第36节微机械及其微细加工技术
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第36节微机械及其微细加工技术
3.6 微机械及其微细加工技术
微机电技术已经受到工业发达国家的 高度重视。从微机电发展的总体水平看， 许多关键技术已经突破，正处于从实验 室研究走向实用化、产业化阶段。
• 美国国家自然科学基金、先进研究计划、 国防部等投资1.4亿美元进行微机电系统 技术的研究。
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第36节微机械及其微细加工技术
3.6 微机械及其微细加工技术
• 增高体温法治疗癌症：利用超声波或无 线电波的能量把身体某一部位加热到 430C以杀死癌细胞。 在治疗时温度不够效果就不好，温度 过高又会伤害周围的组织，医生很难判 断肿瘤部位是否达到这个温度。美国斯 坦福大学研究所研制的微型温度传感器 可注射到肿瘤中去。
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第36节微机械及其微细加工技术
3.6 微机械及其微细加工技术
汽车工业
安全气囊加速计、发动机压力计、自动驾驶陀螺
武器装备
制导、战场侦察（化学、震动）、武器智能化
生物医学
疾病诊断、药物研究、微型手术仪器、植入式仪器
信息和通讯
光开关、波分复用器、集成化RF组件、打印喷头
娱乐消费类
微型压力传感器：检测发动机进气管压力，微机 据此控制发动机的工作状态，如最省油或排污最 少的状态。
微加速度计：用于汽车安全气袋系统中，检测和 监控前面和侧面的碰撞。
微角速度计：用于车轮侧滑和打滚控制。
微型继电器等。
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第36节微机械及其微细加工技术
3.6 微机械及其微细加工技术
4. MEMS军事应用展望 军事领域是微机电系统技术的最早应用 领域。
微机电系统是微电子技术的延伸和拓 宽，通过传感器、致动器、信号处理、控 制等多项功能，与外部世界有机联系起来。
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第36节微机械及其微细加工技术
3.6 微机械及其微细加工技术
微机电系统的概念始于20世纪80年代， 一般泛指尺度在亚微米至亚毫米范围内 的装置。在不同国家和地区有不同的术 语和解释：
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第36节微机械及其微细加工技术
3.6 微机械及其微细加工技术
• 微机电系统是指特征尺寸在微米至毫米 范围内，由电子和机械组成的集成化器 件或系统。按外形尺寸，微机械可划分 为110mm的微小型机械,1m1mm的微机 械，以及1nm1m的纳米机械。
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第36节微机械及其微细加工技术
•3.6 微机械及其微细加工技术
微机械具有以下几个基本特点：
1.体积小(特征尺寸范围为lnm～10mm) ， 精度高，重量轻，惯性小。
2.性能稳定，可靠性高。
微机械器件体积极小，封装后几乎 可以摆脱热膨胀、噪声和挠曲等因素的 影响，具有较高的抗干扰性，可以在比 较恶劣的环境下稳定工作。
当尺寸缩小到一定范围时，许多物理现象 与宏观世界有很大差别。在微观尺寸领域， 与尺寸L的高次方成比例的惯性力、电磁力 (L8)等的作用相对减小，而与尺寸的低次方 成比例的黏性力、弹性力(L2)、表面张力 (L1)、静电力(L0)等的作用相对增大，同时 表面积(L2)与体积(L3)之比增大，热传导、 化学反应等加速和表面间的摩擦力显著增 大。
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•图 1
第36节微机械及其微细加工技术
3.6 微机械及其微细加工技术
微机电系统器件不能用总尺寸来定义，而 用特征尺寸来表征。
特征尺寸：决定器件性质和加工工艺的关 键尺寸。如扩散硅压力传感器的膜厚。
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•3.6 微机械及其微细加工技术
由于微机电系统的基于微电子技术 的背景（从微机械的加工方法来看，它 主要起源于硅集成制造技术），使其具 有集成电子器件所具有的微小、可靠、 灵敏、低耗、高效、成本低、适于大批 量生产等系列优点。
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第36节微机械及其微细加工技术
•3.6 微机械及其微细加工技术
