng)用已經(jīng)比較成熟，而在工農(nóng)業(yè)、醫(yī)療行業(yè)、交通行業(yè)等方面的應(yīng)用也越來(lái)越受到關(guān)注。本文即展望了微機(jī)電系統(tǒng)的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)和方向，相信我們未來(lái)的世界，微機(jī)電系統(tǒng)會(huì)進(jìn)一步發(fā)展，從而讓世界更加節(jié)能、高效和環(huán)保。

參考文獻(xiàn)

[1]畢研偉，潘力.微機(jī)電系統(tǒng)在智能服裝領(lǐng)域的研究與展望[J].服裝學(xué)報(bào)，2018，3（04）：308-313.

[2]羅凡，馮飛，趙斌，田博文，楊雪蕾，周海梅，李昕欣.基于微機(jī)電系統(tǒng)的微型氣相色譜柱研究進(jìn)展[J].色譜，2018，36（08）：707-715.

[3]李雪梅，王春玲.微機(jī)電系統(tǒng)的未來(lái)趨勢(shì)[J].科教文匯（下旬刊），2016（04）：186-187.

Development Trend of Micro-electromechanical System Science and Technology

XUE Song-yuan

（No. 1 Middle School， Huantai County， Shandong Province，Zibo Shandong? 256400）

Abstract：Micro-electromechanical system is an industrial technology which combines micro-electronics technology with mechanical engineering. It can operate in the micron range. This paper briefly introduces the connotation and classification of micro-electro-mechanical systems， and looks forward to the future development trend of science and technology of micro-electro-mechanical systems in the light of the latest research trends， in order to provide reference for relevant research and practice.

Key words：micro-electromechanical system; electromechanical integration; development trend