微机电系统概论

微机电系统概论第1页，共95页，2023年，2月20日，星期六主要内容1、微机电系统概论2、微机电系统功能材料3、微机械加工制造技术4、微机械执行器5、微机械传感器6、微机械弱信号检测与处理7、微机电系统设计技术8、微封装、微构件及微尺寸效应第2页，共95页，2023年，2月20日，星期六

参考书莫锦秋梁庆华等，《微机电系统设计与制造》，化学工业出版社，2004.3刘广玉樊尚春等，《微机械电子系统及其应用》，北京航空航天大学出版社，2003.2（美）徐泰然著，王晓浩等译《MEMS和微系统—设计与制造》，机械工业出版社，2004.1梅涛伍小平主编，《微机电系统》，化学工业出版社，2003.1[德]W.MenzJ.Mohr等著，王春海于杰等译《微系统技术》，化学工业出版社，2003.9第3页，共95页，2023年，2月20日，星期六

第一部分

微机电系统概论

（微机电系统的起源、国内外发展现状及应用）第4页，共95页，2023年，2月20日，星期六简介机械与机电系统；宏观机电系统与微机电系统微机电系统：它是以微传感器、微执行器以及驱动和控制电路为基本元器件组成的、可以活动和控制的、机电合一的微机械装置。特点：

1、学科交叉（力学、机械、电学、光学、电磁学、生物、化学等学科）2、微型化、集成化和智能化；3、低成本批量化；4、应用广泛（军民两用）5、高新技术。微机电系统的相关术语：

MEMS(MicroelectromechanicalSystems)（美国）

MicroMachine（日本）

MicroSystemTechnology（欧洲）第5页，共95页，2023年，2月20日，星期六微机电系统的组成微机械电子系统(微机电系统)的组成：

一般可定义为由微米和纳米加工技术制作而成的，融机、电、光、磁以及其他相关技术群为一体的，可以活动和控制的微工程系统。目前，人们泛称其为MEMS。它是以微传感器、微执行器以及驱动和控制电路为基本元器件组成的、自动化性能高的、可以活动和控制的、机电合一的微机械装置。用它进行的操作是极其微细的，有的操作已经到了单个细胞乃至分子范筹；有的微型敏感元件能敏感到单个原子，能进行原子量级的探测。如此细微的工作状况，用肉眼是不能分辨的，必须借助显微术或专用仪器来观察和控制。第6页，共95页，2023年，2月20日，星期六微机电系统的发展状况

微机械电子系统，即微机械技术，是20世纪80年代后期国际上兴起的一项高技术。它以集成电路技术、表面加工技术和纳米精加工技术为基础，具有极大的学科交叉性，微机电系统的设计与制造涉及到设计、材料、制造、测试、控制、能源以及连接等相关技术。与传统机械系统相比，除在尺度上很小外，它还是一种高度智能化和高度集成化的系统。微机电系统的研究是制造技术上的一场革命，在21世纪的机械发展过程中将占有主导地位。

微机械技术将是一项新兴的产业，会优先在生物、医疗、航空、航天、电子产品、过程控制及测试技术等领域获得广泛的应用。第7页，共95页，2023年，2月20日，星期六集成电路技术的发展第8页，共95页，2023年，2月20日，星期六半导体晶体管计算机第9页，共95页，2023年，2月20日，星期六上世纪末的微型计算机芯片第10页，共95页，2023年，2月20日，星期六第11页，共95页，2023年，2月20日，星期六国外的发展现状（1）美国

国家科学基金、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研究。在军方资助下，完成了《微电子机械系统的军事应用》研究报告。主要研究方向：

精密制导武器、灵巧武器、侦察通讯、破坏敌方指挥系统及战斗力、研制微型卫星及纳米卫星等。主要实用化成果：

Park公司开发研制出用于扫描隧道显微镜（STM）和原子力显微镜（AFM）的微型传感器；Texas公司开发出用于彩色图像投影显示的数字镜面器件（DMD）；AD公司开发研制的加速度计，管芯尺寸为1.5mm*1.5mm，量程达50g，灵敏度为15mv/g等。第12页，共95页，2023年，2月20日，星期六国外的发展现状（2）欧共体

