30第5章 微机电系统(MEMS)

微电子概论
肖国玲 主编
第5章 微机电系统 （MEMS）
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信息系统微型化
– 系统体积大大减小 – 性能、可靠性大幅度上升 – 功耗和价格大幅度降低
信息系统的目标------微型化和集成化
– 微电子解决电子系统的微型化 – 非电子系统成为整个系统进一步缩小的关键
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控制部分 电子学
机械 部分 传感 执行
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（3）美国“龙眼”微型无人飞机 2003年，美伊战争中正式使用，是一款全自
动、可返回、手 持发射的微型飞机。飞行重量2.3kg，锂电池供 76km/h的时速飞 行1小时。噪声低于42-45分贝，15 至 30 米外 听不见。
可装在兵士的背包中，二人组可在10分钟内 组装并发射，可
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通过戴在手腕上的屏幕观察到相关信息。
计划制造一台在100公里高度上每个像素的分辨率为7米、具 有飞行功能的微型相机。使用2000×2000像素的低噪声CCD阵列， 探测器阵列面积可缩减至1.2平方厘米，集成到一个图像处理圆片 上，重量可小于1公斤。
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美国提出不用燃料的微型卫星
由美国宇航局投资的一个项目正在开发一种微型卫 星，将由地球磁场来驱动其推进系统。
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（2）以色列 “云雀” 微型侦察无人飞机
机长1.1m，翼展1.5m，重6kg，作战半径10km，持 续飞行时间 90min。
该机为便携式、电驱动的战术巡逻型监视侦察平台, 全系统包括无人机、两个发射筒、一个膝上任务控制台,
可由两名士兵携带。系统可重复使用，可在开阔地、 城市战的环境、封闭的环境，或从机动地面平台上发射。
新原理、新功能的元件和系统。 MEMS 技术是多学科交叉的前沿性研究领域，几乎
涉及到自然及工程科学的所有领域。如：电子、机械、 物理学、化学、生物医学、材料科学、能源科学等。
研究内容可归纳为以下 3 个基本方面。
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(1)理论基础
在当前 MEMS 所能达到的尺度下，宏观世界基本 的物理规律仍然起作用，但尺寸缩小会使得许多物理 现象与宏观世界有很大区别，许多原来的理论基础都 会发生变化。如：力的尺寸效应、微结构的表面效应、 微观摩擦机理等。
卫星通过向太空发射带电粒子束，或者仅靠一个放 射性同位素放射带电粒子的方式，“洛伦兹力”与其飞 行方向形成一定的垂直角度，作用到此卫星上，从而 推动此卫星飞行。
洛伦兹力：运动电荷在磁场中所受到的力称为洛伦兹力，即磁场对运动电荷的作用力。洛伦
兹力的公式为F=QvB。荷兰物理学家洛伦兹首先提出了运动电荷产生磁场和磁场对运动电荷有作
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(3)应用研究
最重要的是将MEMS技术与航空航天、信息通 信、生物化学、医疗、自动控制、消费电子以及 兵器等应用领域相结合,制作出符合各领域要求 的微传感器、微执行器、微结构等MEMS器件与系 统。
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代表性的微飞行器 （1）美国“银狐”微型无人飞机
机长1.8m，翼展2.5m，重8.6kg，120km/h的速度可 持续飞行4-6h。 机身用玻璃纤维制做，使用标准飞行发 动机，利用机腹着陆。机翼为可拆卸式，可分解装在一 个大高尔夫球袋内。飞机配带微型摄像机和全球定位系 统，已装备在美国海军陆战队。
有必要对微动力学、微流体力学、微热力学、微 摩擦学、微光学、微结构学进行深入的研究。
这方面的研究虽然受到重视，但难度较大，往往 需要多学科的学者进行基础研究。
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(2)技术基础 MEMS的技术基础可分为以下几个方面: ① 设计与仿真技术 ② 材料与加工技术 ③ 封装与装配技术 ④ 测量与测试技术 ⑤ 集成与系统技术
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（2）“翅果”
美国海军设计的转换式微型无人机。 采用一对单桨叶翼片，固定在两个共轴传动轴根上。 低速飞行时，驱动翼片由反向对转桨叶产生升力； 固定翼飞行时，两个翼片互相相对而停，变成停转桨翼。
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（3） “昆虫机”
乔治亚理工研究院和剑桥大学研制的“昆虫机” 。 使用基于往复化学肌肉的动力装置，把化学能变 为动能。“昆虫机”重量为50克。 演示机翼拍打频率 为10Hz，1立方厘米燃料可以推动100克的昆虫机飞行32 秒。
Leabharlann Baidu微电子学
MEMS
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MEMS：Micro Electromechanical System
微电子机械系统： 集微型传感器、执行器以及信号处理和控
制电路、接口电路、通信和电源于一体的微型 机电系统。
MEMS特点: 微型化，智能化，多功能，高集成度，适
于大批量生产。
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MEMS技术通过系统的微型化和集成化，探索具有
飞行航时为20～60分钟，距离大于5千米。巡航速度为每小 时56千米，高度为15--90米。提供识别一般人大小目标的图像。 通过无线电通信把信息传送地面控制板。
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（7）铅笔大小的美国“黑寡妇”微型机
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形状各异的微型机
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神奇的扑翼机
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（1）“微型蝙蝠”
加州理工学院研制的微型扑翼机，电池为动力。 钛合金骨架蒙以聚合物薄膜构成机翼，包括电池、直流支 流变流器、减速器、扑动传动机构的轻型动力传输系统。 飞行航时已达5至20秒。
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（4）哈佛大学的“机器苍蝇”
具有和苍蝇相同的主要飞行结构，重约43毫克，直径5－10毫 米，身体用纸一样薄的不锈钢制成，翅膀用聚酯树脂做成，由太阳 能电池驱动，微型压电石英驱动器以每秒180次的频率扇动它的4只 小翅膀。
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美国宇航公司纳米技术的专家们认为，用ＭＥＭＳ技术使现 有卫星分系统和部件微型化，即可研制有较强功能的微型卫星。
用力的观点，为纪念他，人们称这种力为洛伦兹力。
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“航天清华一号”微小卫星
“航天清华一号”微小卫星是具有遥感、通信、 无线电信号分析和科学实验载荷的微小型航天器。重 量轻(50公斤），2000年6月在俄罗斯成功发射运行。
(4)美国”黄蜂”微型飞行器
翼展38cm，燃料充足时140g，每次飞行15min。地面通过无 线电控制其节流阀、方向舵、飞行高低和飞行速度，用燃料电池 作动力。
由地面的无线电控制装置进行调节。黄蜂增强型可携带一台 简单自动驾驶仪和一台彩色摄像机。
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（5）美国 “微星”无人机
设计重量100克，总电功耗是15瓦。机身重为7克，电子组件 重量6克，照相机/镜头总重4克，电动机及其螺旋桨的共重为20 克。