先进制造技术学号姓名1．（必选题）微型机电系统（Micro Electro Mechanical systems 即MEMS）主要研究，应用领域，关键技术与国外发展概况。
（1）应用MEMS技术制造的传感器有哪些？应用领域？国内外MEMS惯性器件（陀螺仪，加速度计，磁力计）的发展状况，性能指标？（2）导航系统除陀螺仪，加速度计外，列举应用的其他传感器？MEMSI MV的最新产品概况，结合实例进行分析。
答：MEMS简介：MEMS 的概念源自1959 年美国著名物理学家费曼关于“微机械的设想。
1962 年第一个硅微压力传感器问世，1988 年首台硅微静电马达诞生，这在全世界引起轰动。
此后，MEMS 得到了高速发展。
轻巧、灵敏的各种MEMS 器件已广泛应用于仪器测量、信息、汽车电子、航空航天、国防军事、生物医学和环保等领域。
MEMS 技术正开辟着一个全新的领域和产业，已成为国际公认的战略高科技和21 世纪最有前途的经济增长点之一。
主要研究，范畴：MEMS 是利用集成电路制造技术和微架构技术把微结构、微传感器、微执行器、控制处理电路甚至接口、通信和电源等制造在一块或多块芯片上的微型集成系统，具有微型化、集成化、智能化、低成本、高性能，可批量生产等优点［1］。
它的出现使芯片远远超越了以处理电信号为目的的集成电路，其功能拓展到了机、声、光、热、流体、化学和生物等领域。
所以，从广义上说，集成电路是电子线路的微型化，而其他领域的微型化都可以划分到MEMS 的范畴。
微机电系统应用领域：（1）在医疗领域中的应用医用微型机器人是最有发展前途的应用领域。
微型机器人可以进入人体的血管, 从主动脉管壁上刮去堆积的脂肪, 疏通患脑血栓病人阻塞的血管。
外科医生可以通过遥控微型机器人作毫米级的眼网膜手术。
日本更是制定了采用机器人外科医生的计划, 并正在开发能在人体血管中穿行、用于发现并杀死癌细胞的超微型机器人。
微型机器人在医疗领域中的应用具体有以下几方面:1.1 定向药物投放系统。
为了实现无痛苦无创伤或少创伤的诊疗系统, 设想研制一种微型机器人, 能够进入人体器官甚至血管中进行药物投放。
该微型机器人由微型传感器、微型泵和贮药囊组成, 供患者植入皮下或吞入胃中, 根据微型传感器测得人体体液( 如血液或胃液) 中某种浓度数据, 自动泵出适当的药量, 并且随着数据的改变适时适量地输送药物。
美国杜克大学模仿人体自身的分泌物释放机制设计出药物输送和释放系统, 它由聚合物非凝胶制成微型小球, 内含药物, 外有保护性的类脂膜层, 其最大优点是能有效控制输送药物释放的时间。
人体的分泌细胞中包含很多微型颗粒, 是运输组织胺、蛋白酶等的交通工具。
由聚合材料组成的外包类脂膜层则具有防钠渗透特性, 只有在接到特定生化信号后才释放。
所以杜克大学设计的系统可以先把小球送到肿瘤部位, 再用加热或生化方法破坏小球外的类脂膜从而发挥药物的效力。
美国麻省理工学院则开发出长效植入式超微硅芯片, 药效可长达3 年以上; 其面积约17 mm2, 厚0. 3mm, ( 约为1粒米的1/ 4 体积大小) , 内藏34 个正三角形的独立储存仓, 每个仓容量25 nL( 1 nL= 1. 0 10- 9L) , 可存放液体药或药粉, 用黄金薄膜包裹; 最多能容纳1 000 个药仓, 可用弱电流来打开。
病人通过无痛苦的手术将芯片植入皮内, 如每天释放1 个药仓, 则1 000 个药仓就能用3 年。
1.2 低损伤手术用微型机器人。
如果在微型机器人上携带诊疗系统, 使机器人具有能够在人体内进行组织采样和治疗等功能。