成立了NEXUS（多功能微系统研究合作机构）组织；德国制定了微机械系统技术计划（1990～1995投资共40亿马克），20世纪80年代中期发展了一种LIGA（深度同步辐射X射线光刻、电镀和模铸）工艺，深化了平面加工技术，实现了高宽比大于200的三维立体结构的加工制造，被加工材料也扩展为金属、塑料和陶瓷。被公认为是一种最有发展前景的超微细加工方法。主要研究机构和实用化成果

Karlsruhe核研究中心、微技术研究所（IMM）、Microparts公司等。已开发研制出微传感器、微电机、微执行器、集成光学和微光学元件、微型流量计以及直径为数百微米的金属双联齿轮等。第13页，共95页，2023年，2月20日，星期六国外的发展现状（3）日本

制定了纳米制造计划（1985～1990年）、埃技术计划（1992～2001年计划投资1.85亿美元）、微机器人计划。计划生产两台微型机器人用于医学诊断（或微型手术）和飞机发动机（或原子能设备）的微小裂纹的维修诊断。现有MEMS研究机构60余个（企业占2／3），1990年成立了微机械中心（MMC）和微机械学会（MST）。每年举办一次MEMS国际研讨会。主要实用性成果

利用电火花加工技术、IC技术和光成型技术加工出各种传感器和执行器，研制成功主要用于生物和医疗的微型机器人。有三本专著出版。第14页，共95页，2023年，2月20日，星期六国内的发展现状主要研究机构华北地区：清华大学、北京大学、中科院电子所、信息产业部13所、华北工学院微米纳米技术研究中心等。华东地区：中科院上海冶金所、上海交通大学、复旦大学、东南大学、浙江大学、上海大学、厦门大学等。东北地区：信息产业部49所、哈尔滨工业大学、中科院长春光机所、大连理工大学、沈阳仪器仪表工艺研究所等。西南地区：重庆大学、信息产业部24所、26所、44所等。西北地区：西安交通大学、航空618所、航天771所、航天16所等。第15页，共95页，2023年，2月20日，星期六

国内的主要研究现状及成果清华大学广泛开展了多种微型传感器(微加速度计、微陀螺、微磁场计、微压力传感器、微流量传感器、微麦克风等)、微泵、微阀、微喷、微毛细管电泳仪、微光开关、RF-MEMS器件、微光谱仪、DNA芯片等的研究。其中，微加速度计和微泵正在准备生产；微毛细管电泳仪已经制成样机，可以用于药物分析和环境监测，具有广阔的市场前景，正在向市场化推进。清华大学于2000年6月发射成功进入700km太阳轨道的“航天清华一号”微小卫星，运行状况良好。其特点是质量轻(50kg)、体积小(0.07)、研制周期短(约1年)、成本低、功能密度高，体现了我国MEMS技术在微小卫星中的应用取得重大突破。第16页，共95页，2023年，2月20日，星期六北京大学微电子所北京大学微电子所

以IC加工生产线为基础，开展了体硅工艺和表面工艺研究，已形成了较成熟的工艺技术，研制了硅微高加速度计、微化学传感器等，计划利用2年时间实现微型继电器、可调电容和微光学器件的小批量生产，已经得到环宇－青岛公司的资金投入。第17页，共95页，2023年，2月20日，星期六信息产业部13所

信息产业部13所

已经建成体硅加工的小批量制造基地，研制了微加速度计、微陀螺、红外隧穿传感器、微光器件等，“十五计划”期间，他们将发展重点放在航空航天和信息技术领域，准备开发微小卫星、惯性组件、RF—MEMS器件和光交换设备等。第18页，共95页，2023年，2月20日，星期六信息产业部49所信息产业部49所

从20世纪80年代初就开始从事微传感器的相关研究，主要制造不同规格的微压力传感器、气敏／湿敏传感器、流量传感器等，并研制为武器装备配套的微加速度计第19页，共95页，2023年，2月20日，星期六中国科学院上海冶金所中国科学院上海冶金所研制了微加速度计、微陀螺、微压力传感器、微红外传感器阵列、微光器件等多种MEMS器件，作为首席专家单位主持973项目“集成微光机电系统”研究，并开展了微小卫星的研究。第20页，共95页，2023年，2月20日，星期六沈阳仪器仪表研究所沈阳仪表科学研究院（沈阳仪器仪表研究所）

生产的微硅压力传感器系列、双向静压过载微差压传感器系列，市场需求量较大，已形成小规模生产能力。第21页，共95页，2023年，2月20日，星期六信息产业部24所信息产业部24所–重庆