2.与一般机械相比，微机械所表现出的智 能化程度更高、实现的功能更趋于多样 化。
国外一些有实力的半导体公司和研 究机构对微机械的研究非常重视，已研 制开发出许多有特色的产品。
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•3.6 微机械及其微细加工技术
3.能耗低，灵敏性和工作效率高（响应时 间短） 。
完成相同的工作，微机械所消耗的 能量仅为传统机械的十几或几十分之一， 却能以数十倍以上的速度运作。微机电 系统不存在信号延迟等问题，从而更适 合高速工作。
4.多功能和智能化。集约高技术成果，附 加价值高。
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3.6 微机械及其微细技术加工
二、微机电系统材料
• 硅材料 微机械加工源自于微电子集成制造，所 以在微机电系统材料中，硅是最常用的 材料。硅具有良好的机电合一特性。
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3.6 微机械及其微细技术加工
特点：
1、既有足够的机械强度，又有良好的电 性能，便于实现机电器件的集成化。
•3.6 微机械及其微细加工技术
目前，微机械的研究正在从基础 研究逐步迈向研制开发与实用阶段。 许多微传感器、微执行器以及微光 学部件已经在某些行业得到应用。
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3.6 微机械及其微细加工技术
目前微机械研究分为理论研究、技术基础 研究及应用研究三部分。
1、理论基础
• 美国称作 Micro Electro-Mechanical System - MEMS（微型电-机系统）
微型电-机系统是由电子和机械组成的集 成化器件或系统，采用与集成电路兼容 的大批量处理工艺制造，尺寸在微米到 毫米之间。
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•3.6 微机械及其微细加工技术
• 在欧洲则称作Micro System（微系统）
是指具有微米级结构，可以批量制作的、 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、甚至外围接 口、通信电路和电源等于一体的微型器 件或系统。
• 在日本称作Micro Machine（微机器）
微机器由只有几毫米大小的功能元件组 成，它能够执行复杂、细微的任务。
5.适于大批量生产，制造成本低廉。
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•3.6 微机械及其微细加工技术
具有以下一般机械所不能及的优势：
1.表现在活动空间、操作对象和工作环境 上。 微机械能够进入极狭小空间进行作 业，且不易对环境造成不必要的影响与 破坏。微机械还可以面对很脆弱、易损 伤的工作对象。微机械还可出现于人类 所不能及或不适宜的工作环境。
微细加工技术：微机械的技术关键，目前 常用的方法包括起源于半导体IC加工工艺 的硅微细加工、微细电火花加工等特种精 密加工、LIGA技术、微组装技术等。
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第36节微机械及其微细加工技术
3.6 微机械及其微细加工技术
微系统测量技术：设计材料的机械性能、 微构件或微系统参数与性能测试等，微型 薄膜构件的弹性模量、泊松比、拉伸强度、 残余应力、韧性等。在测量基础上建立相 关的数据库和数学、力学模型，从而进一 步服务于以后的设计、制造、改进以及测 量过程。
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第36节微机械及其微细加工技术
3.6 微机械及其微细加工技术
因此，许多宏观物理量进入微观尺度 后甚至需要重新定义。相关学科，如微电 子学、微机械学、微光学、微动力学、微 流体力学、微热力学、微摩擦学、微结构 学和微生物学等共同构成了微机械研究的 理论基础。
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第36节微机械及其微细加工技术
3.6 微机械及其微细加工技术
• 血管成形手术：在动脉中推动一个小气 球来清除动脉壁上的硬化瘢块。 通过注射或吞服法将微机械加工法 制成的微型压力传感器放到气球里面， 医生通过它可以知道瘢块清除工作进行 得怎样。
• 通过微机械加工技术已经能够制造出可 以夹起一个红细胞的微型镊子。
第36节-微机械及其微细 加工技术
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2020/11/25
