MEMS的應(yīng)用

MEMS的應(yīng)用

　MEMS 技術(shù)的應(yīng)用范圍廣泛[24～28 ] ,MEMS 技術(shù)是一種典型的多學(xué)科交叉的前沿研究領(lǐng)域, 幾乎涉及到自然科學(xué)及工程技術(shù)的所有領(lǐng)域, 如電子技術(shù)、機(jī)械技術(shù)、物理學(xué)、化學(xué)、生物醫(yī)學(xué)、材料科學(xué)和能源科學(xué)等. 與不同的技術(shù)結(jié)合, 往往便會(huì)產(chǎn)生一種新型的MEMS 器件.
3. 1 　微型傳感器
　　微型傳感器是MEMS 最重要的組成部分. 1962年,第一個(gè)硅微型壓力傳感器的問(wèn)世開(kāi)創(chuàng)了MEMS 技術(shù)的先河, 并一直是推動(dòng)MEMS 技術(shù)不斷進(jìn)步的動(dòng)力, 同時(shí)MEMS 技術(shù)的應(yīng)用又使傳感器的性能提高了幾個(gè)數(shù)量級(jí). 現(xiàn)在已經(jīng)形成產(chǎn)品和正在研究中的微型傳感器涉及領(lǐng)域有壓力、力、力矩、加速度、速度、位置、流量、電量、磁場(chǎng)、溫度、氣體成分、濕度、pH 值、離子濃度和生物濃度、微陀螺、觸覺(jué)傳感等. 現(xiàn)在,微型傳感器正朝著集成化和智能化的方向發(fā)展.
3. 2 　微型執(zhí)行器
　　微型執(zhí)行器主要有微電機(jī)、微開(kāi)關(guān)、微諧振器、微閥門(mén)和微泵等. 把微型執(zhí)行器分布成陣列可以收到意想不到的效果, 如可用于物體的搬送、定位. 微型執(zhí)行器的驅(qū)動(dòng)方式主要有靜電驅(qū)動(dòng)、壓電驅(qū)動(dòng)、電磁驅(qū)動(dòng)、形狀記憶合金驅(qū)動(dòng)、熱雙金屬驅(qū)動(dòng)、熱氣驅(qū)動(dòng)等. 微型電機(jī)是一種典型的微型執(zhí)行器, 可分為旋轉(zhuǎn)式和直線式兩類(lèi).
　　在MEMS2000 年會(huì)上, 瑞士的Dellmann L 等人報(bào)道了一種用于手表的微型機(jī)械加工壓電彈力電機(jī)(Elastic Force Motor) , 力矩高達(dá)1μN(yùn)·nm , 而功耗僅10μW. EFM 的工作原理是定子產(chǎn)生垂直振動(dòng), 然后由轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)動(dòng). 定子由ZnO 壓電層在諧振頻率下產(chǎn)生垂直運(yùn)動(dòng), 工作頻率為20 kHz , 典型激勵(lì)電壓為4 V , 轉(zhuǎn)子彈性束將垂直運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)動(dòng). 與過(guò)去的定子相比, 這種新型設(shè)計(jì)使模片振動(dòng)的第一種模式得到應(yīng)用, 從而提高了振動(dòng)的機(jī)械幅度.
3. 3 　微型光機(jī)電器件和系統(tǒng)
　　隨著信息技術(shù)、光通信技術(shù)的發(fā)展, 寬帶的波分復(fù)用光纖網(wǎng)絡(luò)將成為信息時(shí)代的主流, 光通信中光器件的微小型化和大批量生產(chǎn)成為迫切的需要. MEMS技術(shù)與光器件的結(jié)合恰好能滿足這一需求. 由MEMS與光器件融合為一體的微型光機(jī)電系統(tǒng)(MOEMS) 將成為該領(lǐng)域中的一個(gè)重要研究方向. 2000 年, 美國(guó)加利福尼亞大學(xué)電氣工程學(xué)院的Guo2Dung J Su 等人得到美國(guó)DARPA 支持, 使用表面微機(jī)械技術(shù)研制了高性能單晶硅反射鏡二維(2D) 光掃描器, 反射鏡在厚的(大于10μm) 絕緣硅(SOI) 上形成, 而且連接到表面微機(jī)械驅(qū)動(dòng)器.
3. 4 　微型機(jī)器人
　　隨著電子器件的不斷縮小, 組裝時(shí)要求的精密度也在不斷增加. 現(xiàn)在, 科學(xué)家正在研制微型機(jī)器人,能在桌面大小的地方組裝如硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器之類(lèi)的精密小巧的產(chǎn)品. 日本通產(chǎn)省的10 年計(jì)劃就是一例. 軍事部門(mén)對(duì)這種微型機(jī)器人表現(xiàn)了濃厚的興趣. 日本已制作出利用太陽(yáng)能電池的微小機(jī)器人, 它只有錢(qián)幣大小.太陽(yáng)能電池產(chǎn)生的電力驅(qū)動(dòng)馬達(dá)使機(jī)器人向著光亮的地方前進(jìn).
3. 5 　微型飛行器
　　微型飛行器一般是指長(zhǎng)、寬、高均小于15 cm , 重量不超過(guò)120 g , 在成本可接受的情況下, 研制的一種有軍事用途的飛行器. 這個(gè)飛行器的設(shè)計(jì)目標(biāo)是16km 的巡航范圍, 并能以30～60 km/ h 的速度連續(xù)飛行20～30 min. 美國(guó)陸軍把這種微型飛行器裝備到陸軍, 它被廣泛地用于戰(zhàn)場(chǎng)偵察、通信中繼和反恐怖活動(dòng). MIT(麻省理工學(xué)院) 新設(shè)計(jì)的微型飛行器, 預(yù)計(jì)其飛行速度為30～50 km/ h , 可在空中停留1 h , 具有偵察及導(dǎo)航能力.
3. 6 　微型動(dòng)力系統(tǒng)
　　微型動(dòng)力系統(tǒng)以電、熱、動(dòng)能和機(jī)械能的輸出為目的, 以毫米到厘米級(jí)尺寸產(chǎn)生1 W 到10 W 級(jí)的功率. MIT 從1996 年開(kāi)始了微型渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的研究. 它們研制的渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)利用MEMS 加工技術(shù)制作, 主要包括空氣壓縮機(jī)、渦輪機(jī)、燃燒室、燃料控制系統(tǒng)(包括泵、閥、傳感器等) , 以及電動(dòng)機(jī)/ 發(fā)電機(jī). 該校已在硅片上制作出渦輪機(jī)模型, 其目標(biāo)是1 cm 直徑的發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生10～20 W 的電力或0. 05～0. 1 N 的推力,最終達(dá)到100 W. MIT 正在研究一種微型雙組火箭發(fā)動(dòng)機(jī), 它由5～6 片硅片疊在一起組成. 硅片上制作有燃燒室、噴嘴、微泵、微閥及冷卻管道等. 整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)約
長(zhǎng)15 mm、寬12 mm、厚25 mm. 使用液態(tài)氧和乙醇燃料, 預(yù)計(jì)能產(chǎn)生15 N 的推力, 推力重量比是目前大型火箭的10～100 倍. 美國(guó)TRW 公司、航空航天公司和加州理工學(xué)院(CIT) 組成的研究小組提出了一個(gè)“數(shù)字推進(jìn)概念”方案. 在這個(gè)方案中, 將有104～106個(gè)微推進(jìn)器被集成到一塊直徑為10 cm 的硅片上, 并已研制出了3 mm ×5 mm 的微推進(jìn)器陣列.