主要生产专用模拟集成电路，拥有各种IC生产线，他们从“九五”开始与重庆大学合作进行MEMS的研究，参与了微触觉传感器和生物芯片的生产。第22页，共95页，2023年，2月20日，星期六东南大学东南大学东南大学和国际风险投资资金合作成立有E-life公司，主要开发生产有自主知识产权的DNA分析芯片及其相配套的平台。这种高密度的芯片将被用来建立人口基因档案，为公安等部门服务。该芯片及其平台在医院中可以代替传统的基因检测方法，具有速度快、成本低的优点。目前，E-life公司正在与医院进行联合研究，可望形成较大的产值。东南大学还研制了硅微加速度计和陀螺等。第23页，共95页，2023年，2月20日，星期六中北大学（华北工学院）微米纳米技术研究中心

主要从事微机械加速度计、微陀螺和微惯性测量组合的应用系统研究，正在开展军用和民用的惯性系统、新型的单兵作战系统以及道路、桥梁的监测系统等方面的研究工作。第24页，共95页，2023年，2月20日，星期六浙江大学浙江大学

研制的纳米碳管、微透镜阵列、蛋白质生物芯片比较成熟，可望投入生产。另外他们也很重视设备的研制，可以向市场提供反应离子束蚀刻机、双元STM纳米检测仪。他们还研制了硅微加速度计、微陀螺、微真空计、微高度计等。第25页，共95页，2023年，2月20日，星期六重庆大学重庆大学

研究了微加速度阵列、光压力传感器、触觉传感器、细胞流变学测量仪、微型光谱仪等。第26页，共95页，2023年，2月20日，星期六中国科学院电子所中国科学院电子所开发了微气敏传感器、微波功率传感器、谐振式和真空微电子压力传感器、微pH传感器等。他们的另一个研究重点是微生物传感器和微分析系统，正在研究微芯片PCR扩增仪、CE微型毛细管电泳仪、DNA微型检测仪等。第27页，共95页，2023年，2月20日，星期六中国科学院合肥智能机械研究所中国科学院合肥智能机械研究所从1989年起就开始进行微机械加工技术研究，以MEMS技术为主要实现手段，以研制生物医学、航天等领域的微型传感器与微型机器人系统为目标，研究微传感器、微执行器与微系统。研究了硅各向异性腐蚀工艺、电化学掺杂选择腐蚀工艺、硅—硅静电键合工艺，研制了硅微力传感器、微结构气敏阵列传感器、集成化硅触觉阵列传感器、微型三维力传感器、表面微加工转速传感器、无线驱动体内微机器人等。目前正在研制爆炸物探测微阵列、微型六维力探针、柔性触觉传感器、能够进入人体肠胃进行检查的微机器人等微机电系统。第28页，共95页，2023年，2月20日，星期六哈尔滨工业大学主要研究机构

航天学院MEMS中心、机器人研究所MEMS研究组、机电工程学院微机电研究室、机械制造及其自动化MEMS研究组等。第29页，共95页，2023年，2月20日，星期六微机电系统的特征尺寸微小是微机电系统的基本特征

当尺寸小到微米或亚微米量级时，会产生微尺寸效应。它的影响将反映到诸如结构材料、设计理论、制造方法、在微小范围内各种能量的相关作用及测量技术等许多方面。也就是说，工程上常用的尺寸缩放法不适用于由微尺寸元器件组成的微装置；因而，传统的设计理论、方法及一些物理定律不能完全套用，许多理念需要更新和重新建立，必须从新的构思出发去探索微机械由于尺寸效应形成的一些特殊现象和规律。第30页，共95页，2023年，2月20日，星期六微尺寸效应的影响1、微尺寸效应对于元器件间的作用力的影响

随着尺寸的减小，与尺寸3次方成比例的像惯性力、体积力及电磁力等的作用将明显减弱；而与尺寸2次方成比例的像粘性力、表面力、静电力及摩擦力等的作用则明显增强，并成为影响微机械性能的主要因素。在微机械设计中，多利用静电力驱动。在微机械中，又由于表面积与体积之比相对增大，使热传导的速度也相对增加。研究微机械中的摩擦、磨损的特性与机理是该领域的主要课题之一。第31页，共95页，2023年，2月20日，星期六2、微尺寸效应对于元器件机械强度的影响

