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微机电系统课件第1页/共71页 21.概述 定义与内涵微机械是20世纪80年代末出现的一项新技术。已在工业、医疗等方面获得了很多应用。微机械必将对固有产业和技术产生深远的影响，但是，由于微机械是才有十几年历史的边缘学科，在目前还有着诸多的科学难题有待于解决。 微机械的含义十分广泛，至今还没有一个权威性的定义。在微型机械的尺寸范围内，依其特征尺寸，可以划分成三个等级：1~10mm的是小型机械，1μm~1mm的是微型机械，1nm~1μm的是纳米机械或分子机械。但广义的微机械是包含上述三个等级的微小机械。 第2页/共71页 3定义与内涵微机电系统的组成框图如图1所示，它是将微机械、信息输入的微型传感器、控制器、模拟或数字信号处理器、输出信号接口、致动器(驱动器)、电源等都微型化并集成在一起，成为一个微机电系统。微机电系统内部可分成几个独立的功能单元，同时又集成为一个统一的系统。图1微机电系统的组成框图 第3页/共71页 4定义与内涵集成的微机电系统在日本仍习惯称其为微型机械，美国则称其为微机电系统(MEMS)，欧洲则称其为微系统。这些微型系统虽然被称为微机电系统，可是它的含义决不只是机械和电器件的集成，需要时可以包括声、光、化学和其他物理量的微型传感器和器件，还可以包括光学系统或其他系统。 MEMS可以在许多领域和部门得到应用，如医疗和外科手术设备、航空航天工业、科学仪器、通讯设备仪器、传感器工业、日用产品和国防等。第4页/共71页 52.微机械和微机电系统的相关基础 作为微型机械，当尺寸缩小到一定范围时，许多物理现象将与宏观世界有很大差别，许多宏观状态下的物理量和机械量都发生了变化，在微观状态下呈现出特有的规律，由此决定了微机械具有自身特有的理论基础。这时，一些常规理论必须加以修正。第5页/共71页 62.1物理参量的微尺寸效应 物体的大小一般用特征尺寸L来表征，特征尺寸L是指该物体正好可包含在边长为L的正方体内。器件特征尺寸L的变小，在进入微小尺寸领域后，对各种物理特征变化的影响程度是各不相同的。例如表面力、弹性力和粘性力与L2成比例，体积和质量与L3成比例。由于表面积与体积之比变大，表面效应突出，因此，表面效应（如静电力和表面凝聚力）将代替体积效应（质量）而占支配作用。传统机械做功往往是体积力起主导作用，运动要克服的主要是重力、惯性力等，而在微机械领域内，常常是表面力起主导作用。一般来说，当L＞1mm时，体积力起主导作用，这时需要的驱动力为F∝L3。而当L≤1mm时，表面力将起主导作用，这时需要的驱动力为F∝L2。 第6页/共71页 72.2微机械中的常用材料 按其性质可分为结构材料、功能材料和智能材料。①结构材料。是指具有一定机械强度，用于构造机械器件基本结构的材料。结构材料可以是单一材料，也可以是材料组合体。②功能材料。是指压电材料、光敏材料、形状记忆材料、磁性材料等具有特定功能的材料。可以是单一材料，也可以是复合材料。③智能材料。一般具有传感、致动和控制等方面的基本功能，能模仿人类或生物的基本特定行为，能对外界信息具有反应，对信息激励有自适应的能力。常用的智能材料有形状记忆合金、电致伸缩材料、导电聚合材料、电流变和磁流变材料、储氢材料等。④多功能材料。指微材料是多功能的，例如，在微机械中用得很多的硅晶体，因它有较好的强度和力学性能，是一种较好的结构材料；它又同时具有良好的多种传感性能，如光电效应、光电子效应、热阻效应、磁阻效应等，因此又是一种很好的功能材料。第7页/共71页 82.3微机械和微机电系统的技术基础 微机电系统(MEMS)包含多项功能、多种器件和多项技术。如图1所示。MEMS涉及的基本技术面极广，主要有下面几方面：①MEMS的设计技术。包括微结构设计、设计数据库、有限元分析、CAD/CAM、仿真、实验验证等。②MEMS的微细加工技术。包括IC加工技术、LIGA技术、微细特种加工和装配技术。③微型机械和微机电系统的材料。④微型构件和部件、微型传感器和微型执行器等。⑤微机构和微机电系统的检测。如强度、弹性模量、应力、应变等。⑥微机电系统的组装与集成。包括系统整体设计、微型机械、微型传感器、执行器和控制器的组装与集成、能源供应、接口与通讯等。第8页/共71页 93 微传感器 微传感器是微机电系统中最重要的功能部件之一，也是当前MEMS功能部件中发展最快、商业化最早的部件。微传感器因其体积小、质量轻、功耗小、成本低、使用灵活、动态性能好、品质和可靠性不降低，而受到使用者的欢迎，特别是在狭窄空间和要求质量轻的场合。微传感器体积小，又由于微加工和能集成的特点，因此微传感器已实现阵列化。由于被测量种类繁多，传感器的分类方法也有许多种，主要有：(1)按传感器工作所依据的转换原理可分为：物理、化学、生物传感器等。(2)按传感器