微机电系统的发展与应用

摘 要：文章主要介绍并分析了微机电系统在国内外发展的现状，重点对微机电系统的发展与运用进行了研究，突出围绕在军事领域的侦察、打击行动中的应用，在救援与医疗领域的探查和诊断、手术中的应用，以及在航空航天领域的微型卫星制造与发射中的应用进行了分析，对认识微机电系统的特点，发展相关技术和应用具有一定的借鉴和参考。

关键词：微机电系统；发展现状；应用展望

微机电系统（MEMS，Micro-Electro-Mechanical System）的产生最早可追溯到上世纪70年代美国斯坦福大学所开发的硅微加工的气象色谱仪。而MEMS这个概念则是在80年代末被首次正式提出，这标志着其研究的真正开始[1]。MEMS得益于微电子学制造的飞速发展，它将普通芯片的电气特性和机械可动结构这两种特性相结合，具有微型化、能耗低、灵敏度高等优异的性能特点，同时还适合批量生产降低了生产成本[2]，MEMS现被广泛应用于高薪技术产业。

很多人容易将MEMS和纳米技术混为一谈，事实上这是两个截然不同却有一定的共同点的领域，两者都有不同于其他常规工程系统的设计理念。主要原因是与常规的机电系统相比，他们之间最根本的区别就是尺寸缩放的物理现象，简单来说就是微尺寸装置与常规尺寸装置的主导力量是不同的。由于尺寸的减小，常规的机电系统可以忽略的作用力就会变成MEMS的主要作用力，比如静电力[3]，而惯性力相比较之下就会显得微不足道，因此仅靠缩小几何尺寸而去制造出微尺寸的装置是不现实的。

MEMS主要包括微执行器，微型传感器等，也可由独立的微器件嵌入尺寸较大的系统中，这能够使系统的可靠性、智能化及自动化水平得以提升。执行器与传感器的基本原理是能量转换，在微小尺寸下主要是利用静电感应和电磁感应原理进行开发的。静电驱动器是最广泛使用的微驱动器，有直线型和旋转型两种，对于平板电容驱动力为：

F=■

式中，？着为空气的介电常数，A为平行板的正对面积，v为板间电压，x为板间距。由这个公式的量纲可以发现，驱动力与几何和运动学的缩放是无关的，事实上当尺寸减小，大多数力会急剧衰减，相比较之下静电力就会显得很大。另一种广泛使用的微驱动器则是电磁驱动器，电磁驱动在常规尺寸的驱动器中是很常见的，但在微型尺寸中却存在很大的技术难题。主要是由于电流的缩放并不理想，当将几何尺寸缩小时，电磁驱动力会相应的减小更高的倍数，因此电磁驱动存在着能耗大，制造困难的不足之处。除了上述的这两种主要的微驱动器，还有压电驱动器、形状记忆合金驱动器、热驱动器等。对于微传感器，由于不需要传输功率，因此对力的缩放相对于微执行器并不重要。微传感器的重要指标参数依然是线性度、分辨率、滞后和抗干扰性等。微传感器已经被成功且广泛应用于应变测量、压力测量、加速度测量以及角速度摘 要：文章主要介绍并分析了微机电系统在国内外发展的现状，重点对微机电系统的发展与运用进行了研究，突出围绕在军事领域的侦察、打击行动中的应用，在救援与医疗领域的探查和诊断、手术中的应用，以及在航空航天领域的微型卫星制造与发射中的应用进行了分析，对认识微机电系统的特点，发展相关技术和应用具有一定的借鉴和参考。

关键词：微机电系统；发展现状；应用展望测量等领域，相比于普通传感器微传感器具有极高的分辨率，无漂移和无滞后的特性。

1 MEMS国内外发展现状

MEMS在军事、航空航天、医疗、救援、环境监控、建筑等几乎是人类生活的方方面面都存在着巨大的应用价值，在未来MEMS会充满我们生活的每一个角落，由于MEMS所存在的巨大优势以及潜在的庞大市场，其研究越来越受到各国的重视。