随着元器件尺寸的减小，元器件材料内部缺陷出现的可能性减小，因而元器件材料的机械强度会增加。所以微型元器件的弹性模量、抗拉强度、疲劳强度及残余应力均与大零件有所不同。3、微尺寸效应对于元器件惯性和热容量的影响

由于微尺寸效应，导致微机电系统的惯性小、热容量低，容易获得高灵敏度和快速响应。第32页，共95页，2023年，2月20日，星期六4、微尺寸效应对于元器件信号检测的影响

由于微尺寸效应，导致微机电系统的前端装置（如微传感器）的输出信号十分微小，传统的测量工具和仪器难以实现如此微弱信号的检测，必须创造新的测量设备。第33页，共95页，2023年，2月20日，星期六5、微尺寸效应对于元器件设计方法的影响

微机电系统尺度的缩小，集成化程度的提高．会导致工序增多，成本增高；所以应在试制前对整个微机电系统的器件、工艺及性能进行模拟分析，对各种参数进行优化，以保证微系统的设计合理、正确，降低研制成本，缩短研制周期。显然，传统的设计方法(基本上为试凑法)巳难以满足上述新要求，必须寻求新的设计途径。其中最流行的设计方法就是微机电系统的计算机辅助设计(MEMSCAD)。运用MEMSCAD，除了借鉴已有的机械CAD和电子工具外，还必须针对特定的微系统，开发专用的CAD建模软件。该研究方向有大量的工作要做。第34页，共95页，2023年，2月20日，星期六微机电系统的材料微机电系统常用材料传统的机电系统，用得最多的是金属材料，采用传统的机械制造工艺制作而成；而微机电系统最常用的则是硅及其化合物材料。以及特种合金、石英、塑料和陶瓷等。1982年K.E.Petersen发表了一篇著名的论文“硅作为机械材料”，引起了人们对硅的重新认识。硅及其合金材料的特点硅是容易获得的超纯无杂的低成本材料，有极好的机械特性和电学特性，非常适合制造微结构；便于利用集成电路(IC)工艺和微机械加工工艺进行批量生产；硅微结构便于和微电子线路实现集成化。第35页，共95页，2023年，2月20日，星期六微机电系统的制造技术微机电系统制造的特点

由于微机电系统及器件多种多样，不仅和微电子之间有交联，还和外界其它物理量相互作用，并且为体型结构。因此，虽然集成电路制造技术，包括版图设计、刻蚀工艺、薄膜工艺以及模拟技术等已发展得较为成熟，能成功地用于微电子器件和集成电路的制作，但它不能完全满足微机电系统及其器件的制造要求。微机电系统专用制造方法

体型加工技术、表面加工技术、LIGA（深度同步辐射X射线光刻、电镀和模铸）技术、构件间的相互组装技术、键合及封装技术等。第36页，共95页，2023年，2月20日，星期六微机电系统的测量技术由于微尺寸效应，导致微传感器、微执行器等的输出量衰减到微弱信号级如运动位移、振幅及形变小到亚微米和纳米量级。将它们变换成可供接收和处理的电信息时，相应的电压量小到微伏、亚微伏乃至nV，电流量小到nA，电容量小到(0.1～.001)pF。为了把如此微弱的有用信号从强噪声背景下提取出来，从设计上考虑，必须遵循的原则是：●设计合理的集成检测电路布局；●检测电路必须与微机械装置(如微传感器)尽量靠近，最好能与传感器实现单片集成或混合集成；●尽量减短微系统的尺寸链。第37页，共95页，2023年，2月20日，星期六微机电系统功能元件测量仪器扫描隧道显微镜（STM）工作原理

利用超细的金属纳米探针(纳米尖)和被测样件表面构成2个电极，当探针尖与样件表面非常接近(如1nm)时，在探针与表面形成的电场作用下，将产生隧道电流效应，即电子会穿过二者之间的空隙从一个电极流向另一个电极。隧道电流的大小与空隙大小有关。当空隙增大时，电流以指数形式衰减，若空隙增大0.1nm，电流减小1个数量级，灵敏度极高。测出探针在非常接近的被测样件表面上扫描产生的隧道电流变化，即可得知样件表面在nm尺度内各点位置的微细变化，即表面的三维空间形貌。第38页，共95页，2023年，2月20日，星期六扫描显微术主要组成部份第39页，共95页，2023年，2月20日，星期六原子力显微镜（AFM）工作原理在STM的基础上，现己发展了多种扫描探针的显微技术，以适应不同领域的需要。这些显微技术都是利用探针与样件的不同相互作用，探测表面或界面在nm尺度上表现出来的微细变化。如原子力显微镜AFM，就是利用探针和被测表面之间微弱力的相互作用这一物理现象，对被测样件表面进行扫描测量，得知纳米形貌。AFM的探测力极其微弱，在N之间，形成与被测表面轻微接触或接近于非接触(相互作用力仅为几nN)的模式。这种程度的接触模式是不会使样件表面产生形变和损伤的。第40页，共95页，2023年，2月20日，星期六

