1.3 微系統技術應用

MEMS是由微計算機控制器、微傳感器、微執行器、封裝結構和動力源組成的復雜產品。MEMS由于其具有質量輕、體積小、高智能的特點，其應用范圍極其廣泛，幾乎涉及自然及工程科學的所有領域，如通信、航天、生物醫學及材料科學等眾多領域。

1.3.1 MEMS在軍事中的應用

保證國家安全和全球穩定的關鍵是一個國家軍事力量的優勢，為了掌握現代戰爭的主動權，大力發展微型飛行器、戰場偵察傳感器、智能軍用機器人，以增加武器效能，武器裝備小型化是重要的發展趨勢。為了適應這一發展的需要，采用的主要措施是利用MEMS技術制造傳感器和微系統。

1.MEMS在慣性器件中的應用

在各種飛行器中，陀螺儀測量運動物體的姿態和轉動的角速度，加速度計測量加速度的變化。陀螺儀的功能是保持對加速度對準的方向進行跟蹤，從而在慣性坐標中分辨出指示的加速度。對加速度進行兩次積分，即可測定出物體的位置，由 3個正交陀螺、3個正交加速度和信息處理系統可以構成一種慣性測量組合（IMU），它可以提供物體運動的姿態、位置和速度信息。慣性測量組合廣泛應用于各種航空航天平臺及飛行器的制導系統中。

應用MEMS技術制造的微慣性測量組合（MIMU）沒有轉動的部件，在使用壽命、可靠性、成本、體積和質量等方面都大大優于常規的慣性儀表。1994年，美國德雷珀實驗室用3只陀螺儀和3只硅微加速計構成了微慣性測量組合，其尺寸極小，質量約為5g，加速度計精度為250μg。

2.微型無人機應用

MEMS在軍事上應用的一個典型代表是微型無人飛機。微型無人飛機的發展得益于MEMS技術的不斷進步和智能材料的長足發展。微型無人飛機的突出特點是尺寸小、質量輕、成本低、功能強、用途廣泛以及攜帶方便。微型無人機主要用于低空偵察、通信、電子干擾和對地攻擊等。當戰情發生在偏遠山區時，信息來源比較困難，微型無人機可將偵查到的圖像和信息傳遞給戰士手中的監視器，使戰士了解戰場及目標的情況。這樣不僅可以減少部隊在偵查過程中的傷亡，又可以大大提高作戰的效率。微型無人機還可以對敵方實施電子干擾，雖然微型無人機施放的干擾信號很小，但當飛機飛到雷達天線附近時，仍然能夠有效對敵雷達實施干擾。微型無人機還可以攜帶高能炸藥，主動攻擊敵雷達和通信中樞。微型無人機還可用于戰場毀傷評估和生化武器的探測。

微型無人機在城市作戰中優勢尤為突出。它可在建筑群中執行城市偵察和監視任務，也可探測和查找建筑物內部的目標或恐怖分子的活動情況，并可竊聽敵方作戰計劃等。微型無人機也是適合未來城市作戰的一種新式武器裝備。

在民用方面，微型無人機可以用于交通監控、通信中繼、森林及野生動植物勘測、航空攝影、環境監測、氣象監控、森林防火監測等。

3.MEMS空間技術應用

MEMS可以在3個層次上應用于小空間技術：一是傳統航天器中采用MEMS，使得其單機和分系統尺寸減小、質量減輕而功能更強、自主性更高；二是利用MEMS及其他微型化技術減小衛星整體尺寸，制造納衛星；三是發展新概念航天器?？梢哉J為，MEMS技術是實現“快、好、省”地發展新一代高能密度航天器的關鍵技術。

1）MEMS執行器

用MEMS技術雖然不能制造具有大驅動力的執行器，但是可以制造快速控制流體、微波、光和熱等物質的微執行器。其中，微推力器、微驅動器和各種微開關是空間MEMS研究的又一個熱點。

基于MEMS技術的微型推進系統，可以減小質量、體積，提高推質比，把推進系統小型化提高到空間的水平，從而降低成本、縮短研制周期，這是未來微型航天器的最佳選擇。

目前，微推進器主要有兩種：微電熱推力器和微型雙組元液體火箭發動機。微電熱推力器采用MEMS技術進行加工，通過光刻、封裝和集成技術形成微推力器結構。與其他微推力器相比，微電熱推力器用于航天器的姿態控制和位置保持，具有結構簡單、質量小、不容易被堵塞、推質比高、成本低、推力范圍大等很多優點。

微型雙組元液體火箭發動機主要集成微型渦輪機、燃燒室、微泵和微閥、傳感器、燃料控制系統、信號處理和控制電路、接口、通信以及電源等為一體的，可批量制作的微型器件或系統。基于MEMS技術的微型雙組元液體火箭發動機具有結構簡單、質量小、無泄漏、推質比高、成本低等優點。