第36节微机械及其微细加工技术
3.6 微机械及其微细加工技术
微机械是80年代末出现的一门崭新的 学科，被誉为21世纪最具代表性的技术之 一。
微机电系统与微电子学、信息学、材 料科学和纳米技术的发展等密切相关。被 公认为21世纪的重点发展学科，是国家重 点发展的高技术产业。
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•3.6 微机械及其微细加工技术
二 微型机械发展现状及展望
1. 微型仪器
微型仪器实际上就是具有仪器功能 的MEMS产品，是MEMS技术与微电子技术 综合集成的产物。它具有一般仪器具有 的监测、测量、分析、诊断、控制和执 行功能，是一种新型的智能结构。其基 本结构模式为：
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第36节微机械及其微细加工技术
•3.6 微机械及其微细加工技术
3. MEMS在汽车工业的应用
汽车内安装的微型传感器已达几十个，用来传感 气囊、压力、温度、湿度等的情况，以及进行智 能控制。其中用于制导、卫星控制的微惯性传感 器及微型惯性测量组合在汽车中可用于自动驾驶、 防撞气囊、防报死系统（ABS）等。
3.6 微机械及其微细加工技术
2、技术基础
微机械涉及的基础技术主要有：微机械设 计，微机械材料，微细加工，集成技术， 微装配和封装，微测量，微能源，微系统 控制等。
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第36节微机械及其微细加工技术
3.6 微机械及其微细加工技术
微机械设计技术包括：微结构设计、弹塑 性有限元分析、CAD/CAM技术、数据库技 术、微系统建模与仿真等。
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第36节微机械及其微细加工技术
百度文库
3.6 微机械及其微细加工技术
微系统的集成与控制：涉及系统设计、微 传感器或微执行器与控制处理电路的集成、 能源供给、接口通讯等。
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3.6 微机械及其微细加工技术
3、应用研究
微机械在精密仪器、生物医学，特别是空 间狭小、操作精度高、功能高度集成的航 空航天设备领域，有着巨大的应用潜力。
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第36节微机械及其微细加工技术
3.6 微机械及其微细加工技术
• 欧共体为了加强各国之间的组织和合作， 成立了NEXUS（多功能微系统研究合作 机构）组织。德国20世纪80年代中期发 展的LIGA工艺，研究人员在实验室里制 造出了微传感器、微电机、微执行器、 微型流量计以及直径为数百微米的金属 双联齿轮等微机械零件。
• 日本制定了纳米制造计划、埃技术计划、 微型机器人计划。目前日本共有以企业
为中心的60多个微机电系统研究组。成 立了微机械中心和微机械学会。
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第36节微机械及其微细加工技术
3.6 微机械及其微细技术加工
• 我国的微系统研究起步并不晚，目前从 事微机电系统研究的单位有60多个，主 要集中在高校、中科院及信息产业部的 研究所。已积累了一些基础技术，取得 了一些传感器和微执行器的研究经验和 科研成果，多数为实验室产品，商品化 工作刚刚起步，离产业化要求相距甚远。
微传感器+信号和数据处理电路（含控 制软件）+外显示器或微执行器
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第36节微机械及其微细加工技术
•3.6 微机械及其微细加工技术
(1) 微光谱仪
(2) MEMS显示器
美国Texas Instruments研究用于投影显示装置 的数字驱动微镜阵列芯片（Digital Micromirror device-DMD）。已成功利用 768×576像素的DMD芯片制出彩色电视投影仪。 DMD芯片利用硅表面微加工工艺制作，一个微 镜的尺寸仅16um×16um。
(3) 微型化学传感器及微型粘度仪
利用微机械薄膜（厚度仅3um）对化学分子的 吸收，改变薄膜的体积，导致性能发生改变。
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•3.6 微机械及其微细加工技术
2. MEMS在医疗和生物技术领域的应用
