微機(jī)電系統(tǒng)的多域耦合分析與多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化

1.本文概述

微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)作為現(xiàn)代科技領(lǐng)域的重要組成部分，其設(shè)計(jì)

和制造過(guò)程涉及多學(xué)科知識(shí)和技術(shù)的融合。隨著科技的發(fā)展，MEMS

的應(yīng)用范圍日益擴(kuò)大，對(duì)系統(tǒng)的性能和可靠性要求也越來(lái)越高。在這

樣的背景下，本文旨在探討MEMS設(shè)計(jì)中的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題一一多域耦

合分析與多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化。

本文首先對(duì)MEMS的多域耦合特性進(jìn)行深入分析。由于MEMS器件

通常集成了機(jī)械、電子、熱、光等多個(gè)物理域，這些域之間的相互作

用和耦合效應(yīng)顯著影響器件的性能。理解和分析這些耦合效應(yīng)對(duì)于優(yōu)

化MEMS設(shè)計(jì)至關(guān)重要。

本文將介紹多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化(MDO)在MEMS設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。\1D0

是一種集成不同學(xué)科知識(shí)和設(shè)計(jì)工具的方法，旨在協(xié)同優(yōu)化系統(tǒng)性能。

通過(guò)MDO方法，可以在MEMS設(shè)計(jì)的早期階段綜合考慮不同學(xué)科的要

求和限制，從而提高設(shè)計(jì)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。

本文還將通過(guò)具體案例，展示多域耦合分析與多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化在

實(shí)際MEMS設(shè)計(jì)中的應(yīng)用和效果。這些案例將涵蓋不同的MEMS應(yīng)用領(lǐng)

域，如傳感器、執(zhí)行器和微流體器件等。

本文將對(duì)未來(lái)的研究方向和挑戰(zhàn)進(jìn)行展望。隨著MEMS技術(shù)的不

斷進(jìn)步和應(yīng)用需求的多樣化，多域耦合分析與多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化將面臨

更多的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。我們將探討如何通過(guò)創(chuàng)新的設(shè)計(jì)方法和工具，進(jìn)

一步提高M(jìn)EMS的性能和可靠性，以滿(mǎn)足未來(lái)科技發(fā)展的需求。

2.微機(jī)電系統(tǒng)的基本原理

微機(jī)電系統(tǒng)(MicroElectroMechanicalSystems,簡(jiǎn)稱(chēng)MEMS)

是一種集成了微型機(jī)械結(jié)構(gòu)和微電子電路的系統(tǒng)，其尺寸一般在微米

量級(jí)。MEMS技術(shù)融合了微加工技術(shù)、電子技術(shù)和機(jī)械工程技術(shù)等多

個(gè)領(lǐng)域的知識(shí)，以實(shí)現(xiàn)微型化、集成化和智能化。

微加工技術(shù)是MEMS制造的基礎(chǔ)，主要包括光刻、蝕刻、沉積、

刻蝕和轉(zhuǎn)移等工藝。這些工藝能夠精確控制材料的去除、添加和轉(zhuǎn)移,

實(shí)現(xiàn)微米級(jí)別的加工精度。

微電子技術(shù)是MEMS系統(tǒng)中不可或缺的一部分，主要包括集成電

路設(shè)計(jì)、制造和封裝等。通過(guò)微電子技術(shù)，可以在微型機(jī)械結(jié)構(gòu)上集

成傳感器、執(zhí)行器、控制器等電子元件，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的智能化。

機(jī)械工程技術(shù)在MEMS設(shè)計(jì)中起著關(guān)鍵作用，主要包括結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、

力學(xué)分析、熱分析和流體分析等。通過(guò)對(duì)MEMS系統(tǒng)的多域耦合分析,

可以確保系統(tǒng)在多種工作條件下的穩(wěn)定性和可靠性。

MEMS系統(tǒng)的設(shè)計(jì)涉及多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域，需要進(jìn)行多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化

(MultidisciplinaryDesignOptimization,簡(jiǎn)稱(chēng)MD0)。MDO方法

將各個(gè)學(xué)科領(lǐng)域的知識(shí)進(jìn)行有效整合，通過(guò)優(yōu)化算法實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)性能的

提升。

微機(jī)電系統(tǒng)的基本原理涵蓋了微加工技術(shù)、微電子技術(shù)、機(jī)械工

程技術(shù)和多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化等多個(gè)領(lǐng)域。通過(guò)對(duì)這些原理的研究和應(yīng)用,

可以推動(dòng)MEMS技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，實(shí)現(xiàn)更高效、更智能的微機(jī)電系

統(tǒng)。

3.多域耦合分析

微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)作為集成化微型器件的典型代表，其功能實(shí)

現(xiàn)往往涉及多個(gè)物理領(lǐng)域的交互作用。這些領(lǐng)域包括但不限于力學(xué)、

電學(xué)、熱學(xué)、流體動(dòng)力學(xué)，甚至光學(xué)等。在MEMS的設(shè)計(jì)與分析過(guò)程

中，單一領(lǐng)域的孤立研究往往無(wú)法準(zhǔn)確捕捉到系統(tǒng)的真實(shí)行為，因?yàn)?/p>

各物理過(guò)程間的相互耦合對(duì)系統(tǒng)性能具有顯著影響。多域耦合分析成

為理解MEMS復(fù)雜動(dòng)態(tài)特性和實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

在MEMS中，多域耦合現(xiàn)象無(wú)處不在。例如，微機(jī)械結(jié)構(gòu)的振動(dòng)

可能導(dǎo)致電容變化，影響傳感器的電信號(hào)輸出而電驅(qū)動(dòng)元件產(chǎn)生的熱

量則會(huì)引發(fā)溫度分布變化，進(jìn)而影響材料屬性和機(jī)械結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

流體流動(dòng)與微結(jié)構(gòu)的相互作用(如微泵、微閥中的流固耦合)以及光

學(xué)子系統(tǒng)中光機(jī)械效應(yīng)等，都是典型的多域耦合實(shí)例。這些耦合效應(yīng)

不僅增加了系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)的非線(xiàn)性與不確定性，還可能導(dǎo)致傳統(tǒng)單領(lǐng)