2)RF-MEMS

目前，航天器上的射頻（Radio Frequency，RF）系統仍然是由分離的機械元器件和集成電路組成的混合系統，這些尺寸分離的無源器件已經成為射頻系統進一步小型化、高性能化、低功耗化的最大障礙。然而，RF-MEMS 技術的出現和芯片級無源元器件的開發成功，使得可以將它們與其他集成電路芯片封裝在一起而組成多芯片模塊，或者將它們與功能電路集成在一個芯片上，形成新的微小型集成化射頻系統。

MEMS技術在軍事領域的應用還有很多，如微型敵我識別裝置、有害化學戰劑報警微傳感器、微型機器人以及MEMS在彈藥技術中的應用等。未來MEMS技術將繼續在軍事領域發揮著重要角色。

1.3.2 MEMS在生物醫療中的應用

分子、病毒和細菌的典型尺寸分別為1nm、10nm、10μm，由尺度效應可知，MEMS可以更靈敏、準確、低成本和微創地用于生物醫療領域。當前，MEMS及相關技術和產品已覆蓋從檢測、診斷到治療等各生物醫學領域。MEMS 在生物醫學領域的應用正在快速增長，如生物傳感器、起搏器、免疫隔離微囊、藥物輸送、生物芯片等。

1.診斷應用

目前，微流控技術為診斷應用帶來了眾多優勢，包括更小的系統、更少的樣本量、快速診斷、更少的處理時間及更低的成本。診斷應用的微流控技術具有非常廣泛的應用領域，包括基因學、傳染性疾病、腫瘤、血凝結及心臟病等。它通過獨特、快速的探測和表征來發展醫療檢測，優化診療方案。

近日，普林斯頓大學的科學家在《聚合科學物理腫瘤學》雜志上發表了他們的研究結果：利用微流控技術開發了一種全新的細胞培養系統，可以直接實時觀察癌細胞耐藥性的發展，用于臨床癌癥藥物開發和篩選。

研究教授表示，癌癥從原發性向轉移性發展是一個復雜生態系統，當前無法通過常規藥物治療治愈。目前的治療方法是通過體外藥物篩選和組織培養技術，可以檢測最初的藥物敏感性，但不是用來檢測和測量耐藥性，而利用微流控制技術開發的全新細胞培養系統可以作為一種“進化加速器”，該系統可以研究主要宿主細胞和腫瘤細胞之間的相互作用，并在較短的時間內測試它們對藥物的反應。據悉，它可以使研究人員連續觀察細胞相互作用，并觀察不斷發展的癌細胞耐藥性。更重要的是，研究人員發現對化療的反應中，癌細胞可以在10天之內產生耐藥性。此外，該裝置還可以定量分析異質細胞群的運動和繁殖，并能對代謝物和單個細胞進行下游分析。如果將這款系統安裝在一個標準的熒光顯微鏡上，省去了全孵化機箱的成本和不便，能夠進行3種不同的實驗，并可連續實時觀察幾個星期。

正如科學家所言，這款利用微流控技術開發的新的細胞培養技術在臨床前藥物開發和候選藥物有效性評估方面有廣闊的應用前景。

2.體內顯微手術

在傳統的外科手術中，人體中的缺陷必須暴露出來。外科手術在醫生的視線內要盡可能無障礙地利用傳統的儀器和借助于視覺來進行操作，因此，由于手術的方式，健康的組織不可避免也會受到損傷。手術后病人經常還要承受相當大的痛苦，其所經歷的時間由被切開組織的治愈過程來決定。體內顯微手術與傳統的外科手術不同，它只需要利用人體內極小的切口或人體天生的入口，就可以在對健康組織最小損傷的情況下進行手術，甚至在手術后傷口都不用縫合。

實現體內顯微手術，需要有相應的檢測手段和手術器械，微內窺鏡是典型的醫療器械，因此體內顯微手術又稱為醫用內窺鏡手術。

醫用無線電內窺鏡是一個典型的MEMS應用系統，它結合了微小機器人技術、生物醫學技術和MEMS技術。微內窺鏡的一個重要應用是在外科手術中為醫生提供診斷部位的信息。對此，迫切需要由傳感器陣列直接進行信息處理。如在微型手術中，與傳統的外科手術相比缺少視覺和觸覺信息，這些信息必須由傳感器陣列獲得的信息來彌補。體內手術所需的MEMS技術和裝備還包括微手術鉗、微手術刀和微手術鉆等。此外，作為智能內窺鏡的微系統也要把執行器集成到里面，通過外科醫生從外部來控制執行器，并且由所安裝的傳感器來檢測。由日本東北大學研究的形狀記憶合金作為驅動器的自動式醫用內窺鏡系統，適用于人體管道環境（如血管中）動作的裝置是采用MEMS技術研制的。這種微小型驅動機器人能夠攜帶成像照明光學系統、前端物鏡黏附物清除裝置等自動進入人體內完成體內診斷和體內微細手術。

3.人工器官植入

MEMS在醫療技術中最早得到應用的是心臟起搏器。最早的起搏器以兩個晶體管為基礎，構成雙穩態多諧振蕩器電路，并植入人體。由于缺少合適的電池，不得不將電路通過皮膚從外部用金屬導線連接起來。

