摘 要：微机电系统(MEMS)是在微电子技术基础上产生和发展起来的多学科交叉的前沿科学研究领域,是面向21世纪的高新科技。高等职业教育肩负着为国家培养高级技术人才的重任，而高等职业教育中的微机电系统(MEMS)教学相对薄弱。本文介绍了微机电产业的发展历程、现状和广阔的应用前景，着重分析了国内微机电系统(MEMS)教学的现状，并对在高等职业教育中如何开展微机电系统(MEMS)教学进行了探讨，为学生从事微机电系统(MEMS)的设计、开发和应用打下坚实的理论和实践基础。

　　关键词：微机电系统 微机电教学 高等职业教育 教学改革

　　1 微机电系统(MEMS)简介

　　微机电系统是指可批量制作的，集微型机构、微型传感器、微型执行器以及信号处理和控制电路、直至接口、通信和电源等于一体的微型器件或系统。MEMS是随着半导体集成电路微细加工技术和超精密机械加工技术的发展而发展起来的。MEMS的特点是：

　　(1)微型化：MEMS器件体积小、重量轻、耗能低、惯性小、谐振频率高、响应时间短。

　　(2)以硅为主要材料，机械电器性能优良：硅的强度、硬度和杨氏模量与铁相当，密度类似铝，热传导率接近钼和钨。

　　(3)批量生产：用硅微加工工艺在一片硅片上可同时制造成百上千个微型机电装置或完整的MEMS。批量生产可大大降低生产成本。

　　(4)集成化：可以把不同功能、不同敏感方向或致动方向的多个传感器或执行器集成于一体，或形成微传感器阵列、微执行器阵列，甚至把多种功能的器件集成在一起，形成复杂的微系统。微传感器、微执行器和微电子器件的集成可制造出可靠性、稳定性很高的MEMS。

　　(5)多学科交叉：MEMS涉及电子、机械、材料、制造、信息与自动控制、物理、化学和生物等多种学科，并集约了当今科学技术发展的许多尖端成果[1]。

　　MEMS发展的目标在于，通过微型化、集成化来探索新原理、新功能的元件和系统，开辟一个新技术领域和产业。MEMS可以完成大尺寸机电系统所不能完成的任务，也可嵌入大尺寸系统中，把自动化、智能化和可靠性水平提高到一个新的水平。21世纪MEMS将逐步从实验室走向实用化，对工农业、信息、环境、生物工程、医疗、空间技术、国防和科学发展产生重大影响[2]。 微机电系统的发展历程 微机电系统的概念起源于 1959 年美国物理学家、诺贝尔奖获得者Richard P Feynman 提出的微型机械的设想,其后 1962 年出现了第一个硅微压力传感器[3]。1988年,世界上第一个硅微型静电电机诞生在美国加州大学伯克利分校,该电机直径仅为(60～120)μm,为世人瞩目,由此产生了世界微机电系统技术研究的一个阶段性标准. 1989 年, NSF(National Science Foundation) 在研讨会的总结报告中提出了“微电子技术应用于电子、机械系统”[4]。自此,MEMS 成为一个新的学术用语。从此,MEMS 技术使人们眼前霍然开朗,大量的资源投入到 MEMS 技术研究和产品开发领域,人们寄予 MEMS 技术极大的期望。在过去20多年中，微机电系统已经从早期的技术开发、设备探索和实验室研究的阶段发展到当前的实际应用阶段，并逐渐扩展到许多新的研究和探索领域，MEMS已经成为21世纪最具潜力的研究领域之一。全世界的MEMS产业2006年已达约60亿美元，年成长率为14%，预料到2010年将成长为97亿美元的市场。由于微机电系统在医疗、生物、精密仪器、环境保护、航空航天、通讯、国防军工等领域有十分广阔的应用前景，它的推广使用势必带来空前的产业革命。可望成为下世纪初的支柱产业。