域模型預(yù)測(cè)與實(shí)際工作狀態(tài)之間的顯著偏差。準(zhǔn)確捕捉并量化這些耦

合效應(yīng)，是MEMS多域耦合分析面臨的首要挑戰(zhàn)。

針對(duì)多域耦合問(wèn)題，現(xiàn)代工程分析采用了多物理場(chǎng)建模與仿真技

術(shù)。此類(lèi)方法基于統(tǒng)一的數(shù)學(xué)框架（如有限元法、有限體積法等），

將不同物理場(chǎng)方程在相同的計(jì)算網(wǎng)格上進(jìn)行求解，實(shí)現(xiàn)對(duì)各領(lǐng)域間相

互作用的直接模擬。商業(yè)軟件如COMSOLMultiphysics、ANSYS等提

供了強(qiáng)大的多物理場(chǎng)建模平臺(tái)，支持用戶(hù)定義各領(lǐng)域的本構(gòu)關(guān)系、邊

界條件和耦合接口，實(shí)現(xiàn)從簡(jiǎn)單線(xiàn)性耦合到復(fù)雜非線(xiàn)性耦合問(wèn)題的精

確模擬?；诖砟Ｐ停ㄈ缟窠?jīng)網(wǎng)絡(luò)、支持向量機(jī)等）的輕量化建模

技術(shù)也在特定場(chǎng)景下展現(xiàn)出高效處理多域耦合問(wèn)題的能力，特別是在

需要快速迭代設(shè)計(jì)優(yōu)化或?qū)崟r(shí)控制的應(yīng)用中。

通過(guò)多域耦合分析，設(shè)計(jì)師能夠深入揭示各物理過(guò)程對(duì)MEMS整

體性能的貢獻(xiàn)與制約，從而指導(dǎo)針對(duì)性的優(yōu)化策略制定。例如，識(shí)別

出關(guān)鍵的熱力耦合路徑，可引導(dǎo)熱管理設(shè)計(jì)以降低熱應(yīng)力對(duì)器件壽命

的影響明確電機(jī)械耦合系數(shù)，有助于優(yōu)化驅(qū)動(dòng)電壓與結(jié)構(gòu)響應(yīng)的關(guān)系,

提高傳感器或執(zhí)行器的靈敏度與穩(wěn)定性。多域耦合分析還能揭示隱臧

的設(shè)計(jì)裕度，如通過(guò)結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化或材料選擇優(yōu)化，減輕不必要的質(zhì)

量或增強(qiáng)結(jié)構(gòu)剛度，進(jìn)而改善系統(tǒng)整體性能。

為了進(jìn)一步闡述多域耦合分析在MEMS設(shè)計(jì)中的應(yīng)用價(jià)值，本節(jié)

將以某具體MEMS器件（如微加速度計(jì)、微諧振器、微熱泵等）為例,

詳細(xì)介紹其多域模型的建立、仿真過(guò)程、耦合效應(yīng)的可視化展示以及

基于分析結(jié)果的優(yōu)化措施。實(shí)例分析將具體展現(xiàn)多域耦合分析如何幫

助識(shí)別潛在問(wèn)題、驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案，并通過(guò)定量評(píng)估與對(duì)比不同優(yōu)化方

案，最終實(shí)現(xiàn)MEMS器件性能的提升。

4.多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化

在微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）的設(shè)計(jì)過(guò)程中，多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化（MDO）

方法的應(yīng)用至關(guān)重要。MDO旨在將不同工程領(lǐng)域的專(zhuān)業(yè)知識(shí)融合到單

一的設(shè)計(jì)框架中，以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜系統(tǒng)的全局優(yōu)化。對(duì)于MEMS而言，這

種整合性的方法尤其重要，因?yàn)镸EMS系統(tǒng)往往涉及力學(xué)、電學(xué)、熱

學(xué)、材料科學(xué)、控制理論等多個(gè)學(xué)科的知識(shí)。

多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化的核心在于識(shí)別和解決設(shè)計(jì)過(guò)程中出現(xiàn)的跨學(xué)

科耦合問(wèn)題。在MEMS中，這些耦合可能出現(xiàn)在各種物理現(xiàn)象的相互

作用中，例如機(jī)械運(yùn)動(dòng)與電磁場(chǎng)的交互，或者熱傳導(dǎo)與材料特性的相

互影響。通過(guò)MDO,設(shè)計(jì)師可以系統(tǒng)地分析這些耦合效應(yīng)，并在設(shè)計(jì)

初期就考慮到它們對(duì)系統(tǒng)性能的影響。

實(shí)施多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化通常涉及以下幾個(gè)步驟：需要建立一個(gè)綜合

的模型，該模型能夠準(zhǔn)確地反映MEMS系統(tǒng)中不同物理域之間的相互

作用。設(shè)計(jì)師需要定義一組能夠全面評(píng)估系統(tǒng)性能的優(yōu)化目標(biāo)，例如

最小化能耗、最大化靈敏度或提高系統(tǒng)穩(wěn)定性等。通過(guò)選擇適當(dāng)?shù)膬?yōu)

化算法和求解器，設(shè)計(jì)師可以在滿(mǎn)足所有設(shè)計(jì)約束的前提下，尋求這

些優(yōu)化目標(biāo)的最佳解。

在多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化過(guò)程中，跨學(xué)科合作和信息共享也是至關(guān)重要

的。通過(guò)構(gòu)建有效的協(xié)作機(jī)制，不同學(xué)科背景的工程師可以共同參與

到設(shè)計(jì)過(guò)程中，相互補(bǔ)充和支持，從而提高設(shè)計(jì)的效率和有效性。隨

著設(shè)計(jì)迭代的進(jìn)行，MDO還可以幫助設(shè)計(jì)師不斷地改進(jìn)和優(yōu)化設(shè)計(jì)方

案，以應(yīng)對(duì)可能出現(xiàn)的新的挑戰(zhàn)和問(wèn)題。

多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化是微機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)中不可或缺的一部分。通過(guò)整

合不同學(xué)科的知識(shí)和方法，MDO不僅能夠提高M(jìn)EMS系統(tǒng)的性能，還

能夠降低設(shè)計(jì)成本、縮短設(shè)計(jì)周期，并增強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性和魯棒性。

在未來(lái)的MEMS設(shè)計(jì)中，多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化將繼續(xù)發(fā)揮重要作用，推動(dòng)

