微机械MEMS系统技术与发展动力学.ppt

4.微型生物化学芯片 　　微型生物化学芯片是利用微细加工工艺，在厘米见方的硅片或玻璃等材料上集成样品预处理器、微反应器、微分离管道、微检测器等微型生特化学功能器件、电子器件和微流量器件的微型生物化学分析系统。与传统的分析仪器相比，微型生物化学分析系统除了体积小以外，还具有分析时间短，样品消耗少，能耗低，效率高等优点。可广泛用于临床、环境临测、工业实时控制。芯片上的生物化学分析系统还使分析的并行处理成为可能，即同时分析数十种甚至上百种的样品，这将大大缩短基因测序过程，因而将成为人类基因组计划中重要的分析手段，有人称其?quot;本世界最后一次技术革命。 5.微型机器人 　　随着电子器件的不断缩小，组装时要求的精密度也在不断增加。组在，科学家正在研制微型机器人，能在桌面大小的地方组装象硬盘驱动器之类的精密小巧的产品。日本通产省的十年计划就是一例。 军队也对这种微型机器人表现了浓厚的兴趣。他们设想制造出大到鞋盒子，小到硬币大小的机器人，它们会爬行，跳跃，到达敌军后方，为不远处的部队或千里之外的总部收集情报。这些机器人是廉价的，可以大量部署，它们可以替代人进入难以进入或危险的地区，进行侦察、排雷和探测生化武器战争。 　　日本已制作出利用太阳电池的微小机器人，它只有钱币大小。太阳能电池产生的电力驱动马达使机器人向着光亮的地方前进。 6.微型飞行器 　　微型飞行器（MAV,Micro AirVehicle）一般是指长、宽、高均小于15cm，重量不超过120克，并能以可接受的成本执行某一有价值的军事任务的飞行器。这种飞行器的设计目标是有16公里的巡航范围，并能以30～60公里/小时的速度连续飞行20～30分钟。美国陆军计划把这种微型飞行器装备到陆军排，它将被广泛地用于战场侦察、通信中继和反恐怖活动。 　微型飞行器并不是传统飞机的简单缩小，尺寸的缩小带来了许多新的技术挑战。由于尺寸的缩小和速度的降低，现在常规飞机上使用的翼型设计产生足够的升力。而且，要在一个尺寸如此微小的飞行器上实现如此复杂的功能，靠常规的机电技术是难以实现的。微电子技术和微机电技术的发展，为微型飞行器的实现奠定了基础。例如，利用MEMS技术在机翼上制作微结构阵列，使其具有提供升力，控制飞行的功能，同时还能作为天线或探测器。 　　MIT（麻省理工学院）设计的微型飞行器，预计其飞行速度为30～50公里/小时，可在空中停留1小时，有侦察及导航能力。 7.微型动力系统 　　微型动力系统以电、热、动能或机械能的输出为目的，以毫米到厘米级尺寸，产生瓦到十瓦级的功率。MIT从1996年开始了微型涡轮发动机的研究，该微型涡轮发动机利用MEMS加工技术制作，主要包括一个空气压缩机、涡软机、燃烧室、燃料控制系统（包括泵、阀、传感器等）、以及电启动马达/发电机。该校已在硅片上制作出涡轮机模型。其目标是1cm直径的发动机产生10～20W的电力或0.05～0.01N的推力，最终达到100W。 　MIT正在研究一种微型双级元火箭发动机。它由5到6片硅片叠在一起组成。硅征上制作有燃烧室、喷嘴、微泵、微阀及冷却管道。整个发动机约长15mm，宽12mm，厚2.5mm。使用液态氧和乙醇作燃料，预计能产生15N的推力，推力重量比是目前大型火箭的10～100倍。 　　美国TRW公司，航空航天公司和加州理工学院（CIT）组成的研究小组提出了一个数字推进概念方案，在这个方案中，将有104～106个微推进器被集成到一块直径为10cm的硅片上。并已研制出了3×5的微推进器阵列。 8、微型热交换器 利用矽晶片采用蚀刻－微细加工法，在矽基上制造出许多平行的微沟槽，结合封装形式形成封闭的流道。 微冷却器 Micro-Cooling 下图为一毛细热管的工作流体图。基本上热管是由密闭容器，毛细结构于工作流体所构成，容器抽真空后注入适量的工作流体，然后密封。由于工作流体在容器内维持饱和状态，当容器一端受热，工作流体吸热而汽化所产生的蒸汽则流向容器另一端放热凝结，凝结液将由毛细作用力或重力回流到原来位置。 9、微型燃料电池 利用微机电制程在制作燃料电池的流道板，实现微小化。 燃料电池 工作原理图 四、MEMS的加工技术 微型机械加工技术是微型机械发展的关键基础技术，其中包括微型机械设计微细加工技术、微型机械组装和封装技术、为系统的表征和测量技术及微系统集成技术。 MEMS加工技术主要有从半导体加工工艺中发展起来的硅平面工艺和体硅工艺。八十年代中期以后利用X射线光刻、电铸、及注塑的LIGA（德文Lithograph Galvanformung und Abformug简写）技术诞生，形成了MEMS加工的另一个体系。MEMS的加工技术可包括硅表面加工和体加工的硅微细加工、LIGA加工和利用紫外光刻的准LIGA加工、微细电火花加工（