　　3 微机电产业发展概况

　　最近 20 年是微机电技术蓬勃发展的 20 年微机电技术已经从单个器件阶段发展到了系统集成阶段;从单一器件，比如物理传感器，发展到了多样化的阶段;从实验室的研究阶段逐渐发展到了大规模生产和应用的阶段。国内众多的高校和科研院所从上世纪 80 年代开始从事微电子领域的相关研究，政府和有关部门对于 MEMS 科技的产业化给予了大力支持。在上世纪 90 年代后，国家通过微机电基础研究项目、863计划、973计划支持微机电相关领域的研发活动，并提出在 2011 年国内微机电企业达到 40 家之上，成为全球最大的 MEMS 市场。此外，国家发展改革委、工业和信息化部联合编制了《电子信息产业技术进步和技术改造投资方向》也将 MEMS 相关内容列为了电子信息产业技术进步的方向。在近 20 年的发展过程中，成功的工业产品和突出的科研成果主要有以下几方面。例如：

　　(1) HP 公司的喷墨打印机喷头。它利用微加工技术制造出微小的底部有加热元件的喷腔阵列。工作时，加热元件被电脉冲急速加热，使加热元件附近的墨水汽化，形成气泡，气泡会将一定量的墨水挤压出喷嘴，从而完成一个喷墨过程。微电子打印喷头在打印机行业占有很大的市场份额，每年有 10 亿美元以上的营业额。

　　(2) 通用Nova Sensor 公司的压力传感器。微电子压力传感器是最早开始研制，也是最早开始产业化的 MEMS 产品。已广泛应用于医疗、汽车和工业控制等领域。

　　(3)TI 公司的数字光学控制器 (DLP) ，这款产品的核心是一种数字微镜器件 (DMD) 。通过数字信息控制数十万到上百万个微小的反射镜。每个微镜可以在二进制数字信号的控制下，在两个不同的位置上进行切换转动，从而将图像投影在屏幕上。目前全球已经有将近 40家著名的电视和放映设备厂商开始采用DLP 系统。每年的销售额超过 10 亿美元。

　　(4) 生物芯片和微流体器件迅速发展。生物芯片和微流体器件是微加工技术、微流体理论和生物医学技术结合的产物。这一领域将成为 21 世纪微机电系统发展的一个热点。微加工技术可以制造各种尺寸微小的结构，因此微型化的生物芯片仅用微量生物采样即可以同时检测和研究不同的生物细胞、生物分子和DNA的特性，并有集成、并行和快速检测的优点。

　　(5)MEMS 技术在通讯领域的应用。在移动通信领域，MEMS 的产品主要有可变电容、高Q 值的电感、低损耗的开关及低损耗的射频滤波器。射频滤波器已大量应用于移动通信器材中。另一个重要领域是光通讯建立全光交换系统一直是光通讯的发展方向。基于 MEMS 技术的光开关被认为是实现全光交换最有希望的技术[4]。

　　近几年来在“传统”的 MEMS 以外,发展了许多新的应用领域。(1)光通讯,如光开关、光调幅、光频调控等。(2)生物研究,从基因(DNA) 到细胞(cell) ,到系统生物学(system biology) 用的元件及工具、仪器等。(3)医药用仪器设(medical instruments) 用于监测治疗用的微系统及大型手术用的遥控手术机(telesurgery equipment) 和人工脏腑等。(4)环境保护和监测( environmental protection andmonitoring) 这里就需要用 MEMS 网络(Network)。(5) 微型能源的研究。在进一步进行传统化学能电池微型化的过程中,燃料电池、核能电池、微型内燃发电机、大电容储能器和环境电能换能器日益受人关注。环境电能换能器是指将环境的能量转化成系统工作所需要的电能,比如射频无线供电、太阳能、超声波和震动换能器、温差换能器和体液燃料电池。这将是一个很有意义的研究领域,也有很好的应用前景。比如在医疗领域的可植入式系统,可以将生物体或人体日常运动的能量转化成电能并且储存起来供系统使用,从而解决了可植入式系统电池体积、寿命和更换的问题[5,6]。

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