微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)的不斷發(fā)展和創(chuàng)新。

5.挑戰(zhàn)與未來(lái)發(fā)展

多域耦合的復(fù)雜性：討論MEMS設(shè)計(jì)中多物理場(chǎng)（如熱、電、磁、

流體動(dòng)力等）耦合帶來(lái)的復(fù)雜性，以及如何準(zhǔn)確模擬這些耦合效應(yīng)。

尺度效應(yīng)：分析當(dāng)器件尺寸縮小到微米或納米級(jí)別時(shí)，傳統(tǒng)宏觀

物理定律的適用性和局限性。

材料與工藝限制：探討現(xiàn)有材料和制造工藝在實(shí)現(xiàn)高性能MEMS

器件方面的限制。

可靠性問(wèn)題：討論MEMS器件在實(shí)際應(yīng)用中面臨的耐久性和穩(wěn)定

性問(wèn)題。

新型材料與納米技術(shù)：探索新型納米材料在提高M(jìn)EMS性能方面

的潛力。

創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法：討論多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化（MDO）在MEMS設(shè)計(jì)中的應(yīng)

用，以及如何通過(guò)創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法簡(jiǎn)化多域耦合問(wèn)題。

智能化與自適應(yīng)系統(tǒng)：研究智能化和自適應(yīng)MEMS系統(tǒng)，以應(yīng)對(duì)

復(fù)雜多變的工作環(huán)境。

系統(tǒng)集成：探討如何將MEMS與其他系統(tǒng)集成，以實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的

功能和應(yīng)用。

生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用：分析MEMS在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用前景，如微型

手術(shù)器械和體內(nèi)傳感器。

消費(fèi)電子與物聯(lián)網(wǎng)：探討MEMS在消費(fèi)電子產(chǎn)品和物聯(lián)網(wǎng)中的作

用。

總結(jié)當(dāng)前挑戰(zhàn)和未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)，強(qiáng)調(diào)MEMS領(lǐng)域持續(xù)創(chuàng)新的重要

性。

這個(gè)大綱提供了一個(gè)全面的結(jié)構(gòu)，用于撰寫(xiě)文章的“挑戰(zhàn)與未來(lái)

發(fā)展”部分。每個(gè)小節(jié)都將深入探討其主題，并包含詳細(xì)的分析和討

論。

6.結(jié)論

多域耦合分析是理解微機(jī)電系統(tǒng)復(fù)雜行為的關(guān)鍵。在微尺度下，

機(jī)械、熱、地、磁等多個(gè)物理域之間的相互作用變得顯著，這使得傳

統(tǒng)的單一域分析方法無(wú)法準(zhǔn)確描述系統(tǒng)的整體性能。通過(guò)多域耦合分

析，我們可以更全面地理解這些物理域之間的相互影響，從而設(shè)計(jì)出

更高效、更穩(wěn)定的微機(jī)電系統(tǒng)。

多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化是提升微機(jī)電系統(tǒng)性能的重要途徑。由于微機(jī)電

系統(tǒng)涉及多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域的知識(shí)，包括機(jī)械工程、電子工程、材料科學(xué)

等，單一學(xué)科的設(shè)計(jì)方法往往難以達(dá)到最優(yōu)效果。通過(guò)整合各個(gè)學(xué)科

的知識(shí)和方法，我們可以對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行全面的優(yōu)化，提升其在各個(gè)方面

的性能。

微機(jī)電系統(tǒng)的多域耦合分析與多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化是一個(gè)持續(xù)發(fā)展

的過(guò)程。隨著科技的不斷進(jìn)步，微機(jī)電系統(tǒng)的復(fù)雜性和集成度將越來(lái)

越高，這將對(duì)我們的分析方法和優(yōu)化技術(shù)提出更高的要求。我們需要

不斷更新我們的知識(shí)和技術(shù)，以適應(yīng)這一挑戰(zhàn)。

微機(jī)電系統(tǒng)的多域耦合分析與多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化是提升系統(tǒng)性能、

推動(dòng)技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵。在未來(lái)，我們期待看到更多的創(chuàng)新方法和技術(shù)

在這一領(lǐng)域的應(yīng)用，推動(dòng)微機(jī)電系統(tǒng)的發(fā)展達(dá)到新的高度。

參考資料：

隨著科技的飛速發(fā)展，多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化技術(shù)已經(jīng)成為現(xiàn)代工程和

科學(xué)研究的重要工具。多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化旨在通過(guò)集成多個(gè)學(xué)科的知識(shí)

和方法，提高設(shè)計(jì)的效率、性能和可靠性。本文將探討多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)

化技術(shù)的發(fā)展、應(yīng)用和未來(lái)趨勢(shì)。

多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化技術(shù)的發(fā)展可以追溯到20世紀(jì)90年代。當(dāng)時(shí)，

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，人們開(kāi)始意識(shí)到將多個(gè)學(xué)科的知識(shí)和方法結(jié)

合起來(lái)，可以提高設(shè)計(jì)的效率和性能.于是，多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化技術(shù)應(yīng)

運(yùn)而生。

多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了從簡(jiǎn)單到復(fù)雜的過(guò)程。最初，

多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化主要關(guān)注兩個(gè)學(xué)科之間的耦合，如航空航天領(lǐng)域的空

氣動(dòng)力學(xué)和結(jié)構(gòu)力學(xué)。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化的范圍

不斷擴(kuò)大，涉及的學(xué)科數(shù)量不斷增加，如機(jī)械、電子、控制等。

近年來(lái)，多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化技術(shù)已經(jīng)從傳統(tǒng)工程領(lǐng)域擴(kuò)展到生物醫(yī)

學(xué)、金融、物流等領(lǐng)域。多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化技術(shù)的應(yīng)用使得這些領(lǐng)域的

決策過(guò)程更加科學(xué)、高效。

多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化技術(shù)在許多領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。以下是一些典

型的應(yīng)用案例：

航空航天領(lǐng)域：多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化技術(shù)在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用最為

廣泛。例如，在飛機(jī)設(shè)計(jì)中，需要同時(shí)考慮空氣動(dòng)力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、

推進(jìn)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)等多個(gè)方面。通過(guò)多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化，可以找到滿(mǎn)

足各方面性能要求的最佳設(shè)計(jì)方案。

汽車(chē)領(lǐng)域：汽車(chē)設(shè)計(jì)中需要考慮多個(gè)學(xué)科的知識(shí)，如機(jī)械、電子、

化學(xué)等。多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化技術(shù)可以用于優(yōu)化汽車(chē)的動(dòng)力性能、燃油經(jīng)