目前,日本已经研制出一种具有趋光性的微型机器人, 将导管插入患者的血管, 微型机器人从导管中出来, 在外科医生操纵下进行麻醉药注射或做手术修补血管。
近来, 采用腹腔镜进行胆囊切除手术, 已引起人们的很大关注。
为了能更进一步减低损伤, 已提出一种体腔内微机器人手术系统的研究方案。
该方案设想通过插入导管往体腔内送入手术用微机器人; 该机器人可在脏器间移动, 利用激光进行胆囊切除手。
1.3 手术用内窥镜及钳子随着医疗器械的不断进步与发展, 现在要求实施腹腔内手术时不再将患者的腹部全部打开, 只需在腹部开两个小口, 将腹腔内窥镜和手术钳子分别从小孔插入腹腔, 通过腹腔内窥镜获得的体腔内图像, 找到病灶位置, 由手术钳子实施手术。
而现有硬管内窥镜导管前端的视角有一定的局限, 所以在一次诊疗过程中,为了能对周围组织进行全方位的观察, 需要往体腔内交替插入几种不同视角的内窥镜, 并作相当幅度的转动和摆动, 这样往往容易造成体腔内软组织损伤, 影响诊疗的安全性, 并使病人承受很大的痛苦。
1.4 微小分散型人工脏器目前已开发有许多种人工脏器, 归纳起来可分为两大类。
一类是属于一种元件, 具有被动的功能, 如人工血管、人工气管、人工食道、人工肠管和人工关节等。
另一类是组成一个系统, 具有能动的功能, 如人工心脏、人工肾脏、人工胰脏、人工心肺和电动假肢等。
但是, 从临床应用的情况来看, 现有人工脏器还存在有许多问题, 其主要的问题有以下3 个: 第一是与材料有关、对生物体的适应性和耐久性问题; 其次是小型化、轻量化问题; 第三是控制及信息处理问题。
研究表明, 采用MEMS 技术, 不仅能够实现材料的智能化和装置的小型化, 而且有可能在人工脏器的设计概念上进行变革, 构成微小分散型人工脏器, 从而得到很高的可靠性。
以人工心脏为例, 设想通过开发微小型驱动装置及高可靠性的微型泵, 组成一种分散安生物体全身各部位的分散型人工心脏, 如图7 所示。
对于这种分散型人工心脏, 由于能自由地控制任意一个脏器的血流量, 从而可有效地提高系统的功能及其安全性和可靠性。
此外, 进一步设想在将来, 还可使人工心脏能根据学习、劳动和运动等主观的行为, 对必要部位的血流量进行控制。
这样, 有可能出现超越生物体脏器本身功能的人工脏器。
（2）在军事领域中的应用2.1 麻雀卫星美国于1995 年提出了纳米卫星的概念。
这种卫星比麻雀略大, 各种部件全部用纳米材料制造, 采用最先进的微机电一体化集成技术整合, 具有可重组性和再生性, 成本低、质量好、可靠性强。
一枚小型火箭一次就可以发射数百颗纳米卫星。
若在太阳同步轨道上等间隔地布置648 颗功能不同的纳米卫星, 就可以保证在任何时刻对地球上任何一点进行连续监视, 即使少数卫星失灵, 整个卫星网络的工作也不会受影响。
2.2 纳米炸弹。
最近, 美国密歇根大学生物纳米技术中心的科学家们到犹他州的美国陆军达格维试验场去了一趟。
他们此行的目的, 是展示纳米炸弹的威力。
事实上, 这种炸弹不会轰地一声爆炸。
它们是一些分子大的小液滴, 其大小只有针尖的l/ 5000, 作用是炸毁危害人类的各种微小敌人, 其中包括含有致命生化武器炭疽的孢子。
在测试中, 这些纳米炸弹获得了100% 的成功率。
在民用方面, 这些装置也有着惊人的应用潜力。
比如, 只需调整这些炸弹中豆油、溶剂、清洁剂和水的比例, 研究人员就能使它们具有杀灭流感病毒和疤疹的能力。
据说, 密歇根大学的这个研究小组正在制造更聪明的新型纳米炸弹, 这些针对性极强的炸弹能够在大肠杆菌、沙门氏菌或者李氏杆菌进入肠道之前攻击它们, 美国军方对纳米炸弹十分感兴趣。