心臟的泵機構由正弦電信號來控制，心房和心室必須用合適的節拍來刺激，這樣心臟就可以把血液循環泵入體內。早期的起搏器是將均勻頻率的刺激脈沖有規律地供給心肌。目前，利用MEMS技術并采用“阻斷”工作方式，即只有當缺少生理上的正弦波脈沖時，起搏器才工作；在其余的時間，起搏器被“阻斷”而不工作。應盡可能地利用心臟的生理功能，這樣就延長了植入電池的使用壽命。

4.醫療檢測

在臨床中，微傳感器可以將所需要的信息，如血壓、胃酸、溫度、體液內的特定成分等信息準確、實時地傳送給醫生。MEMS器件體積小，可以進入常規儀器所不能到達的人體部位，將病灶周圍的情況及時反饋給醫生。例如，藥片大小的可測量胃酸的微傳感器能夠口服下去，內裝的無線發射器將胃酸信息發射到體外，使醫生及時了解患者胃酸的情況。

第一個實用化的也是技術上較為成熟的MEMS器件是硅微壓力傳感器，在醫療中也有著廣泛的應用，其中低阻抗、高靈敏度的貼片式壓力傳感器可以粘貼在皮膚表面，探測受神經刺激肌肉的收縮。這一方法已經用于研究面部神經、腦神經和脊神經的活動。

生物傳感器也是一種在醫療中有著廣泛用途的微傳感器，它可以定量或半定量地分析某一特定物質的含量，可以快速連續地分析物質濃度的變化，其分析范圍從小相對分子質量物質到大分子、病毒，甚至微生物，是一種有效的臨床化驗工具。生物傳感器在醫學中的酶分析和免疫化學分析中應用非常廣泛。目前，生物傳感器成功地應用在血液中葡萄糖的分析和免疫測定方面。

1.3.3 MEMS在汽車工業中的應用

在現代化的汽車中，為了提高汽車的安全性和其他性能，急需各種高效、高精度、高可靠性和低成本的傳感器，目前的普通汽車裝有幾十個傳感器，而豪華型汽車所使用的傳感器達到上百個。微傳感器在汽車工業的發展中起著重要的作用，未來MEMS技術的發展將使汽車的各個系統更加智能化、輕量化以及更加便宜可靠。

1.發動機控制系統

傳感器在汽車發動機系統中的應用十分廣泛，并且種類繁多。這些傳感器是整個車用傳感器的核心，利用它們可提高發動機的動力性能、降低油耗、減少廢氣、反映故障并實現自動控制。這些傳感器的性能指標要求最關鍵的是測量精度與可靠性。由于傳感器工作在發動機震動、燃料蒸氣、污泥、水花等惡劣環境中，因此這些傳感器的耐惡劣環境技術指標要高于一般的傳感器，以避免由傳感器檢測帶來的誤差，以及避免導致發動機控制系統失靈或產生故障。

汽車電子控制系統一直被認為是MEMS壓力傳感器的主要應用領域之一，可用于測量進氣歧管壓、大氣壓、油壓、輪胎氣壓等。應用最多的汽車MEMS壓力傳感器有壓阻式和電容式兩種。壓阻式微壓力傳感器是現在應用傳感器中量最大的一種。汽車壓力傳感器主要用于：檢測汽缸負壓、檢測大氣壓、檢測汽缸壓力、檢測發動機油壓、檢測變速箱油壓、檢測制動器油壓、檢測翻斗車油壓。

汽車電控燃油噴射系統要使用多重壓力傳感器，檢測發動機進氣歧管絕對壓力，提高其動力性能，降低油耗，減少廢氣排放。微型硅壓阻式MEMS壓力傳感器可用于發動機廢氣循環系統，替代陶瓷電容式壓力傳感器。汽車空調壓縮機中的壓力測量也是MEMS傳感器的一個很大的應用方向。

2.MEMS陀螺應用

MEMS陀螺在汽車領域的開發和應用備受關注，主要用于汽車導航的GPS信號補償和汽車底盤控制系統，應用潛力極大。

MEMS陀螺按照材料分為石英和硅兩類。石英材料結構的品質因數Q值高，陀螺特性好，有實用價值，是最早實現產品化的；但是石英加工難度大，成本高，無法滿足汽車的低成本要求。

硅材料結構完整、彈性好，比較容易得到高 Q 值的 MEMS 結構，隨著深反應離子刻蝕技術的出現，體硅微機械加工技術的加工精度顯著提高，在硅襯底上用多晶硅進行加工的技術適合批量生產，驅動和檢測較為方便，成為當前低成本研發的主流。從硅MEMS陀螺的結構上，常采用振梁結構、雙框架結構、平面對稱結構、橫向音叉結構、梳狀音叉結構、梁島結構等；用來產生參考振動的驅動方式有靜電驅動、壓電驅動和電磁驅動等。

此外，MEMS技術在汽車工業中的應用還有安全氣囊系統、輪胎壓力檢測系統、防抱死系統等。