濟(jì)性和排放性能。

生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域：在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化技術(shù)可以用于

藥物設(shè)計(jì)和醫(yī)療設(shè)備研發(fā)。例如，在藥物設(shè)計(jì)中，需要同時(shí)考慮化合

物的活性、穩(wěn)定性和副作用等多個(gè)方面。通過(guò)多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化，可以

找到具有優(yōu)良綜合性能的藥物候選者。

金融領(lǐng)域：在金融領(lǐng)域，多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化技術(shù)可以用于風(fēng)險(xiǎn)管理

和投資組合優(yōu)化。通過(guò)綜合考慮多個(gè)因素，如市場(chǎng)走勢(shì)、利率變化和

資產(chǎn)質(zhì)量等，可以制定更加科學(xué)合理的投資策略。

物流領(lǐng)域：在物流領(lǐng)域，多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化技術(shù)可以用于運(yùn)輸路線(xiàn)

規(guī)劃和倉(cāng)儲(chǔ)布局優(yōu)化。通過(guò)綜合考慮運(yùn)輸成本、時(shí)間和服務(wù)質(zhì)量等多

個(gè)方面，可以制定更加高效合埋的物流方案。

隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化技術(shù)將迎來(lái)更多的發(fā)展機(jī)

遇和挑戰(zhàn)。以下是一些未來(lái)可能的發(fā)展趨勢(shì)：

智能化發(fā)展：隨著人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)的不斷發(fā)展，多學(xué)科

設(shè)計(jì)優(yōu)化將更加智能化。通過(guò)利用這些技術(shù)，可以自動(dòng)搜索和優(yōu)化設(shè)

計(jì)方案，提高設(shè)計(jì)的效率和精度。

跨學(xué)科合作：隨著多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化技術(shù)的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，不

同學(xué)科之間的交叉和融合將更加頻繁和深入?？鐚W(xué)科合作將有助于發(fā)

現(xiàn)新的優(yōu)化方法和理論，推動(dòng)多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化的不斷發(fā)展。

集成化發(fā)展：未來(lái)，多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化將更加集成化，將多個(gè)學(xué)科

的知識(shí)和方法有機(jī)地整合在一起。通過(guò)集成化的多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化，可

以更加全面地考慮設(shè)計(jì)的各個(gè)方面，提高設(shè)計(jì)的綜合性能和可靠性。

定制化設(shè)計(jì)：隨著消費(fèi)者需求的多樣化，定制化設(shè)計(jì)已經(jīng)成為一

種趨勢(shì)。多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化技術(shù)可以幫助企業(yè)快速、準(zhǔn)確地滿(mǎn)足消費(fèi)者

的個(gè)性化需求，提高產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

可持續(xù)性設(shè)計(jì)：隨著環(huán)境問(wèn)題的日益嚴(yán)重，可持續(xù)性已經(jīng)成為設(shè)

計(jì)的必然要求。多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化技術(shù)可以幫助企業(yè)在滿(mǎn)足功能和性能

要求的同時(shí)，降低產(chǎn)品的環(huán)境影響，推動(dòng)可持續(xù)發(fā)展。

微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS,Micro-Electro-MechanicalSystem),也

叫做微電子機(jī)械系統(tǒng)、微系統(tǒng)、微機(jī)械等，指尺寸在幾毫米乃至更小

的高科技裝置。

微機(jī)電系統(tǒng)其內(nèi)部結(jié)構(gòu)一般在微米甚至納米量級(jí)，是一個(gè)獨(dú)立的

智能系統(tǒng)。

微機(jī)電系統(tǒng)是在微電子技術(shù)（半導(dǎo)體制造技術(shù)）基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)

的，融合了光刻、腐蝕、薄膜、LIGA.硅微加工、非硅微加工和精密

機(jī)械加工等技術(shù)制作的高科技電子機(jī)械器件。

微機(jī)電系統(tǒng)是集微傳感器、微執(zhí)行器、微機(jī)械結(jié)構(gòu)、微電源微能

源、信號(hào)處理和控制電路、高性能電子集成器件、接口、通信等于一

體的微型器件或系統(tǒng)。MEMS是一項(xiàng)革命性的新技術(shù)，廣泛應(yīng)用于高

新技術(shù)產(chǎn)業(yè)，是一項(xiàng)關(guān)系到國(guó)家的科技發(fā)展、經(jīng)濟(jì)繁榮和國(guó)防安全的

關(guān)鍵技術(shù)。

MEMS側(cè)重于超精密機(jī)械加工，涉及微電子、材料、力學(xué)、化學(xué)、

機(jī)械學(xué)諸多學(xué)科領(lǐng)域。它的學(xué)科面涵蓋微尺度下的力、電、光、磁、

聲、表面等物理、化學(xué)、機(jī)械學(xué)的各分支。

常見(jiàn)的產(chǎn)品包括MEMS加速度計(jì)、MEMS麥克風(fēng)、微馬達(dá)、微泵、

微振子、MEMS光學(xué)傳感器、MEMS壓力傳感器、MEMS陀螺儀、MEMS濕

度傳感器、MEMS氣體傳感器等等以及它們的集成產(chǎn)品。

MEMS全稱(chēng)MicroElectromechanicalSystem,微機(jī)電系統(tǒng)。是

指尺寸在幾毫米乃至更小的高科技裝置，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)一般在微米甚至

納米量級(jí)，是一個(gè)獨(dú)立的智能系統(tǒng)。主要由傳感器、作動(dòng)器（執(zhí)行器）

和微能源三大部分組成。微機(jī)電系統(tǒng)涉及物理學(xué)、半導(dǎo)體、光學(xué)、電

子工程、化學(xué)、材料工程、機(jī)械工程、醫(yī)學(xué)、信息工程及生物工程等

多種學(xué)科和工程技術(shù)，為智能系統(tǒng)、消費(fèi)電子、可穿戴設(shè)備、智能家

居、系統(tǒng)生物技術(shù)的合成生物學(xué)與微流控技術(shù)等領(lǐng)域開(kāi)拓了廣闊的用

途。常見(jiàn)的產(chǎn)品包括MEMS加速度計(jì)、MEMS麥克風(fēng)、微馬達(dá)、微泵、

微振子、MEMS壓力傳感器、MEMS陀螺儀、MEMS濕度傳感器等以及它

們的集成產(chǎn)品。

MEMS是一個(gè)獨(dú)立的智能系統(tǒng)，可大批量生產(chǎn)，其系統(tǒng)尺寸在幾

毫米乃至更小，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)一般在微米甚至納米量級(jí)。例如，常見(jiàn)的

