微驱动器的研究与发展

基于Galerkin法分析微梁的动态响应一、课题研究背景1.MEMS的概念MEMS是微机电系统(Micro-Electro-Mechanical System)的英文缩写，是指将微结构的传感技术、致动技术和微电子控制技术集成于一体，形成同时具有“传感－计算(控制)－执行”功能的智能微型装置或微型系统[1]。

随着技术的兴起和发展，MEMS已成为继微电子技术之后在微尺度研究领域中的又一次革命。

MEMS通过力、电、磁等能量的转换来实现自身的特有功能，涉及多种物理场的互相耦合，因此它是一个多能量域耦合作用的极其复杂的系统。

2.MEMS的特点一般地说MEMS具有以下几个非约束性的特征：（1）MEMS器件体积小、重量轻、耗能低、惯性小、谐振频率高、响应时间短。

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”，并非进入物理上的微观层次。

（2）以硅为主要材料，机械电器性能优良：硅的强度、硬度和杨氏模量与铁相当，密度类似于铝，热传导率接近钼和钨。

基于(但不限于)硅微加工技术制造。

（3）批量生产大大降低了MEMS 产品成本。

用硅微加工工艺在一片硅片上同时可制造出成百上千个微型机电装置或完整的MEMS，批量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）集成化。

可以把不同功能、不同敏感方向的多个传感器或执行器集成于一体，或形成微传感器阵列、微执行器阵列，甚至把多种功能器件集成在一起，形成复杂的微系统。

微传感器、微执行器和微电子器件集成在一起可制造成可靠性、稳定性很高的MEMS。

3.MEMS的研究领域作为一门交叉学科，MEMS的研究和开发更是为了在微观领域探索新原理、开发新功能、制造新器件。

由于MEMS具有体系小、重量轻、能耗低、集成度高和智能化程度高等一系列优点，MEMS的研究领域不仅与微电子学密切相关，而且还广泛涉及到机械、材料、光学、流体、化学、热学、声学、磁学、自动控制、仿真学等学科，技术影响遍及包括各种传感器件、医疗、生物芯片、通信、机器人、能源、武器、航空航天等领域[2-5]，所以MEMS技术是一门多学科的综合技术。

4/200417科技导报4/2004微机电系统(MEM S )技术的研究与应用高世桥1曲大成2(北京理工大学机电工程学院,博士、教授、博士生导师1;信息科学技术学院,博士2北京100081)一、微机电系统的发展在自然界中,人们对未知领域的物理研究越来越呈现出两级化的发展趋势。

一方面是针对宇宙的极大化研究,尺度特征为光年,研究手段以射电望远镜为代表;另一方面是针对原子、分子和电子等的极小化研究,尺度特征为微米、纳米甚至皮米,研究手段以扫描隧道显微镜为代表。

这其中,微型化是近二三十年自然科学和工程技术发展的一个重要趋势,而微/纳米技术的研究则推动了这一领域的蓬勃发展。

微机电系统(M icroelectrom echanical S y stems ,简称MEM S )是微/纳米技术研究的一个重要方向,是继微电子技术之后在微尺度研究领域中的又一次革命。

MEM S 是指将微结构的传感技术、致动技术和微电子控制技术集成于一体,形成同时具有“传感-计算(控制)-执行”功能的智能微型装置或系统。

MEM S 的加工尺寸在微米(μm )量级,系统尺寸在毫米(mm )量级。

它的学科交叉程度大,其研究已延伸至机械、材料、光学、流体、化学、医学、生物等学科,技术影响遍及包括各种传感器件、医疗、生物芯片、通信、机器人、能源、武器、航空航天等领域。

MEM S 的发展源于集成电路,但又与之有所区别;MEM S 能够感知物理世界中的各种信息,并由计算单元对信息进行处理,再通过执行器对环境实施作用与控制。

微型化是MEM S 的一个重要特点,但不是唯一特点。

首先,MEM S 不仅体积小、重量轻,同时具有谐振频率和品质因子高(高Q 值)、能量损失小等特点。

其次,可批量加工特点大大降低了MEM S 产品成本;若借助于MEM S 器件库,MEM S 的设计将更加灵活,重用率更高。

最后,强大的计算能力是MEM S 系统实现信息采集、处理、控制的关键,充分利用集成电路的计算优势将会拓展MEM S 在智能控制等领域的应用。

微纳机电系统微/纳米科学与技术是当今集机械工程、仪器科学与技术、光学工程、生物医学工程与微电子工程所产生的新兴、边缘、交叉前沿学科技术。

微/纳米系统技术是以微机电系统为研究核心，以纳米机电系统为深入发展方向，并涉及相关微型化技术的国家战略高新技术。

微机电系统(Micro Electro Mechanical System, MEMS ) 和纳机电系统(Nano Electro Mechanical System, NEMS )是微米/纳米技术的重要组成部分，逐渐形成一个新的技术领域。