生物细胞的典型尺寸为1～10um，生 物大分子的厚度为纳米量级，长度为微 米量级。微型器件尺寸也在这范围之内， 因而适合操作生物细胞和生物大分子。 另外，临床分析化验和基因分析遗传诊 断所需要的各种微泵、微阀、微镊子、 微沟槽、微器皿和微流量计等。
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3.6 微机械及其微细加工技术
微机电技术已经受到工业发达国家的 高度重视。从微机电发展的总体水平看， 许多关键技术已经突破，正处于从实验 室研究走向实用化、产业化阶段。
• 美国国家自然科学基金、先进研究计划、 国防部等投资1.4亿美元进行微机电系统 技术的研究。
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第36节微机械及其微细加工技术
3.6 微机械及其微细加工技术
• 增高体温法治疗癌症：利用超声波或无 线电波的能量把身体某一部位加热到 430C以杀死癌细胞。 在治疗时温度不够效果就不好，温度 过高又会伤害周围的组织，医生很难判 断肿瘤部位是否达到这个温度。美国斯 坦福大学研究所研制的微型温度传感器 可注射到肿瘤中去。
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第36节微机械及其微细加工技术
3.6 微机械及其微细加工技术
汽车工业
安全气囊加速计、发动机压力计、自动驾驶陀螺
武器装备
制导、战场侦察（化学、震动）、武器智能化
生物医学
疾病诊断、药物研究、微型手术仪器、植入式仪器
信息和通讯
光开关、波分复用器、集成化RF组件、打印喷头
娱乐消费类
微型压力传感器：检测发动机进气管压力，微机 据此控制发动机的工作状态，如最省油或排污最 少的状态。
微加速度计：用于汽车安全气袋系统中，检测和 监控前面和侧面的碰撞。
微角速度计：用于车轮侧滑和打滚控制。
微型继电器等。
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3.6 微机械及其微细加工技术
4. MEMS军事应用展望 军事领域是微机电系统技术的最早应用 领域。
微机电系统是微电子技术的延伸和拓 宽，通过传感器、致动器、信号处理、控 制等多项功能，与外部世界有机联系起来。
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第36节微机械及其微细加工技术
3.6 微机械及其微细加工技术
微机电系统的概念始于20世纪80年代， 一般泛指尺度在亚微米至亚毫米范围内 的装置。在不同国家和地区有不同的术 语和解释：
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3.6 微机械及其微细加工技术
• 微机电系统是指特征尺寸在微米至毫米 范围内，由电子和机械组成的集成化器 件或系统。按外形尺寸，微机械可划分 为110mm的微小型机械,1m1mm的微机 械，以及1nm1m的纳米机械。
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第36节微机械及其微细加工技术
•3.6 微机械及其微细加工技术
微机械具有以下几个基本特点：
1.体积小(特征尺寸范围为lnm～10mm) ， 精度高，重量轻，惯性小。
2.性能稳定，可靠性高。
微机械器件体积极小，封装后几乎 可以摆脱热膨胀、噪声和挠曲等因素的 影响，具有较高的抗干扰性，可以在比 较恶劣的环境下稳定工作。
当尺寸缩小到一定范围时，许多物理现象 与宏观世界有很大差别。在微观尺寸领域， 与尺寸L的高次方成比例的惯性力、电磁力 (L8)等的作用相对减小，而与尺寸的低次方 成比例的黏性力、弹性力(L2)、表面张力 (L1)、静电力(L0)等的作用相对增大，同时 表面积(L2)与体积(L3)之比增大，热传导、 化学反应等加速和表面间的摩擦力显著增 大。
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•图 1
第36节微机械及其微细加工技术
3.6 微机械及其微细加工技术
微机电系统器件不能用总尺寸来定义，而 用特征尺寸来表征。
特征尺寸：决定器件性质和加工工艺的关 键尺寸。如扩散硅压力传感器的膜厚。
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第36节微机械及其微细加工技术
•3.6 微机械及其微细加工技术
由于微机电系统的基于微电子技术 的背景（从微机械的加工方法来看，它 主要起源于硅集成制造技术），使其具 有集成电子器件所具有的微小、可靠、 灵敏、低耗、高效、成本低、适于大批 量生产等系列优点。
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第36节微机械及其微细加工技术
