微机电系统

第三节　微机电系统

传统的机械通常是由三大部分组成的:原动部分，提供动力源;传动部分，负责把动力传给工作部分;工作部分，完成预期动作或预期轨迹。而近代机械除了上面3个部分以外还有控制部分:如数控机床的控制电路。

一、什么是微机电系统

理想的微机电系统理论上也应包含如图11-6所示的几个部分，正所谓麻雀虽小，五脏俱全。

实际上目前世界上对微机电系统还没有统一的确切定义。美国、日本、欧洲由于各自发展微机电系统的途径和技术条件不一样，所以各自的定义各不相同。美国的称为微机电系统，即microelectromechanical system，缩写为MEMS。美国专家对微机电系统的定义是:它是由电子和机械元件组成的集成微器件、微系统，它是采用与集成电路兼容的工艺制造的，可批量生产，它能将计算、传感与执行融合为一体，从而可改变我们感知和控制自然世界的方式，尺度在微米到毫米之间。日本的称为微型机械，日本的微型机械中心的定义是:微型机械是由只有几毫米大小的功能元件组成的，它能够执行复杂、细微的工作。欧洲(NEXUS)的称为微系统，它的定义是:微结构产品具有微米级结构并具有由微结构形状提供的技术功能。中国专家一般称为微机电系统，也有称为微型机械的。中国专家认为，微机电系统的基本特征是超小型化、多样性和微电子技术。有专家认为，微机电系统是一种由微机械和微电子组成的装置，其中微机械被微电子所控制，在大多数情况下控制系统中包含微型传感器，用来为微电子系统提供信号，这种装置是由微加工技术和IC工艺制作，可进行批量生产的。这种装置是集成化的，除了封装工序以外，不需要分别组装零件。

图11-6　微机电系统的模型

二、微型机械的两个基本特征

微机电系统具有两个基本特征，即微小尺度与系统集成。

微小尺度是微机电系统的重要特征，但并不是定量的特征。我们所说的微机电系统的尺寸到底是多大呢?在日常生活中，人们往往是把眼睛看不清的东西称为微小物体，也可以说是指大小在0.1～100μm的物体。

实际上，不同学者对微机电系统的尺寸范围看法也不尽一致。有些学者把大小在1mm以上到10mm量级的机械称为超小型机械。把1mm以下量级的机械称为微型机械。比较公认的范围是指数量级从1mm到0.01μm的机械称为微型机械。

有些学者把近来十分热门的纳米技术也列入微型机械的范围内。

事实上，现代的传统机械有的也已达到微米甚至纳米的特征尺寸，例如，当今精密轴承和齿轮传动的油膜厚度已经达到亚微米或纳米量级。对于微小尺度的理解应当作为一种技术特征，即微型化不仅是解决微观技术问题的有效途径，而且通过微型化能够创造出具有新功能的装置。换句话说，微型化的程度决定于在实现低成本的前提下有可能创造出来具有新功能器件的特征尺寸。大体上说，微机电系统是微米量级的特征尺寸、毫米量级的器件尺寸。

微机电系统另一个基本特征是系统集成。在微系统的发展过程中，微电子技术比微机械技术发展时间较早，因而也比较成熟。1987年人们利用面微制造技术首次制造出可运动的微机械构件，第二年制造出静电微电机和微执行器。由于面微制造技术与微电子技术之间高度兼容，将微机械与微电子集成就诞生了微机电系统。所以，单独的微机械器件或单独的微传感器都不是完整的微机电系统。

还可以看出，微机电系统集成涉及现代两门技术:电方面的微电子技术;机方面的微制造技术。一般来说，系统集成表现为微机电系统是由微机械器件与微电子器件统一组成的装置。由微电子控制微机械动作，而在控制系统中设有微传感器提供信息。通常整个装置集成于一体，除封装外，主要部分无需装配。

三、微型机械与普通机械的不同

微型机械与普通机械有哪些不同呢?