MEMS產(chǎn)品尺寸一般都在3nlmX3mmX5nim,甚至更小。

微機(jī)電系統(tǒng)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)和軍事系統(tǒng)方面將有著廣泛的應(yīng)用前景。

主要民用領(lǐng)域是電子、醫(yī)學(xué)、工業(yè)、汽車(chē)和航空航天系統(tǒng)。

概括起來(lái)，MEMS具有以下幾個(gè)基本特點(diǎn)，微型化、智能化、多

功能、高集成度和適于大批量生產(chǎn)口MEMS技術(shù)的目標(biāo)是通過(guò)系統(tǒng)的

微型化、集成化來(lái)探索具有新原理、新功能的元件和系統(tǒng)。MEMS技

術(shù)是一種典型的多學(xué)科交叉的前沿性研究領(lǐng)域，幾乎涉及到自然及工

程科學(xué)的所有領(lǐng)域，如電子技術(shù)、機(jī)械技術(shù)、物理學(xué)、化學(xué)、生物醫(yī)

學(xué)、材料科學(xué)、能源科學(xué)等。其研究?jī)?nèi)容一般可以歸納為以卜三個(gè)基

本方面：1.理論基礎(chǔ)：在當(dāng)前MEMS所能達(dá)到的尺度下，宏觀世界

基本的物理規(guī)律仍然起作用，但由于尺寸縮小帶來(lái)的影響(Scaling

Effects),許多物理現(xiàn)象與宏觀世界有很大區(qū)別，因此許多原來(lái)的

理論基礎(chǔ)都會(huì)發(fā)生變化，如力的尺寸效應(yīng)、微結(jié)構(gòu)的表面效應(yīng)、微觀

摩擦機(jī)理等，因此有必要對(duì)微動(dòng)力學(xué)、微流體力學(xué)、微熱力學(xué)、微摩

擦學(xué)、微光學(xué)和微結(jié)構(gòu)學(xué)進(jìn)行深入的研究。這一方面的研究雖然受到

重視，但難度較大，往往需要多學(xué)科的學(xué)者進(jìn)行基礎(chǔ)研究。技術(shù)基

礎(chǔ)研究：主要包括微機(jī)械設(shè)計(jì)、微機(jī)械材料、微細(xì)加工、微裝配與封

裝、集成技術(shù)、微測(cè)量等技術(shù)基礎(chǔ)研究。微機(jī)械在各學(xué)科領(lǐng)域的應(yīng)

用研究。

美國(guó)已研制成功用于汽車(chē)防撞和節(jié)油的微機(jī)電系統(tǒng)加速度表和

傳感器，可提高汽車(chē)的安全性，節(jié)油10%。僅此一項(xiàng)美國(guó)國(guó)防部系統(tǒng)

每年就可節(jié)約幾十億美元的汽油費(fèi)。微機(jī)電系統(tǒng)在航空航天系統(tǒng)的應(yīng)

用可大大節(jié)省費(fèi)用，提高系統(tǒng)的靈活性，并將導(dǎo)致航空航天系統(tǒng)的變

革。在軍事應(yīng)用方面，美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃局正在進(jìn)行把微機(jī)電

系統(tǒng)應(yīng)用于個(gè)人導(dǎo)航用的小型慣性測(cè)量裝置、大容量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器件、

小型分析儀器、醫(yī)用傳感器、光纖網(wǎng)絡(luò)開(kāi)關(guān)、環(huán)境與安全監(jiān)測(cè)用的分

布式無(wú)人值守傳感等方面的研究。該局已演示以微機(jī)電系統(tǒng)為基礎(chǔ)制

造的加速度表，它能承受火炮發(fā)射時(shí)產(chǎn)生的近5個(gè)重力加速度的沖擊

力，可以為非制導(dǎo)彈藥提供一種經(jīng)濟(jì)的制導(dǎo)系統(tǒng)。設(shè)想中的微機(jī)電系

統(tǒng)的軍事應(yīng)用還有：化學(xué)戰(zhàn)劑報(bào)警器、敵我識(shí)別裝置、靈巧蒙皮、分

布式戰(zhàn)場(chǎng)傳感器網(wǎng)絡(luò)等。

90年代噴墨打印頭，硬盤(pán)讀寫(xiě)頭、硅加速度計(jì)和數(shù)字微鏡器件

等相繼規(guī)模化生產(chǎn)

微機(jī)電系統(tǒng)是微電路和微機(jī)械按功能要求在芯片上的集成，尺寸

通常在毫米或微米級(jí)，自八十年代中后期崛起以來(lái)發(fā)展極其迅速，被

認(rèn)為是繼微電子之后又一個(gè)對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和軍事具有重大影響的技術(shù)

領(lǐng)域，將成為21世紀(jì)新的國(guó)民經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn)和提高軍事能力的重要技

術(shù)途徑。

微機(jī)電系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是：體積小、重量輕、功耗低、耐用性好、價(jià)

格低廉、性能穩(wěn)定等。微機(jī)電系統(tǒng)的出現(xiàn)和發(fā)展是科學(xué)創(chuàng)新思維的結(jié)

果，使微觀尺度制造技術(shù)的演進(jìn)與革命。微機(jī)電系統(tǒng)是當(dāng)前交叉學(xué)科

的重要研究領(lǐng)域，涉及電子工程、材料工程、機(jī)械工程、信息工程等

多項(xiàng)科學(xué)技術(shù)工程，將是未來(lái)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和軍事科研領(lǐng)域的新增長(zhǎng)點(diǎn)。

MEMS（微機(jī)電系統(tǒng)）最初大量用于汽車(chē)安全氣囊，而后以MEMS傳

感器的形式被大量應(yīng)用在汽車(chē)的各個(gè)領(lǐng)域，隨著MEMS技術(shù)的進(jìn)一步

發(fā)展，以及應(yīng)用終端“輕、薄、短、小”的特點(diǎn)，對(duì)小體積高性能的

MEMS產(chǎn)品需求增勢(shì)迅猛，消費(fèi)電子、醫(yī)療等領(lǐng)域也大量出現(xiàn)了MEMS

產(chǎn)品的身影。

微型化：MEMS器件體積小、重量輕、耗能低、慣性小、諧振頻

率高、響應(yīng)時(shí)間短。

以硅為主要材料，機(jī)械電器性能優(yōu)良：硅的強(qiáng)度、硬度和楊氏模

量與鐵相當(dāng)，密度類(lèi)似鋁，熱傳導(dǎo)率接近銅和鋁。

批量生產(chǎn)：用硅微加工工藝在一片硅片上可同時(shí)制造成百上千個(gè)