•3.6 微机械及其微细加工技术
2.与一般机械相比，微机械所表现出的智 能化程度更高、实现的功能更趋于多样 化。
国外一些有实力的半导体公司和研 究机构对微机械的研究非常重视，已研 制开发出许多有特色的产品。
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第36节微机械及其微细加工技术
•3.6 微机械及其微细加工技术
3.能耗低，灵敏性和工作效率高（响应时 间短） 。
完成相同的工作，微机械所消耗的 能量仅为传统机械的十几或几十分之一， 却能以数十倍以上的速度运作。微机电 系统不存在信号延迟等问题，从而更适 合高速工作。
4.多功能和智能化。集约高技术成果，附 加价值高。
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二、微机电系统材料
• 硅材料 微机械加工源自于微电子集成制造，所 以在微机电系统材料中，硅是最常用的 材料。硅具有良好的机电合一特性。
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3.6 微机械及其微细技术加工
特点：
1、既有足够的机械强度，又有良好的电 性能，便于实现机电器件的集成化。
•3.6 微机械及其微细加工技术
目前，微机械的研究正在从基础 研究逐步迈向研制开发与实用阶段。 许多微传感器、微执行器以及微光 学部件已经在某些行业得到应用。
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第36节微机械及其微细加工技术
3.6 微机械及其微细加工技术
目前微机械研究分为理论研究、技术基础 研究及应用研究三部分。
1、理论基础
• 美国称作 Micro Electro-Mechanical System - MEMS（微型电-机系统）
微型电-机系统是由电子和机械组成的集 成化器件或系统，采用与集成电路兼容 的大批量处理工艺制造，尺寸在微米到 毫米之间。
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第36节微机械及其微细加工技术
•3.6 微机械及其微细加工技术
• 在欧洲则称作Micro System（微系统）
是指具有微米级结构，可以批量制作的、 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、甚至外围接 口、通信电路和电源等于一体的微型器 件或系统。
• 在日本称作Micro Machine（微机器）
微机器由只有几毫米大小的功能元件组 成，它能够执行复杂、细微的任务。
5.适于大批量生产，制造成本低廉。
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•3.6 微机械及其微细加工技术
具有以下一般机械所不能及的优势：
1.表现在活动空间、操作对象和工作环境 上。 微机械能够进入极狭小空间进行作 业，且不易对环境造成不必要的影响与 破坏。微机械还可以面对很脆弱、易损 伤的工作对象。微机械还可出现于人类 所不能及或不适宜的工作环境。
微细加工技术：微机械的技术关键，目前 常用的方法包括起源于半导体IC加工工艺 的硅微细加工、微细电火花加工等特种精 密加工、LIGA技术、微组装技术等。
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第36节微机械及其微细加工技术
3.6 微机械及其微细加工技术
微系统测量技术：设计材料的机械性能、 微构件或微系统参数与性能测试等，微型 薄膜构件的弹性模量、泊松比、拉伸强度、 残余应力、韧性等。在测量基础上建立相 关的数据库和数学、力学模型，从而进一 步服务于以后的设计、制造、改进以及测 量过程。
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3.6 微机械及其微细加工技术
因此，许多宏观物理量进入微观尺度 后甚至需要重新定义。相关学科，如微电 子学、微机械学、微光学、微动力学、微 流体力学、微热力学、微摩擦学、微结构 学和微生物学等共同构成了微机械研究的 理论基础。
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第36节微机械及其微细加工技术
3.6 微机械及其微细加工技术
• 血管成形手术：在动脉中推动一个小气 球来清除动脉壁上的硬化瘢块。 通过注射或吞服法将微机械加工法 制成的微型压力传感器放到气球里面， 医生通过它可以知道瘢块清除工作进行 得怎样。
• 通过微机械加工技术已经能够制造出可 以夹起一个红细胞的微型镊子。