AFM扫描测量结果示例用AFM扫描测量出的多晶硅芯片的表面粗糙度第41页，共95页，2023年，2月20日，星期六微机电系统的应用第42页，共95页，2023年，2月20日，星期六一、在航空航天方面的应用微机电系统在飞行器的电子设备、飞行器设计及微小卫星等技术方面都有重要的应用。

如图所示为机载分布式大气数据计算机，由多功能微型大气数据探头、微型压力传感器以及信号处理单元直接组成，并封装在壳体内，形成一个微机电系统。其工作原理是：多功能微型大气数据探头把感受到的大气数据直接输入相应的微传感器，并将其变换为电信号，再经信号处理单元解算和补偿后，以总线信号方式提供给飞机上飞控、火控、导航及环境控制等各系统使用。与现在飞机上使用的常规型分离式大气数据计算机相比，其体积和质量下降1～2个数量级。减轻质量和减小体积．对于飞机和空间飞行器来说是至关重要的。第43页，共95页，2023年，2月20日，星期六分布式大气数据计算机第44页，共95页，2023年，2月20日，星期六由微机电功能单元构造的机敏材料与结构现代飞机和飞行器的结构更多地采用复合材料，已成为发展趋势。尤其引人注目的是，在复合材料内分布嵌入微机电系统功能单元(微传感器十微执行器十微电子线路)，便可得到期望的、程序可控的材料和结构组态。这些材料和结构被称为机敏材料和机敏结构。这种机敏结构具有自我监测和检测的功能，能连续地对结构的应力、振动、声、加速度、气动阻力及结构完好性(或损伤)等多种状态实施监测和检测。例如．若将能测量和控制气动涡流和扰动气流的MEMS单元分布嵌入飞机襟翼表面，使其成为主动柔性表面，便可对气流扰动或涡流形成主动抑制，就能明显地降低气动阻力。改善飞机飞行的机动性，参见下图。类似的主动活动表面也可用于转动直升飞机的桨叶、燃气轮机的叶片，以达到减振降噪，提高功效的目的。第45页，共95页，2023年，2月20日，星期六气动扰动控制的柔性襟翼第46页，共95页，2023年，2月20日，星期六昆虫微型侦察机利用具有程序可控、动态可调的机敏材料和机敏结构继而可以研发活动机冀的微型侦察机。这种新型飞机会像鸟儿一样飞翔，用活动机翼调节空气阻力，达到节省燃油、提高性能的目的。预计将来，当有一只小鸟或蜜蜂一样的飞行物在你头上盘旋时，你要注意，这也许是有人在监视你。第47页，共95页，2023年，2月20日，星期六

微型飞行机器人

MFR-II。螺旋桨长约136mm，高约85mm。精工爱普生制造的μFR-II微型飞行机器人，该机器人为采用螺旋桨的直升飞机，可自动控制姿态、按事先指定的路线飞行。μFR-II通过市场上销售的锂离子电池驱动。通过采用精工爱普生的陀螺仪“XV-3500CB”等，机身（不包括电池）的重量减轻了0.3g，仅为8.6g。包括电池在内，全部重量为12.3g。第48页，共95页，2023年，2月20日，星期六微型无人机第49页，共95页，2023年，2月20日，星期六微小型卫星技术

微小型卫星质量的划分

微小型卫星的质量通常为100～500kg左右，微型卫星的质量通常为10～100kg左右，而纳米卫星的质量通常小于10kg，皮卫星的质量通常小于1kg。微小型卫星的特点