微型機(jī)電裝置或完整的MEMSo批量生產(chǎn)可大大降低生產(chǎn)成本。

集成化：可以把不同功能、不同敏感方向或致動(dòng)方向的多個(gè)傳感

器或執(zhí)行器集成于一體，或形成微傳感器陣列、微執(zhí)行器陣列，甚至

把多種功能的器件集成在一起，形成復(fù)雜的微系統(tǒng)。微傳感器、微執(zhí)

行器和微電子器件的集成可制造出可靠性、穩(wěn)定性很高的MEMSo

多學(xué)科交叉：MEMS涉及電子、機(jī)械、材料、制造、信息與自動(dòng)

控制、物理、化學(xué)和生物等多種學(xué)科，并集約了當(dāng)今科學(xué)技術(shù)發(fā)展的

許多尖端成果。

MEMS發(fā)展的目標(biāo)在于，通過(guò)微型化、集成化來(lái)探索新原理、新

功能的元件和系統(tǒng)，開(kāi)辟一個(gè)新技術(shù)領(lǐng)域和產(chǎn)業(yè)。MEMS可以完成大

尺寸機(jī)電系統(tǒng)所不能完成的任務(wù)，也可嵌入大尺寸系統(tǒng)中，把自動(dòng)化、

智能化和可靠性水平提高到一個(gè)新的水平。21世紀(jì)MEMS將逐步從實(shí)

驗(yàn)室走向?qū)嵱没?，?duì)工農(nóng)業(yè)、信息、環(huán)境、生物工程、醫(yī)療、空間技

術(shù)、國(guó)防和科學(xué)發(fā)展產(chǎn)生重大影響。

微機(jī)電系統(tǒng)是微米大小的機(jī)械系統(tǒng)，其中也包括不同形狀的三維

平板印刷產(chǎn)生的系統(tǒng)。這些系統(tǒng)的大小一般在微米到毫米之間。在這

個(gè)大小范圍中日常的物理經(jīng)驗(yàn)往往不適用。比如由于微機(jī)電系統(tǒng)的面

積對(duì)體積比比一般日常生活中的機(jī)械系統(tǒng)要大得多，其表面現(xiàn)象如靜

電、潤(rùn)濕等比體積現(xiàn)象如慣性或熱容量等要重要。它們一般是由類(lèi)似

于生產(chǎn)半導(dǎo)體的技術(shù)如表面微加工、體型微加工等技術(shù)制造的。其中

包括更改的硅加工方法如壓延、電鍍、濕蝕刻、干蝕刻、電火花加工

等等。微機(jī)電系統(tǒng)是指集微型傳感器、執(zhí)行器以及信號(hào)處理和控制電

路、接口電路、通信和電源于一體的微型機(jī)電系統(tǒng)，是一個(gè)獨(dú)立的智

能系統(tǒng)。主要由傳感器、作動(dòng)器和微能源三大部分組成。微機(jī)電系統(tǒng)

具有以下幾個(gè)基本特點(diǎn)，微型化、智能化、多功能、高集成度。微機(jī)

電系統(tǒng)。它是通過(guò)系統(tǒng)的微型化、集成化來(lái)探索具有新原理、新功能

的元件和系統(tǒng)微機(jī)電系統(tǒng)。微機(jī)電系統(tǒng)涉及航空航天、信息通信、生

物化學(xué)、醫(yī)療、自動(dòng)控制、消費(fèi)電子以及兵器等應(yīng)用領(lǐng)域.微機(jī)電系

統(tǒng)的制造工藝主要有集成電路工藝、微米/納米制造工藝、小機(jī)械工

藝和其他特種加工工種。微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)基礎(chǔ)主要包括設(shè)計(jì)與仿真技

術(shù)、材料與加工技術(shù)、封裝與裝配技術(shù)、測(cè)量與測(cè)試技術(shù)、集成與系

統(tǒng)技術(shù)等。

①和半導(dǎo)體電路相同，使用刻蝕、光刻等制造工藝，不需要組裝、

調(diào)整；

③它很少占用地方，可以在一般的機(jī)器人到不了的狹窄場(chǎng)所或條

件惡劣的地方使用；

MEMS器件體積小，重量輕，耗能低，慣性小，諧振頻率高，響

應(yīng)時(shí)間短。MEMS系統(tǒng)與一般的機(jī)械系統(tǒng)相比，不僅體積縮小，而且

在力學(xué)原理和運(yùn)動(dòng)學(xué)原理，材料特性、加工、測(cè)量和控制等方面都將

發(fā)生變化。在MEMS系統(tǒng)中，所有的幾何變形是如此之小（分子級(jí)），

以至于結(jié)構(gòu)內(nèi)應(yīng)力與應(yīng)變之間的線(xiàn)性關(guān)系（虎克定律）已不存在。MEMS

器件中摩擦表面的摩擦力主要是由于表面之間的分子相互作用力引

起的，而不是由于載荷壓力引起。MEMS器件以硅為主要材料。硅的

強(qiáng)度、硬度和楊氏模量與鐵相當(dāng)。密度類(lèi)似于鋁，熱傳導(dǎo)率接近銅和

鴇,因此MEMS器件機(jī)械電氣性能優(yōu)良。

MEMS采用類(lèi)似集成電路（IC）的生產(chǎn)工藝和加工過(guò)程，用硅微加

工工藝在一硅片上可同時(shí)制造成百上千個(gè)微型機(jī)電裝置或完整的

MEMS。使MEMS有極高的自動(dòng)化程度，批量生產(chǎn)可大大降低生產(chǎn)成本;

而且地球表層硅的含量為2%。幾乎取之不盡，因此MEMS產(chǎn)品在經(jīng)濟(jì)