美国是最早开始进行MEMS的国家，经过几十年的发展美国已经占据了绝对领先的地位。美国的斯坦福大学在该领域的研究贡献尤为突出，就在不久前，来自斯坦福大学的工程师就研制出以昆虫和壁虎为原型，能够以微小的自重拉动百倍于自身重量的物体的微型机器人。日本与德国也紧追美国的脚步，于20世纪90年代开始就将MEMS列为本国的重点研究项目，其中日本和美国掌握的专利技术最多，在微传感器技术专利数量上领先的全球前10家公司中，就有5家是来自日本[4]。

我国对MEMS的研究起步较晚，但由于国家高度重视，也取得了很多成绩。例如清华大学曾研制出世界最细超声马达以及并联接触式射频微开关等，张大伟等基于MEMS的微型爬壁机器人自主控制系统设计[5]。虽然我国的研究取得了一些成果，但是与发达国家相比依然存在较大差距，且这种差距并不会在短期内消失，因此我国的MEMS研究工作依然任重而道远。

2 MEMS的应用与展望

MEMS在现阶段的很多产品都有应用，但是由于受到一些技术发展的限制，其应用依然存在一些局限。未来MEMS的应用将主要体现在以下的三个方面中。

2.1 军事领域

基于MEMS开发的微型武器相比较与传统武器具有小型、不易被发现和行动灵活的特点。可进行对敌方侦察甚至执行攻击任务，如苍蝇般大小的微型飞行器搭载微型侦察设备，对敌方侦察的隐蔽性将大大提高；微型侦察卫星、侦察雷达的可部署性和多点组网能力更强，侦察效能也将显著提高。

2.2 救援与医疗领域

微型机械未来可在救援工作中发挥出极其重要的作用，尤其是在强震之后，微型机器人可以以庞大的数量及尺寸上的巨大优势，顺利进入废墟之中，为搜救工作提供宝贵的信息挽救更多人的生命。其在医疗领域中的应用尤其让人兴奋，通过口服或注射，微型机器人可进入人体内，对人体的健康进行实时的监测，更重要的是利用微型机器人将彻底改变外科手术，实现外科手术微创、精准的操作，这会大大降低手术的风险缩短术后康复时间，例如美国卡内基梅隆大学研制出一种适用于心脏手术的微型爬行机器人。

2.3 航空航天领域

MEMS在航空航天领域的应用也极其广泛。例如现在的卫星发射成本极高，且一次的发射数量也很有限，因此航空航天领域的研究人员提出要制造微型卫星，这可以使一次的卫星发射数量达到一个相当惊人的数量。早在20世纪90年代年就有人提出研制全硅卫星，这可以使卫星的重量缩小到千克级，成本大幅降低，密集分布式卫星系统将成为现实。MEMS在飞行器上也有着广泛的应用，通过微传感器在飞行器上的大量使用，可以对飞行环境和自身飞行状况进行实时准确的监测，使飞行更加平稳和安全。

微机电系统（MEMS）的发展还处在初期阶段，很多的技术难题尚未解决，未来MEMS势必将会成为各大国在科技领域一块激烈的竞技场。我国作为发展中的大国，应抓住这个时机，大力开展MEMS的研发工作，这也有利于促进我国经济结构与产业结构的转型。尤其是如何将MEMS与3D打印技术相结合，这也必将会成为一个重要的研究课题。

参考文献

[1]王多.MEMS发展应用现状[J].才智，2011，22：61.

[2]赵立敏.MEMS微驱动器的设计、工艺及应用[D].西安电子科技大学，2014.

[3]田文超.电子封装、微机电与微系统[M].西安：西安电子科技大学出版社，2012.

[4]谷雨.MEMS技术现状与发展前景[J].电子工业专用设备，2013（8）：1-8.

[5]張大伟，李振波，陈佳品.基于MEMS微型爬壁机器人自主控制系统设计[J].制造业自动化，2015，37（2）：5-8.

作者简介：冯帆（1994-），女，江苏省南京市，所在学校：南京农业大学工学院，学历：本科，研究方向：机械设计制造及其自动化。