体积小、质量轻、制造和发射成本低、效费比高、生产周期短、适合于批量生产，安全性高，性能单一，使用灵活，布设成局部星团或分布式星座，可替代大型卫星实现对地球上任意一点的连续覆盖和监视。第50页，共95页，2023年，2月20日，星期六哈工大－试验卫星一号第51页，共95页，2023年，2月20日，星期六试验卫星一号重204公斤第52页，共95页，2023年，2月20日，星期六微机电系统对发展微小卫星的促进作用

应用微机电系统可以使微小卫星的质量降至10kg以下。不久的将来，含有多种微传感器、微处理器、天线、微型火箭及微控制器等在内的集合体，将会用微米和纳米制造技术把它们制作在同一块硅基片上，成为单片微小卫星。这些微小卫星发射上天后，形成星团(或称浮动层)。这个星团就是分布在一定轨道上的微小卫星结构体系，可以保证在任何时刻对地球上的覆盖区进行监视。第53页，共95页，2023年，2月20日，星期六纳星一号重量小于25公斤我国已相继成功发射了“实践五号”、“海洋一号”、“创新一号”、“清华一号”等多颗不同质量、不同用途的小卫星，第54页，共95页，2023年，2月20日，星期六微机电系统与微小卫星技术纳型卫星是基于微电子技术、微机电技术、微光电技术等微米/纳米技术而发展起来的新型微小卫星。纳卫星质量轻，有的仅重几公斤，卫星的一体化设计和集成度更高，是当前国际航天技术发展的重要方向之一，体现了航天器微小化的发展趋势。目前世界上只有俄罗斯、美国、英国等国家相继成功发射了纳型卫星。“纳星一号”的发射成功，标志着我国成为成功进入这一领域的少数国家之一。第55页，共95页，2023年，2月20日，星期六微型人造卫星

核心元器件美国新墨西哥州的LosAlamosNationalLaboratory正研究制造长约3英时,重半盎司的微型人造卫星核心元器件,并将应用于数以百计的微型人造卫星中，发射到太空去。微型人造卫星易于制造，不易受太空的磁场干扰，由于每一微型人造卫星只负责一类工作，耗电量低，易于控制，并可利用太阳能发电。第56页，共95页，2023年，2月20日，星期六XCG100/250

低功耗微机械

陀螺仪传感器系统XCG100/250(低功耗陀螺仪)在一个小的PC板上提供一个MEMS（微电子机械系统）单轴角速率传感器。该传感器是一个完整的单元，仅仅要求直流电压输入来测量角速率。XCG100/250适合用于嵌入式应用，安装灵活。指标：标准输入范围:±100°/secand±250°/sec

输入电压:+5VDC

带宽：>50Hz

输出噪音：<0.005°/sec/(±100°/sec角速率范围)

操作温度：-40°C到+85°C

应用：引导控制系统短时期导航姿态参考系统机器人机车仪器第57页，共95页，2023年，2月20日，星期六微型陀螺仪第58页，共95页，2023年，2月20日，星期六微型内燃机

美国加州大学的科学家成功研制了一台，世界最小的内燃机，希望代替目前在手提电脑或其他电子产品使用的电池。

这台内燃机只有一便士硬币大小，但可以持续提供能源，供应电子产品（如流动电话、手提电脑和机械人）使用，甚至可以供给士兵携带的装备所需要的能源。

第59页，共95页，2023年，2月20日，星期六微型发动机第60页，共95页，2023年，2月20日，星期六压电微电机第61页，共95页，2023年，2月20日，星期六二、在信息科学方面的应用第62页，共95页，2023年，2月20日，星期六微操作夹持器

现代的机电产品的微型化带来了深刻的技术革命，手提电话、计算器、精密手表零件的组装面临着新的挑战。传统的手工装配方法对操作者的技术、劳动强度都有很高的要求，而且工作效率很低，操作工人的培养往往需要较长的时间。微操作机器人系统采用专门设计的工具、定位装置、照明装置和便于操作者操作的遥控作业系统，可以方便地装配和操作微机械零件。第63页，共95页，2023年，2月20日，星期六三轴加速度计三轴加速度计结合三个直交相似的电容加速度计，电容加速度计带有防潮、低阻抗，可用于商业和工业环境中测量加速度值。其内部每一个加速度计都包含有微型密封、微机械的电容传感单元和一个普通集成放大器，电镀铝制外壳采用环氧密封技术，该外壳可以很方便的用#8（M4）螺丝钉安装。第64页，共95页，2023年，2月20日，星期六加速度传感器微机械结构，微型尺寸，可以直接焊接在PCB版上。可以测量重力加速度，可以测量动态冲击加速度，也可以应用加速度传感器来集成倾角处理系统，测试速度和振动。内置放大和过滤器，抗冲击达5000g，供电范围宽：2.7-24V，IP66防护。量程从1g到100g。可应用在控制手柄振动和摇晃，仪器仪表，汽车制动启动检测，地震检测，报警系统，环境监视，工程测振、地质勘探、铁路、桥梁、大坝的振动测试与分析；高层建筑结构动态特性和安全保卫振动侦察上。第65页，共95页，2023年，2月20日，星期六硅微压力传感器微机械最早和最成功的产品是微型压力传感器。压阻式微型压力传感器