性方面更具競(jìng)爭(zhēng)力。

MEMS可以把不同功能、不同敏感方向或制動(dòng)方向的多個(gè)傳感器

或執(zhí)行器集成于一體，或形成微傳感器陣列和微執(zhí)行器陣列。甚至把

多種功能的器件集成在一起，形成復(fù)雜的微系統(tǒng)。微傳感器、微執(zhí)行

器和微電子器件的集成可制造出高可靠性和穩(wěn)定性的微型機(jī)電系統(tǒng)。

由于MEMS技術(shù)采用模塊設(shè)計(jì)，因此設(shè)備運(yùn)營(yíng)商在增加系統(tǒng)容量

時(shí)只需要直接增加器件/系統(tǒng)數(shù)量，而不需要預(yù)先計(jì)算所需要的器件/

系統(tǒng)數(shù)，這對(duì)于運(yùn)營(yíng)商是非常方便的。

集中了當(dāng)今科學(xué)技術(shù)發(fā)展的許多尖端成果。通過(guò)微型化、集成化

可以探索新原理、新功能的元件和系統(tǒng)，將開(kāi)辟一個(gè)新技術(shù)領(lǐng)域。

傳感MEMS技術(shù)是指用微電子微機(jī)械加工出來(lái)的、用敏感元件如

電容、壓電、壓阻、熱電耦、諧振、隧道電流等來(lái)感受轉(zhuǎn)換電信號(hào)的

器件和系統(tǒng)。它包括速度、壓力、濕度、加速度、氣體、磁、光、聲、

生物、化學(xué)等各種傳感器，按種類(lèi)分主要有:面陣觸覺(jué)傳感器、諧振

力敏感傳感器、微型加速度傳感器、真空微電子傳感器等。傳感器的

發(fā)展方向是陣列化、集成化、智能化。由于傳感器是人類(lèi)探索自然界

的觸角，是各種自動(dòng)化裝置的神經(jīng)元，且應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，未來(lái)將備受

世界各國(guó)的重視。

生物MEMS技術(shù)是用MEMS技術(shù)制造的化學(xué)/生物微型分析和檢測(cè)

芯片或儀器，有一種在襯底上制造出的微型驅(qū)動(dòng)泵、微控制閥、通道

網(wǎng)絡(luò)、樣品處埋器、混合池、計(jì)量、增擴(kuò)器、反應(yīng)器、分離器以及檢

測(cè)器等元器件并集成為多功能芯片?？梢詫?shí)現(xiàn)樣品的進(jìn)樣、稀釋、加

試劑、混合、增擴(kuò)、反應(yīng)、分離、檢測(cè)和后處理等分析全過(guò)程。它把

傳統(tǒng)的分析實(shí)驗(yàn)室功能微縮在一個(gè)芯片上。生物MEMS系統(tǒng)具有微型

化、集成化、智能化、成本低的特點(diǎn)。功能上有獲取信息量大、分析

效率高、系統(tǒng)與外部連接少、實(shí)時(shí)通信、連續(xù)檢測(cè)的特點(diǎn)。國(guó)際上生

物MEMS的研究已成為熱點(diǎn)，不久將為生物、化學(xué)分析系統(tǒng)帶來(lái)一場(chǎng)

重大的革新。

隨著信息技術(shù)、光通信技術(shù)的迅猛發(fā)展，MEMS發(fā)展的又一領(lǐng)域

是與光學(xué)相結(jié)合，即綜合微電子、微機(jī)械、光電子技術(shù)等基礎(chǔ)技術(shù)，

開(kāi)發(fā)新型光器件，稱(chēng)為微光機(jī)電系統(tǒng)(MOEMS)。它能把各種MEMS結(jié)構(gòu)

件與微光學(xué)器件、光波導(dǎo)器件、半導(dǎo)體激光器件、光電檢測(cè)器件等完

整地集成在一起。形成一種全新的功能系統(tǒng)。MOEMS具有體積小、成

本低、可批量生產(chǎn)、可精確驅(qū)動(dòng)和控制等特點(diǎn)。較成功的應(yīng)用科學(xué)研

究主要集中在兩個(gè)方面：

一是基于MOEMS的新型顯示、投影設(shè)備，主要研究如何通過(guò)反射

面的物理運(yùn)動(dòng)來(lái)進(jìn)行光的空間調(diào)制，典型代表為數(shù)字微鏡陣列芯片和

光柵光閥:二是通信系統(tǒng)，主要研究通過(guò)微鏡的物理運(yùn)動(dòng)來(lái)控制光路

發(fā)生預(yù)期的改變，較成功的有光開(kāi)關(guān)調(diào)制器、光濾波器及復(fù)用器等光

通信器件。MOEMS是綜合性和學(xué)科交叉性很強(qiáng)的高新技術(shù)，開(kāi)展這個(gè)

領(lǐng)域的科學(xué)技術(shù)研究，可以帶動(dòng)大量的新蹴念的功能器件開(kāi)發(fā)。

射頻MEMS技術(shù)傳統(tǒng)上分為固定的和可動(dòng)的兩類(lèi)。固定的MEMS器

件包括本體微機(jī)械加工傳輸線(xiàn)、濾波器和耦合器，可動(dòng)的MEMS器件

包括開(kāi)關(guān)、調(diào)諧器和可變電容。按技術(shù)層面又分為由微機(jī)械開(kāi)關(guān)、可

變電容器和電感諧振器組成的基本器件層面；由移相器、濾波器和

VCO等組成的組件層面；由單片接收機(jī)、變波束雷達(dá)、相控陣?yán)走_(dá)天

線(xiàn)組成的應(yīng)用系統(tǒng)層面。

隨著時(shí)間的推移和技術(shù)的逐步發(fā)展，MEMS所包含的內(nèi)容正在不

斷增加，并變得更加豐富。世界著名信息技術(shù)期刊《IEEE論文集》

在1998年的MEMS專(zhuān)輯中將MEMS的內(nèi)容歸納為：集成傳感器、微執(zhí)