MEMS已经在产业化道路上发展，NEMS还处于基础研究阶段。

一、引言从微小化和集成化的角度，MEMS (或称微系统)指可批量制作的、集微型机构、微型传感器、微型执行器以及信号处理和控制电路，直至接口、通讯和电源等于一体的微型器件或系统。

而NEMS(或称纳系统) 是90年代末提出来的一个新概念，是继MEMS 后在系统特征尺寸和效应上具有纳米技术特点的一类超小型机电一体的系统，一般指特征尺寸在亚纳米到数百纳米，以纳米级结构所产生的新效应(量子效应、接口效应和纳米尺度效应) 为工作特征的器件和系统。

二、纳米系统的意义、应用前景微纳系统的意义应用前景由于微/纳机电系统是一门新兴的交叉和边缘学科，学科还处于技术发展阶段，在国内外尚未形成绝对的学科和技术优势；微/纳米技术还是一项支撑技术，它对应用背景有较强的依赖性，目前它的主要应用领域在惯导器件、军事侦察、通信和生物医学领域，以及微型飞机和纳米卫星等产品上。

2.1 .重要的理论意义和深远的社会影响微/纳米系统技术是与其它广泛学科具有互动作用的重要的综合技术，涉及学科领域广泛。

微/纳米系统技术是认识和改造微观世界的高新技术，微/纳米系统是结构集成化、功能智能化的产物。

微/纳米系统表现出的智能化程度高、实现的功能趋于多样化。

例如，微机电系统不仅涉及到微电子学、微机械学、微光学、微动力学、微流体学、微热力学、材料学、物理学、化学和生物学等广泛学科领域，而且会涉及从材料、设计、制造、控制、能源直到测试、集成、封装等一系列的技术环节。

MEMS技术MEMS是英文Micro Electro Mechanical systems的缩写，即微电子机械系统。

微电子机械系统(MEMS)技术是建立在微米/纳米技术（micro/nanotechnology）基础上的21世纪前沿技术，是指对微米/纳米材料进行设计、加工、制造、测量和控制的技术。

它可将机械构件、光学系统、驱动部件、电控系统集成为一个整体单元的微型系统。

这种微电子机械系统不仅能够采集、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采取行动。

它用微电子技术和微加工技术(包括硅体微加工、硅表面微加工、LIGA和晶片键合等技术)相结合的制造工艺，制造出各种性能优异、价格低廉、微型化的传感器、执行器、驱动器和微系统。

微电子机械系统（MEMS）是近年来发展起来的一种新型多学科交叉的技术，该技术将对未来人类生活产生革命性的影响。

它涉及机械、电子、化学、物理、光学、生物、材料等多学科。

对微电子机械系统(MEMS)的研究主要包括理论基础研究、制造工艺研究及应用研究三类。

理论研究主要是研究微尺寸效应、微磨擦、微构件的机械效应以及微机械、微传感器、微执行器等的设计原理和控制研究等；制造工艺研究包括微材料性能、微加工工艺技术、微器件的集成和装配以及微测量技术等；应用研究主要是将所研究的成果，如微型电机、微型阀、微型传感器以及各种专用微型机械投入实用。

易懂的MEMS与难懂的MEMS概括起来讲，MEMS就是基于微加工技术的产品与技术的总称，而微加工技术的基础则是半导体制造技术。

因此从宏观上讲，业界期望在半导体产品的延长线上开展产品的大批量生产业务。

这一点和半导体业务一样容易制订开发蓝图，对半导体厂商和业界分析师来说很容易理解。

另一方面，假如把MEMS技术看作基础性微加工及各种集成技术的集大成，那么我们就能够将它视为现实世界中所有领域现有产品的超小型化，以及由此综合而成的系统化手段。

由此来讲，可以说存在着大量具有潜在应用前景的产品。

微型机械电子系统调查报告学院：电气工程及自动化姓名：XXX指导教师：XX一、调研背景微型机械电子系统（MEMS），集微电子学，纳米技术，力学和微细加工技术，是现代多学科融合的成果。

它具有体积小、重量轻、成本低、功耗低、尤其具有更高的可靠性，同时，其微小的特征尺寸使得它可以完成某些传统机械传感器所不能实现的功能。

MEMS传感器作为机械工程，材料科学，生物医学，电工电子学等多学科，多领域交叉综合的产物，通过微细加工技术，Ic工艺，微系统封装技术等高新技术制造而成。

已在机械工程领域，生物医学，远程控制，状态监测等诸多方面发挥着不可或缺的作用，尤其在机械工程领域的贡献尤为突出。

二、调研目的及意义微型机械电子系统拥有广阔的发展前景及巨大的实际价值，以此为课题开展研究可以学习和掌握更多专业知识，丰富自己的见识，了解我国微型机械电子系统的发展现状，追踪微型机械电子系统技术前沿发展，并以此为切入点了解我国科技行业发展现状。