这种传感器的敏感元器件是厚10一25微米的硅膜片。膜片在压力作用下发生偏转，通过偏转大小的变化来传感压力的变化。膜片的偏转导致电阻变化，由微电路检测出这种电阻变化，即可测出压力变化。电容式微型压力传感器

若把膜片制成电容器的一块芯极板，则当压力变化引起膜片偏转时，电容器两块电极板之间的距离就会发生变化，导致电容值变化，用电路检测出电容值的变化，即可测出压力变化。压阻式传感器使用的压力较低、工作稳定性较好、制造较简易，是主要发展产品。第66页，共95页，2023年，2月20日，星期六单晶硅压力

传感器芯体采用单晶硅材料，硅微机械加工精制而成,无P-N节效应，可做100:1的量程迁移,工作温度可达160℃,温度系数小，且温度影响为线性,无机械传动部件，动态频响高，抗振动和冲击.第67页，共95页，2023年，2月20日，星期六XW-810

微型惯性测量单元XW-810（可升级微型紧密组合系统）组合了3-轴MEMS陀螺仪，3-轴MEMS加速度计，3-轴磁阻传感器和12通道载波相位的GPS接收机。该系统是星网迅达科技发展有限公司的专利技术产品。XW-810的机械尺寸小12.5cm3(<8in3)。第68页，共95页，2023年，2月20日，星期六

左图是丰田公司的研究人员和东北大学合作开发的另一种压力传感器。该传感器为体型硅加工的电容器件，由硅与玻璃基片键合而成，并集成了CMOS电路。该器件具有一个2平方毫米的振动膜，远大于以前的器件，测量范围是0Pa～20Pa，并具有高过载保护功能。该器件与一个数字电子芯片集成用于补偿和数字信号输出。利用同样的原理和结构还可以制作电容加速度传感器，可用于汽车安全气囊和主动悬挂控制。第69页，共95页，2023年，2月20日，星期六微惯性传感器汽车中气囊展开系统的操作是汽车在严重碰撞中产生的冲击被惯性传感器“感知”，（该惯性传感器采用的是微加速度计原理），传感器产生适当的信号给制动器，使气囊打开，以保护驾驶员和乘客免受严重伤害。传感器包括两个微加速度计，被安装在汽车的底盘上。右边的加速度计测量水平方向的制动。第70页，共95页，2023年，2月20日，星期六汽车气囊展开系统智能惯性传感器第71页，共95页，2023年，2月20日，星期六微齿轮图示是一个比蚂蚁头的尺寸还要小得多的齿轮和使用陶瓷制造的双层齿轮。齿轮的齿距在100微米量级。这两种齿轮都是利用LIGA工艺制造的。第72页，共95页，2023年，2月20日，星期六微马达图为静电驱动的微马达。所有三个部件－转子（中心齿轮）、定子以及扭矩传递齿轮都是用镍制造的。锯齿形的转子直径700微米，与一个直径250微米的齿轮啮合，后者传递马达产生的扭矩。转子和轴之间的间隙以及转子和定子之间的间隙都是4微米，装置的高度是120微米。第73页，共95页，2023年，2月20日，星期六微涡轮微涡轮用以产生动力，涡轮是用镍制造。转子直径130微米，转子和轴之间的间隙5微米，涡轮高度150微米，整个装置的材料用镍制造。最大转速可达150000r/min。第74页，共95页，2023年，2月20日，星期六微透镜左图中每一个透镜的直径都是150微米，这些透镜组成微物镜，可以使内窥镜的光学分辨率提高到3微米。这些透镜还可以被应用在复印机、光学扫描仪及打印机上。右图是这些透镜组成的用于神经外科的微物镜。第75页，共95页，2023年，2月20日，星期六叠层式密封