行器和微系統(tǒng)。人們還把微機(jī)械、微結(jié)構(gòu)、靈巧傳感器和智能傳感器

歸入MEMS范疇。制作MEMS的技術(shù)包括微電子技術(shù)和微加工技術(shù)兩大

部分。微電子技術(shù)的主要內(nèi)容有:氧化層生長(zhǎng)、光刻掩膜制作、光刻

選擇摻雜（屏蔽擴(kuò)散、離子注入）、薄膜（層）生長(zhǎng)、連線(xiàn)制作等。微加

工技術(shù)的主要內(nèi)容有:硅表面微加工和硅體微加工（各向異性腐蝕、犧

牲層）技術(shù)、晶片鍵合技術(shù)、制作高深寬比結(jié)構(gòu)的LIGA技術(shù)等。利用

微電子技術(shù)可制造集成電路和許多傳感器。微加工技術(shù)很適合于制作

某些壓力傳感器、加速度傳感器、微泵、微閥、微溝槽、微反應(yīng)室、

微執(zhí)行器、微機(jī)械等，這就能充分發(fā)揮微電子技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，利用MEMS

技術(shù)大批量、低成本地制造高可靠性的微小衛(wèi)星。

MEMS技術(shù)是一個(gè)新興技術(shù)領(lǐng)域，主要屬于微米技術(shù)范疇。MEMS

技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)歷了10多年時(shí)間，大都基于現(xiàn)有技術(shù)，用由大到小

的技術(shù)途徑制作出來(lái)的，發(fā)展了一批新的集成器件，大大提高了器件

的功能和效率，己顯示出了巨大的生命力。MEMS技術(shù)的發(fā)展有可能

會(huì)像微電子一樣，對(duì)科學(xué)技術(shù)和人類(lèi)生活產(chǎn)生革命性的影響，尤其對(duì)

微小衛(wèi)星的發(fā)展影響更加深遠(yuǎn)，必將為大批量生產(chǎn)低成本高可靠性的

微小衛(wèi)星打開(kāi)大門(mén)。

微機(jī)電系統(tǒng)有多種原材料和制造技術(shù)，選擇條件是系統(tǒng)的應(yīng)用、

市場(chǎng)等等。

硅是用來(lái)制造集成電路的主要原材料。由于在電子工業(yè)中已經(jīng)有

許多實(shí)用硅制造極小的結(jié)構(gòu)的經(jīng)驗(yàn)，硅也是微機(jī)電系統(tǒng)非常常用的原

材料硅的物質(zhì)特性也有一定的優(yōu)點(diǎn)。單晶體的硅遵守胡克定律，幾

乎沒(méi)有彈性滯后的現(xiàn)象，因此幾乎不耗能，其運(yùn)動(dòng)特性非?？煽俊４?/p>

外硅不易折斷，因此非?？煽?，其使用周期可以達(dá)到上兆次°一般微

機(jī)電系統(tǒng)的生產(chǎn)方式是在基質(zhì)上堆積物質(zhì)層，然后使用平板印刷和蝕

刻的方法來(lái)讓它形成各種需要的結(jié)構(gòu)。

深層刻蝕如深層反應(yīng)離子刻蝕技術(shù)向硅芯片內(nèi)部刻蝕?？涛g到芯

片內(nèi)部的一個(gè)犧牲層。這個(gè)犧牲層在刻蝕完成后被腐蝕掉，這樣本來(lái)

埋在芯片內(nèi)部的結(jié)構(gòu)就可以自由運(yùn)動(dòng)了。

體型微加工與深層刻蝕類(lèi)似，是另一種去除硅的方法。一般體型

微加工使用堿性溶液如氫氧化鉀來(lái)腐蝕平板印刷后留下來(lái)的硅。這些

堿溶液腐蝕時(shí)的相對(duì)各向異性非常強(qiáng)，沿一定的晶體方向的腐蝕速度

比其它的高1000倍。這樣的過(guò)程往往用來(lái)腐蝕V狀的溝。假如選擇

的原材料的晶向足夠精確的話(huà)這樣的溝的力可以非常平。

雖然電子工業(yè)對(duì)硅加工的經(jīng)驗(yàn)是非常豐富和寶貴的，并提供了很

大的經(jīng)濟(jì)性，但是純的硅依然是非常昂貴的。高分子材料非常便宜，

而且其性能各種各樣。使用注射成形、壓花、立體光固化成形等技術(shù)

也可以使用高分子材料制造微機(jī)電系統(tǒng)，這樣的系統(tǒng)尤其有利于微液

體應(yīng)用，比如可攜測(cè)血裝置等。

金屬也可以用來(lái)制造微機(jī)電系統(tǒng)。雖然比起硅來(lái)金屬缺乏其良好

的機(jī)械特性，但是在金屬的適用范圍內(nèi)它非?？煽?。

人們不僅要開(kāi)發(fā)各種制造MEMS的技術(shù)，更重要的是如何將MEMS

技術(shù)與航空航天、信息通信、生物化學(xué)、醫(yī)療、自動(dòng)控制、消費(fèi)電子

以及兵器等應(yīng)用領(lǐng)域相結(jié)合，制作出符合各領(lǐng)域要求的微傳感器、微

執(zhí)行器、微結(jié)構(gòu)等MEMS器件與系統(tǒng)。

微機(jī)電系統(tǒng)在生物醫(yī)學(xué)方面的一個(gè)應(yīng)用一一膠囊式內(nèi)窺鏡系統(tǒng)。

膠囊式內(nèi)窺鏡系統(tǒng)在低功耗數(shù)?；旌霞呻娐沸酒鉀Q方案、低功耗

SOC系統(tǒng)設(shè)計(jì)、射頻無(wú)線(xiàn)啟動(dòng)開(kāi)關(guān)、醫(yī)學(xué)圖像處理以及高清數(shù)字視頻

的研發(fā)等方面。

微電系統(tǒng)在醫(yī)療器械中的應(yīng)用包括生命體征監(jiān)測(cè)器械、心血管疾

病治療器械和其他醫(yī)療器械(如人工耳蝸、腹腔鏡抓手等)等器械設(shè)

備的應(yīng)用中。

大方向有三類(lèi)：RFMEMS;射頻,比如relay,switch,可變電容,

諧振器……BIO-MEMS;生物，比如微全分析系統(tǒng)。POWERMEMS.微能量

采集，比如微馬達(dá)。

微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)是現(xiàn)代科技的前沿領(lǐng)域之一，其設(shè)計(jì)和制造

涉及多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域，如機(jī)械工程、電子工程、物理學(xué)和化學(xué)等。在

MEMS的設(shè)計(jì)和制造過(guò)程中，多域耦合分析和多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化是至關(guān)

重要的。本文將對(duì)這兩方面進(jìn)行詳細(xì)探討。

在MEMS中，各個(gè)物理場(chǎng)之間存在相互影響和耦合，這種耦合