通过对我国及国际上微型机械电子系统的比较、分析，了解我国微型机械电子系统发展的优势与不足，为以后的学习生活积累经验。

三、微型机械电子系统国内外发展现状及发展趋势目前已有大量的微型机械或微型系统被研究出来，例如：尖端直径为5μm的微型镊子可以夹起一个红血球，尺寸为7mm×7mm×2mm的微型泵流量可达250μl/min能开动的汽车，在磁场中飞行的机器蝴蝶，以及集微型速度计、微型陀螺和信号处理系统为一体的微型惯性组合（MIMU）。

德国创造了LIGA工艺，制成了悬臂梁、执行机构以及微型泵、微型喷嘴、湿度、流量传感器以及多种光学器件。

美国加州理工学院在飞机翼面粘上相当数量的1mm的微梁，控制其弯曲角度以影响飞机的空气动力学特性。

美国大批量生产的硅加速度计把微型传感器（机械部分）和集成电路（电信号源、放大器、信号处理和正检正电路等）一起集成在硅片上3mm×3mm的范围内。

日本研制的数厘米见方的微型车床可加工精度达1.5μm 的微细轴。

微电子技术发展历程-从基础研究到产业化1．引言诺贝尔奖委员会在2007年的诺贝尔奖授奖公告[1]指出：“巨磁电阻效应的发现打开了一扇通向技术新世界的大门，在这里，将同时利用电子的电荷自旋特性。

新兴的纳米技术是发现巨磁电阻的前提条件，而自旋电子学反过来成为促进纳米技术迅速发展的动力。

这为研究领域树立了一个异常清晰的例子：基础研究和新技术是如果交互作用和互相支持的。

”实际上，在现代科学研究和技术发展历程中，基础研究和新技术交互作用和互相支持的历史事例是非常多的。

本文简要介绍集成电路、硬盘技术及扫描电子显微镜的发展等三个例子，探讨基础研究和新技术发展的相互关系，希望能给读者一些启迪和思考。

2．集成电路技术的发展简介1880年，爱迪生意外地发现在灯泡里加入一支电极，而将它连接到钨丝的电源去，被加热后的钨丝会向电极放电产生电流，这个物理现象被称为“爱迪生效应”。

1904年，曾担任伦敦的爱迪生电灯公司顾问的英国科学家J.A.Fleming发明了用于无线电信中检波器的真空二极管，这个重大发明的基础就是“爱迪生效应”。

Fleming将发明了的二极真空管取名Bulb，或称Valve。

1946年2月14日，公认的世界上第一台电子计算机ENIAC在美国宾夕法尼亚大学诞生。

这部机器使用了18800个真空管，长50英尺，宽30英尺，占地1500平方英尺，重达30吨。

它的计算速度为每秒5000次的加法运算。

机器被安装在一排2.75米高的金属柜里，占地面积为170平方米左右，总重量达到30吨。

它的耗电量超过174千瓦，电子管平均每隔7分钟就要被烧坏一只。

ENIAC标志着电子计算机的创世，人类社会从此大步迈进了计算机时代的门槛。

1947年12月，美国Bell实验室的Shockley、Bardeen和Brattain等人发明了晶体三极管[2]。

晶体管相较于真空管具有显著的优越性能，因此晶体管促进并带来了“固态革命”，进而推动了全球范围内的半导体电子工业。

微纳加工技术的研究现状及其应用随着科技的不断发展，微纳加工技术也随之不断突破。

微纳加工技术是指对材料、器件、系统等微观尺度下进行加工和制备的一种技术，通常包括3D打印、激光刻蚀、电化学腐蚀、离子束刻蚀等技术。

这些技术的发展让微纳级尺度下的加工成为可能，并为纳米科学和技术领域的制备和应用提供了强有力的支持。

目前，微纳加工技术已经在众多领域得到了广泛的应用。

下面将分别介绍紧凑型二氧化硅压电驱动器件、微电阻器、微压力传感器等产品的具体应用。

第一个应用是紧凑型二氧化硅压电驱动器件。

该产品是一种微纳级尺寸的压电驱动元件，可用于驱动纳米级运动，例如实现调节微型透镜、微镜头等领域的焦点。

该产品具有高驱动效率、低开销等优点，所以在光学制造领域得到广泛的应用。

第二个应用是微电阻器。

这种产品是一种微型电阻器，其大小仅仅为毫米或者更小，能在拥挤的电路板上占据更少的空间。

微电阻器在微小的微控制器和计算机系统单元中发挥着重要的作用。

微电阻器不仅具有非常高的精度，而且易于安装，可以帮助设计师在设计微小器件时获得更高的灵活性。

第三个应用是微压力传感器。

这是一种为极小的压力测量而专门设计的微型机械传感器。

这种传感器的结构非常精细，微型化的体积使得其可以应用于很多领域，例如流量测量、医疗器械等。

由于压力传感器具有很高的测量精度，因此它们成为各种系统的必备元件。

总的来说，随着微纳加工技术的不断进步，其应用也越来越广泛。

从微型透镜、微电阻器和微压力传感器等应用领域的例子，我们可以看到微纳加工技术的重要性。

未来，这种技术的发展将继续推动微系统领域的创新，从而对各种科学、医疗和其他领域产生更大的影响。