其一，两者的设计和制作方法不同。多年来，人们一直致力于使机械产品变得更小巧，更智能化，努力实现“机电一体化(mechatronic)”。机电一体化产品是把传感器、微电脑组装在机械产品中，如复印机、录像机、摄像机等。为了使机电一体化产品向小型化发展，人们尽量用微型计算机控制代替原来的连杆、凸轮筹硬件控制，使得台式复印机变成手提式复印机，肩扛式摄像机变成掌上摄像机，等等。能否进一步使“掌上机”变成“指尖机”(毫米或毫米以下)呢?这需要在产品设计制作上作一个大的改革。一般机械设计，需根据产品要求，提出设计方案和装配图，然后分解，逐一设计每一个零件，并按照产品要求确定每个零件的使用材料、加工工艺和零件精度，制作好的零件要按装配工艺组装调试直到整机完成。而对于“指尖”式微型机械，就不能沿用上述设计和工艺方法。原因是:首先机械零件微小，加工装配都很困难;其次，把那么微小的零件一件件加工出来再组装成机械，可想而知，成本会特别高，不利于批量生产，难以商品化;还有，提供能源和信息交换需要引线，常用的最细的引线也在零点几毫米范围，可与微型机械本身大小相比拟，因此对于微型机械，引线也是一大问题。所以微型机械的设计思想、加工工艺和装配都必须与普通机械不同。

其二，控制方法和工作方式不同。我们使用一般的机电一体化产品，一般需要人直接参与操作。如由人直接按动摄像机的开关，摄取经人选取的景物。而微型机械的特点是能在人或人手指达不到的地方工作，如在核反应堆中，在肠胃里，在航天器上。人往往不能直接操纵它，只能用遥控的方式或使微型机械智能化进行自律。

另外，普通机械通过机械运动与外界联系，可输出一定功率。对微型机械，由于本身很小，所以输出功率也极小，而且强度也不够。所以一般需避免与外部世界直接进行耦合，而往往是通过电、磁、光、声等信号与外界联系。

其三，与环境的关系不同。一方面微型机械易受外界环境的影响。普通机械有相当的体积，对外界环境的变化如温度、湿度、灰尘等远不如微型机械敏感。试想直径为100μm的齿轮转动时，一粒大小为10μm的灰尘就会将其卡死，而这在普通机械中则是不可想象的。

另一方面，微型机械对外界空间要求极小。普通机械由于有一定的体积和行程，工作时必须为它们留出相当的空间;而微型机械由于体积微小，以至几乎不需事先为它准备活动空间。

其四，不可忽视的尺度效应。微型机械由于尺度的微小，会引起力的尺度效应。因为，当机械微小化到lμm以上、1mm以下这一尺度范围时，对于微型机构和系统，虽然仍能用宏观领域的物理知识进行分析，但是，尺寸微小化对材料的力学性能和系统的物理特性，都会产生很大影响;这就需要通过尺度效应的分析，去解释在微型机械上所表现出的与宏观机械不同的现象。

我们假设物体的尺寸按比例缩小到1/10时，物体所受的与表面积有关的力(如粘性阻力)将缩小到1/100，与物体体积有关的重力或惯性力将缩小到原来的1/1000，从而使得与表面积相关的力变得更为突出，表面效应就十分明显。而微型机械一般比普通机械的尺寸要小2个、甚至4～5个数量级，这将导致微型机械与形状相似的普通机械的受力有很大的不同。比如医学用微型潜艇，由于尺度微小，其在血管中运动时受到的粘性阻力变得相当突出，螺旋桨产生的动力往往不足以克服阻力而推动其运动。因此一般在微管道中运动的微小机械，往往不用螺旋桨而用类似生物体的鞭毛回转作动力。

另外，由于尺度变小，材料的力学性质，如强度、刚度、弹性等也会发生变化。一个鲜明的例子是，加州大学布克莱分校用多晶硅制成的20μm的螺旋弹簧的弹性比普通硅片要好很多，甚至比金属弹簧还好，这是由于材料尺寸微小时，晶界、微裂纹等缺陷的影响也减小的缘故。

综上所述，我们知道微型机械不是简单按比例缩小的普通机械的副本。这两者是有本质上区别的。