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MEMS的应用
MEMS 技术的应用范围广泛[24～28 ] ,MEMS 技术是一种典型的多学科交叉的前沿研究领域, 几乎涉及到自然科学及工程技术的所有领域, 如电子技术、机械技术、物理学、化学、生物医学、材料科学和能源科学等. 与不同的技术结合, 往往便会产生一种新型的MEMS 器件.
3. 1 微型传感器
微型传感器是MEMS 最重要的组成部分. 1962年,第一个硅微型压力传感器的问世开创了MEMS 技术的先河, 并一直是推动MEMS 技术不断进步的动力, 同时MEMS 技术的应用又使传感器的性能提高了几个数量级. 现在已经形成产品和正在研究中的微型传感器涉及领域有压力、力、力矩、加速度、速度、位置、流量、电量、磁场、温度、气体成分、湿度、pH 值、离子浓度和生物浓度、微陀螺、触觉传感等. 现在,微型传感器正朝着集成化和智能化的方向发展.
3. 2 微型执行器
微型执行器主要有微电机、微开关、微谐振器、微阀门和微泵等. 把微型执行器分布成阵列可以收到意想不到的效果, 如可用于物体的搬送、定位. 微型执行器的驱动方式主要有静电驱动、压电驱动、电磁驱动、形状记忆合金驱动、热双金属驱动、热气驱动等. 微型电机是一种典型的微型执行器, 可分为旋转式和直线式两类.
在MEMS2000 年会上, 瑞士的Dellmann L 等人报道了一种用于手表的微型机械加工压电弹力电机(Elastic Force Motor) , 力矩高达1μN·nm , 而功耗仅10μW. EFM 的工作原理是定子产生垂直振动, 然后由转子转换成转动. 定子由ZnO 压电层在谐振频率下产生垂直运动, 工作频率为20 kHz , 典型激励电压为4 V , 转子弹性束将垂直运动转换成转动. 与过去的定子相比, 这种新型设计使模片振动的第一种模式得到应用, 从而提高了振动的机械幅度.
3. 3 微型光机电器件和系统
随着信息技术、光通信技术的发展, 宽带的波分复用光纤网络将成为信息时代的主流, 光通信中光器件的微小型化和大批量生产成为迫切的需要. MEMS技术与光器件的结合恰好能满足这一需求. 由MEMS与光器件融合为一体的微型光机电系统(MOEMS) 将成为该领域中的一个重要研究方向. 2000 年, 美国加利福尼亚大学电气工程学院的Guo2Dung J Su 等人得到美国DARPA 支持, 使用表面微机械技术研制了高性能单晶硅反射镜二维(2D) 光扫描器, 反射镜在厚的(大于10μm) 绝缘硅(SOI) 上形成, 而且连接到表面微机械驱动器.
3. 4 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. 现在, 科学家正在研制微型机器人,能在桌面大小的地方组装如硬盘驱动器之类的精密小巧的产品. 日本通产省的10 年计划就是一例. 军事部门对这种微型机器人表现了浓厚的兴趣. 日本已制作出利用太阳能电池的微小机器人, 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.
3. 5 微型飞行器
微型飞行器一般是指长、宽、高均小于15 cm , 重量不超过120 g , 在成本可接受的情况下, 研制的一种有军事用途的飞行器. 这个飞行器的设计目标是16km 的巡航范围, 并能以30～60 km/ h 的速度连续飞行20～30 min. 美国陆军把这种微型飞行器装备到陆军, 它被广泛地用于战场侦察、通信中继和反恐怖活动. MIT(麻省理工学院) 新设计的微型飞行器, 预计其飞行速度为30～50 km/ h , 可在空中停留1 h , 具有侦察及导航能力.
3. 6 微型动力系统
微型动力系统以电、热、动能和机械能的输出为目的, 以毫米到厘米级尺寸产生1 W 到10 W 级的功率. MIT 从1996 年开始了微型涡轮发动机的研究. 它们研制的涡轮发动机利用MEMS 加工技术制作, 主要包括空气压缩机、涡轮机、燃烧室、燃料控制系统(包括泵、阀、传感器等) , 以及电动机/ 发电机. 该校已在硅片上制作出涡轮机模型, 其目标是1 cm 直径的发动机产生10～20 W 的电力或0. 05～0. 1 N 的推力,最终达到100 W. MIT 正在研究一种微型双组火箭发动机, 它由5～6 片硅片叠在一起组成. 硅片上制作有燃烧室、喷嘴、微泵、微阀及冷却管道等. 整个发动机约
长15 mm、宽12 mm、厚25 mm. 使用液态氧和乙醇燃料, 预计能产生15 N 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10 cm 的硅片上, 并已研制出了3 mm ×5 mm 的微推进器阵列.
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