2-DMEMS光开关模块

基于MEMS（微型机电系统）技术的光开关，利用做在硅片上的微型可动镜子来操纵通过光导纤维网络交叉点的光束。基于MEMS的光开关的应用，可以从小型的光交叉连接（见图）直到能够传导成千上万光信号的大型交叉连接。与传统的开关不同，它必须能够识别通过它的每一组、每一单元或每一帧的数据。纯粹的光开关与数据的速率和格式无关，因此，它们适用于网络的所有环节，所以，它们实际上是未来的发展方向。第76页，共95页，2023年，2月20日，星期六三、在生命科学方面的应用第77页，共95页，2023年，2月20日，星期六微传感器、微执行器及微系统在生物医学和工程方面的应用加速疾病的预防、诊断及治疗都有重要作用。主要应用场合：

1、腔内压力监侧；

2、微型手术；

3、生物芯片；

4、细胞操作；

5、仿生器件等。第78页，共95页，2023年，2月20日，星期六图所示为用于颅内压力监测的微系统。它由微型压力传感器(如硅电容式压力微传感器)和遥测单元组成。植入颅内腔的压力微传感器可以实时监测颅内病灶部位的压力变化，如脑出血时压力会增高。微型压力传感器实时检测信息，经内导线传给遥测单元输出，供医生做出正确判断，以便确定适宜的治疗方案。第79页，共95页，2023年，2月20日，星期六单片夹持驱动器固定和测试细胞随着生物工程的发展,要求能随意捕捉和释放单一游离细胞，或向细胞内注入和拾取某一成分，同时还能测定和记录细胞生物电参数。游离细胞捕捉仪就是为此目的而研制的，对只有几微米的细胞来说，关键动作是接近细胞时的精细微调，要求分辩率达几十纳米，微驱动机器人具有高定位精度和精细操作能力，适于完成上述操作。第80页，共95页，2023年，2月20日，星期六微型内窥镜最新型的M2A微型内窥镜，也叫“装在药丸里的相机”。用M2A微型内窥镜做检查不会给病人带来痛苦，还可以帮助医生看见人体长达21英尺的小肠内发生的病变，如不明显的内出血、侵犯胃肠道的克罗恩病，及小肠生长的肿瘤等。第81页，共95页，2023年，2月20日，星期六微型游泳机器人期望用于人体血管中的微型游泳机器人。第82页，共95页，2023年，2月20日，星期六游泳机器人工作原理利用铁磁橡胶的特性可以制作柔性磁场驱动执行器，图为采用铁磁橡胶制作的微型游泳机器人。微机器人流线型基体采用泡沫塑料制作，在水中具有一定的浮力。在基体两侧以一定的角度对称粘贴了两个铁磁橡胶执行器，执行器为扁平条状。当微机器人处于匀强磁场中时，由于铁磁橡胶的磁导率比空气的磁导率大，磁力线通过橡胶中时磁阻最小，即磁力线更“愿意”从橡胶中“走”。同时，磁力线路径越短，系统势能越低。因此，铁磁橡胶微执行器趋向于沿磁场方向排列，以降低系统的势能。微执行器的一端固定在微机器人基体上．此时微执行器等效于一个悬臂梁系统，在磁力的作用下，微执行器发生弯曲。当磁场撤消时，微执行器由于自身的弹力作用，向相反方向运动，恢复原位。当再一次施加匀强磁场时，微执行器重复上述动作。反复不停地提供脉冲磁场，一对微执行器就连续产生滑水动作，从而推动微机器人游动。第83页，共95页，2023年，2月20日，星期六游泳机器人实验系统第84页，共95页，2023年，2月20日，星期六实验原理图为微机器人实验系统示意图。该系统包括微机器人、螺线管、激励电路和水槽四部分。实验中将微机器人放置在匀强磁场中的水槽中，匀强磁场由螺线管产生，螺线管中间有200mm的区域基本上为匀强磁场区。水下微机器人在该区段才能够避开磁场的引力作用，而靠微执行器的摆动实现前进和后退。激励电路由振荡电路、放大电路和整形输出电路组成。振荡电路用来产生频率连续可调的交变电流信号。放大电路将信号的正半周波形进行放大，以达到所需的电流强度。整形输出电路实现将放大器的输出信号进行整形，产生