2.3 蚊子导弹。
由于纳米器件比半导体器件工作速度快得多, 可以大大提高武器控制系统的信息传输、存储和处理能力, 可以制造出全新原理的智能化微型导航系统, 使制导武器的隐蔽性、机动性和生存能力发生质的变化。
利用纳米技术制造的形如蚊子的微型导弹, 可以起到神奇的战斗效能。
纳米导弹直接受电波遥控, 可以神不知鬼不觉地潜入目标内部, 其威力足以炸毁敌方火炮、坦克、飞机、指挥部和弹药库。
2.4 苍蝇飞机。
这是一种如同苍蝇般大小的袖珍飞行器, 可携带各种探测设备, 具有信息处理、导航和通信能力。
其主要功能是秘密部署到敌方信息系统和武器系统的内部或附近, 监视敌方情况。
这些纳米飞机可以悬停、飞行, 敌方雷达根本发现不了它们。
据说它还适应全天候作战, 可以从数百千米外将其获得的信息传回己方导弹发射基地, 直接引导导弹攻击目标。
2.5 蚂蚁士兵。
这是一种通过声波控制的微型机器人。
这些机器人比蚂蚁还要小, 但具有惊人的破坏力。
它们可以通过各种途径钻进敌方武器装备中, 长期潜伏下来。
一旦启用, 这些纳米士兵就会各显神通: 有的专门破坏敌方电子设备, 使其短路、毁坏; 有的充当爆破手, 用特种炸药引爆目标; 有的施放各种化学制剂, 使敌方金属变脆、油料凝结或使敌方人员神经麻痹、失去战斗力。
（3）在农业生产中的应用将成千上万个微型机器人撒在农田内去咬死害虫, 既可使农作物有个好收成, 又使农作物免受农药的污染, 让人们真正吃上绿色食品。
在农田灌溉上, 飞行微型机器人载着湿度和红外线传感器在田野上空飞翔, 当发现农田有干旱( 涝灾) 现象时, 便降落在灌溉统的阀门上, 将干旱( 涝灾) 的信息输入控制阀门的传感器, 使之打开( 关闭) 阀门, 定量灌溉农田, 从而最大限度地节约用水。
（4）在其他领域中的应用在文物考古中, 载有CCD 相机和微型光纤的微型机器人, 通过在埋藏宝物的部位钻出的小孔进入人类无法到达的墓穴内观察环境, 采集穴内气体、墓品、尸骨等样品, 以了解墓穴的年代和墓穴内文物价值及开挖方案; 在核能发电利用中, 微型机器人携带相应的传感器和作业装置, 通过裂缝、管道等进入发生事故的核电站内部, 寻找辐射源, 了解事故发生的情况, 并对故障作及时的处理; 在工业生产中, 利用嵌入生产设备中的MEMS 器件可以监测设备的温度、压力、振动、表面磨损、流体污染和加速度等, 在系统或部件损伤前适时作出预报, 因此可真正地做到视情维修, 而不是定期或在部件损伤后维修, 可节省大量维修费用和维修时间,大大地提高了生产率。
MEMS关键技术：1. MEMS 基础理论、设计MEMS 器件在设计、加工、制作中遇到的非经典物理问题是其基础理论研究的重点。
当器件的结构尺寸缩小到微米量级时, 许多在宏观情况下可以忽略的物理现象都要重新予以考虑, 如微摩擦、微阻尼、微吸附力、微静电等, 不仅不能忽略而且还将成为主要的因素, 因此需要从微能量传输的角度予以研究。
MEMS 设计主要包括微结构及微系统建模设计及与集成电路的混合设计等。
目前MEMS 通常的设计方法包括结构化设计、自顶向下设计、层次化设计等; 微器件建模是通过CAD/ CAM 计算机辅助设计工具进行模拟仿真, 如器件级模拟、电路级模拟、系统级模拟; 建立标准的MEMS 器件仿真库可以增强MEMS 设计的可重用性和效率。
2. MEMS 材料和加工工艺硅是MEMS 使用的主要材料, 它不仅有良好的半导体特性, 而且有良好的机械特性。
