微观的机电一体化技术

“微观”的机电一体化技术——微机电系统（MEMS）班级：机电技术教育122班姓名：胡敏学号：1664120209微机电系统是微米大小的机械系统，其中也包括不同形状的三维平板印刷产生的系统。这些系统的大小一般在微米到毫米之间。在这个大小范围中日常的物理经验往往不适用。比如由于微机电系统的面积对体积比比一般日常生活中的机械系统要大得多，其表面现象如静电、润湿等比体积现象如惯性或热容量等要重要。它们一般是由类似于生产半导体的技术如表面微加工、体型微加工等技术制造的。其中包括更改的硅加工方法如压延、电镀、湿蚀刻、干蚀刻、电火花加工等等。微机电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，是一个独立的智能系统。主要由传感顺、作动器和微能源三大部分组成。微机电系统具有以下几个基本特点，微型化、智能化、多功能、高集成度。微机电系统。它是通过系统的微型化、集成化来探索具有新原理、新功能的元件和系统微机电系统。微机电系统涉及航空航天、信息通信、生物化学、医疗、自动控制、消费电子以及兵器等应用领域。微机电系统的制造工艺主要有集成电路工艺、微米/纳米制造工艺、小机械工艺和其他特种加工工种。微机电系统技术基础主要包括设计与仿真技术、材料与加工技术、封装与装配技术、测量与测试技术、集成与系统技术等。1.发展背景微机电系统（MicroElectroMechanicalSystems简称MEMS）是近年来发展迅速的高新科学技术,是一种集成微电子和微机械、具有微观尺寸的静止或移动部件的装置。1959年，美国物理学家RFeynmam提出了制造微型机械的设想。1962年第一个硅微型压力传感器问世，其后微梁、微齿轮等微型机构又开发成功。20世纪70年代末期，斯坦福大学开发出硅微加工的气相色谱仪，随后人们又提出了制造微传感器、微处理器的构想。20世纪80年代初，Middelhoek著文预示微系统的出现和发展前景，对微系统的研究起着重要的推动作用。美国在1987年举行的IEEEMicro-robotsandTele-operators研讨会的主题报告标题为smallmachines，largeopportunities，首次提出了微机电系统（microelectro-mechanicalsystem,MEMS）一词,标志着微机电系统研究的开始。1988年,美国加州大学伯克利分校研制出直径为60~120μm的硅微型静电电机，引起了人们的极大关注。对微机电系统研究产生很大的鼓舞。由此可见，美国有关微系统的研究是由微电子技术发展而来，故称之为MEMS，这也是目前广为使用的名称。在欧洲,，1989年在荷兰特文蒂(Twente)以MicroMechanics的名称首次召开有关微系统的研讨会。1990年,在柏林召开的研讨会改称为MST(microsystem-technology)，即微系统，这一称谓更强调系统的观点，即如何将多个微型化的传感器、执行器、处理电路等元部件集成为一个智能化的有机整体。欧洲在该领域的重要贡献是开发出扫描隧道951。关于微机电系统研究——显微镜和原子力显微镜以及LIGA工艺。在精密机械加工方面有传统优势的日本则称之为Micro-Machine即微机器。并于1988年正式建立微机械研究组织。到20世纪末，MEMS技术已逐渐形成一门独立学科,得到广泛的应用.根据NEXUS2002年市场调查结果，目前商业MEMS及其应用发展迅速，每年可销售1亿多个MEMS产品，2000年MEMS的销售额更是达到300亿美元，预计到2005年达到680亿美元。2002年5月在SanJose召开的MEMS传感器世界博览及研讨会提出了BioMEMS/BioSensor的新观念，并探讨了MEMS在生物工程中的应用前景及所面临的挑战。2.MEMS的定义作为最近十几年来新出现的一门技术，MEM对现代科技的影响，将超过晶体管的出现，堪称为跨时代的技术。MEMS技术是一种多学科交叉的前沿性领域，它几乎涉及到自然及工程科学的所有领域，如电子、机械、光学、物理学、化学、生物医学、材料科学、能源科学等。但是，目前关于MEMS尚无统一的定义。一般地说MEMS具有以下几个非约束性的特征：（1）尺寸在毫米到微米范围之内，区别于一般宏（Macro），即传统的、大于1cm尺度的“机械”，但并非进入物理上的微观层次。（2）基于（但不限于）硅微加工（Microfabrication）技术制造。（3）与微电子芯片类同，可大批量、低成本生产，使性能价格比比之传统机械制造技术，大幅度地提高。（4）MEMS中的“机械”不限于狭义的机械力学中的机械，它代表一切具有能量转化、传输等功能的效应：包括力、热、声、光、磁，乃至化学、生物等。（5）MEMS的目标是微“机械”与IC集成的微系统，即具有智能的微系统。用以上特征来衡量，用微电子技术（不限于）制造的微小机构、器件、部件和系统等都属于MEMS范围，微机电系统不仅能够采集、处理与发送信息或指令，还能够按照所获取的信息自主地或根据外部的指令执行机械操作。微机械和微系统只说明MEMS发展的不同层次，而有关的科学技术都可统称为MEMS技术。一般来说，微机械多指构造较简单能动作的微构造，它是构成微机电系统的要素技术。微机电系统（MEMS）则指集微型传感器、微型执行器、信号处理和控制电路、接口电路、通信系统以及电源于一体的微型机电系统。宏—微观转换及其相互关系对于微机电系统（MEMS），由于尺寸效应，现有宏观世界的一些控制方法不再有效。与特征尺寸L的高次方成比例的惯性力、电磁力(L3)等的作用相对减小，而与尺寸的低次方成比例的粘性力、弹性力(L2)、表面张力(L1)、静电力(L0)等的作用相对增大。这也是微型系统常以静电力、表面张力作为驱动力的原因。随着尺寸的减小,表面积(L2)与体积(L3)之比相对增大。因而热传导、化学反应等速度加快，表面间摩擦阻力显著增大。材料性能和摩擦现象受制作工艺的影响。