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第36节微机械及其微细加工技术
3.6 微机械及其微细加工技术
微机械是80年代末出现的一门崭新的 学科，被誉为21世纪最具代表性的技术之 一。
微机电系统与微电子学、信息学、材 料科学和纳米技术的发展等密切相关。被 公认为21世纪的重点发展学科，是国家重 点发展的高技术产业。
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第36节微机械及其微细加工技术
•3.6 微机械及其微细加工技术
二 微型机械发展现状及展望
1. 微型仪器
微型仪器实际上就是具有仪器功能 的MEMS产品，是MEMS技术与微电子技术 综合集成的产物。它具有一般仪器具有 的监测、测量、分析、诊断、控制和执 行功能，是一种新型的智能结构。其基 本结构模式为：
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•3.6 微机械及其微细加工技术
3. MEMS在汽车工业的应用
汽车内安装的微型传感器已达几十个，用来传感 气囊、压力、温度、湿度等的情况，以及进行智 能控制。其中用于制导、卫星控制的微惯性传感 器及微型惯性测量组合在汽车中可用于自动驾驶、 防撞气囊、防报死系统（ABS）等。
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2、技术基础
微机械涉及的基础技术主要有：微机械设 计，微机械材料，微细加工，集成技术， 微装配和封装，微测量，微能源，微系统 控制等。
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微机械设计技术包括：微结构设计、弹塑 性有限元分析、CAD/CAM技术、数据库技 术、微系统建模与仿真等。
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3.6 微机械及其微细加工技术
微系统的集成与控制：涉及系统设计、微 传感器或微执行器与控制处理电路的集成、 能源供给、接口通讯等。
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3、应用研究
微机械在精密仪器、生物医学，特别是空 间狭小、操作精度高、功能高度集成的航 空航天设备领域，有着巨大的应用潜力。
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3.6 微机械及其微细加工技术
• 欧共体为了加强各国之间的组织和合作， 成立了NEXUS（多功能微系统研究合作 机构）组织。德国20世纪80年代中期发 展的LIGA工艺，研究人员在实验室里制 造出了微传感器、微电机、微执行器、 微型流量计以及直径为数百微米的金属 双联齿轮等微机械零件。
• 日本制定了纳米制造计划、埃技术计划、 微型机器人计划。目前日本共有以企业
为中心的60多个微机电系统研究组。成 立了微机械中心和微机械学会。
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3.6 微机械及其微细技术加工
• 我国的微系统研究起步并不晚，目前从 事微机电系统研究的单位有60多个，主 要集中在高校、中科院及信息产业部的 研究所。已积累了一些基础技术，取得 了一些传感器和微执行器的研究经验和 科研成果，多数为实验室产品，商品化 工作刚刚起步，离产业化要求相距甚远。
微传感器+信号和数据处理电路（含控 制软件）+外显示器或微执行器
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•3.6 微机械及其微细加工技术
(1) 微光谱仪
(2) MEMS显示器
美国Texas Instruments研究用于投影显示装置 的数字驱动微镜阵列芯片（Digital Micromirror device-DMD）。已成功利用 768×576像素的DMD芯片制出彩色电视投影仪。 DMD芯片利用硅表面微加工工艺制作，一个微 镜的尺寸仅16um×16um。
(3) 微型化学传感器及微型粘度仪
利用微机械薄膜（厚度仅3um）对化学分子的 吸收，改变薄膜的体积，导致性能发生改变。
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•3.6 微机械及其微细加工技术
2. MEMS在医疗和生物技术领域的应用
生物细胞的典型尺寸为1～10um，生 物大分子的厚度为纳米量级，长度为微 米量级。微型器件尺寸也在这范围之内， 因而适合操作生物细胞和生物大分子。 另外，临床分析化验和基因分析遗传诊 断所需要的各种微泵、微阀、微镊子、 微沟槽、微器皿和微流量计等。