以上是“微小”操作所涉及的力。传统（宏观）的机电一体化系统的作业，是在同一工作空间完成的，而MEMS的操作过程则是宏观和微观空间的结合——首先是大面积寻的操作，如介入诊疗机器人进入作业空间的过程，然后是在微观范围内完成精密操作。这需要整个操作过程能够实现宏—微观的切换，完成类似“浏览”与“凝视”的操作切换。对于系统精度来说，在一个大系统下实现微米级运动，误差来源是多方面的，实现高精度存在许多困难。由于各子系统对精度的影响不同，问题采取一视同仁是不科学的，也是不经济的，对各子系统如何恰如其分地提出误差限度是有指导意义的。Mechanicalandelectricalintegration(Mechatronics)isnotasimpleplattermechanicalandelectronicdevices,butthecombinationofmachineandelectricity,complementaryonthefunction,inordertorealizethebestcomposition,increasethefunctionofthesystem,improvethereliabilityandcostperformance,saverawmaterialsandreducethecost.Mechatronicsfieldinvolvedmainlyincludes:thetraditionalmechanicaldesign,microelectronicstechnology,theclassicalcontroltheory,etc,alsoincludingthemoderninformationprocessingtechnology,moderndesignmethod,softwareengineering,andmoderncontroltechnology.Withthedevelopmentofmoderntechnology,especiallytheprogressofmechanicaltechnologyandmicroelectronicstechnology,meaningalsointhecontinuousdevelopmentofelectromechanicalintegration,mechanicalandelectricalintegrationhasbeentothemacro(mechatronics)andmicro(mechatronics)development.ThisarticleemphaticallyfromtheAngleofsystemmechanicalandelectricalintegrationofthenarrativemicro,namelymicroelectromechanicalsystem(MEMS).Atpresent,informationtechnologyhasonthepathofmultimedia,networkandintelligent,microelectronicsinformationprocessinghastosystemlevelchipintegrationdevelopment.Nofallfromtheminiaturizationandperformancedevelopment,accesstoinformation(sensing)technologyandinformationtechnology,theso-calledperipheraltechnologyhasbecomethebottleneckofthedevelopmentare,theirinterfacewiththehostalsobecomesthekeytopreventprocessingspeed.MEMStechnologyaimstointegrateinformationacquisition,processing,andperformintegrationintogether,makeitbecometherealinformationprocessingsystem,soitissignificancetotherevolutionofinformationtechnology.Forthetraditionalmechanics,theMEMStechnologynotonlyopenedanewfieldofsmallsizeforthedoor,andtrulyachievethebeginningoftheelectromechanicalintegration.So,MEMSisconsideredtobeanotherrevolutionofmicroelectronicstechnology,scienceandtechnologyofthe21stcentury,themodeofproductionandhumanlifequalitywillhaveaprofoundimpact.Summaryofmicroelectromechanicalsystem(MEMS)1.ThedevelopmentbackgroundofMEMS(MicrocompanyMechanicalSystems,orMEMS,highandnewscienceandtechnologyisdevelopingrapidlyinrecentyears,isakindofintegrationofmicroelectronicsandMicromachinery,hastheMicrosizeofthedeviceforstaticormovingparts.In1959,AmericanphysicistRFeynmamputsforwardtheideaofmanufacturingthe