微机电系统-第1部分

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许戈辉：“问渠哪得清如许，为有源头活水来”。各位好，这里是大红鹰·世纪大讲堂，我是许戈辉。有史以来，人类对于未知世界的探索就一直没有停止过，而且每一次成功的发现或者是发明，都会给我们的生活带来很切实的变化。比如说我们今天的节目，如果要不是因为有对于光电转化的认识和相关的一些发明，那我们就只限于现场的这些听众可以听到，而不会把它用电视记录下来，让更多的朋友一起来分享。　

那如果要是从思路上来讲，人们在关注未知世界的时候，基本上是有两个方向。一个就是更宏观，一个就是更微观，是往两极分化的两个方向。那么今天我们请来的主讲嘉宾姜澄宇教授呢，就要给我们讲述微观世界里的一个精灵，那就是微机电系统。好，让我们首先来认识一下姜教授。　

姜澄宇简历　

姜澄宇，1947年生于江苏。1988年在南京航空航天大学获工学博士学位。西北工业大学机械工程专业教授、博士生导师。曾任南京航空航天大学党委书记兼校长。2001年起担任西北工业大学校长，并同时兼任西北工业大学研究生院院长。　

姜教授的研究领域为纳米机械与纳米加工技术、计算机集成制造系统和管理学。　

另外，姜澄宇还担任多种学术团体职务，如中国航空学会副理事长、中国机械工程学会常务理事等。　

姜澄宇曾获光华科技基金二等奖1项、省部级科技进步奖多项，获国家专利1项、在国内外刊物上发表论文近百篇。2001年11月入选国防科工委“511人才工程”、“高级管理人才”，同年获得香港理工大学校“大学院士”荣衔。　

许戈辉：姜教授，我知道有很多学机械专业的人，其实他们从小就特别喜欢动手，鼓捣，我不知道您小时候是一个什么样的孩子？　

姜澄宇：正是你讲的这种孩子，其实我小的时候应该说很调皮，对身边的这些玩具，各种东西都很好奇。　

许戈辉：那个时候您自己动手，您不光是拆东西吧，有没有做出个什么东西来？　

姜澄宇：做出不少东西。　

许戈辉：也做出了不少东西，都做了些什么呢？　

姜澄宇：我从小就有一套工具，这个很少人有的，像锯子、锉刀，一系列的手工工具。到了中学的时候我曾经做过很多半导体收音机，当时是六十年代，那个就算是很高档的东西了，当时我做到了八管的，跟熊猫八管收音机一样的。那都是我自己攒钱省下来，然后去买的这些元器件。　

许戈辉：那后来就考了这个专业，机械制造专业。　

姜澄宇：对。　

许戈辉：那我想问问您，您现在已经从一个当初由于比较调皮、淘气，拆拆弄弄鼓鼓捣捣的孩子，现在变成一校之长，管理着三万多名学生。那管三万多学生的一个学校，这应该算是宏观的了吧，那您那个研究领域恰恰是微观的，这两者之间又是什么关系？有矛盾吗？　

姜澄宇：这是一个人群当中的，属于社会科学和管理学里面的一个问题。那我们所论的是一个自然科学里面的问题，同样也有宏观和微观的问题。刚刚你已经点到了，其实在自然科学里面，人类认识自然和改造自然的这个活动，我们可以在尺度上面加以划分。宏观的尺度，包括我们现在对太阳系、银河系、恒星、行星、卫星，也包括我们对于海洋，对于山脉，对于矿产，这种大方面的探索，另外一个方面，就是我们很关心的最小的是什么，最微观的世界里面有些什么神奇的东西，这个探索其实人类从来就没有停止过。我们近代的物理和化学，已经揭示了很多微观世界里面的东西。比如说原子、分子的结构、蛋白质、胰岛素这些东西，已经很多了，化学元素是怎么构成的。但是我们今天所论的是另外一个和它有密切相关，但是又不是完全相同的一个领域。　

许戈辉：我看您把它称作叫精灵，为什么叫精灵？　

姜澄宇：人们心目当中这个精灵呢，我觉得可以说有三个特点。一个，我觉得精灵应该是很小，而且很可爱。第二个，我觉得它应该是活泼、聪明，这个精灵应该是这个。第三个，它很神奇，它能出一些你意想不到的效果，具备这种神奇的能力。　

许戈辉：所以我们这里就非常好奇，到底这个精灵世界是什么样的呢？接下来我们就欢迎姜教授为我们进行主题演讲。　

姜澄宇：各位，今天很有幸跟大家一起来讨论一下微机电系统方面的问题。　我想从四个方面我们来探讨一下。第一个，首先我们要来谈论一下什么是微机电系统？这是最基本的一个概念。第二个，我们要提一个问题，为什么要微型，为什么要做得小？第三个方面，我们怎么能做到微型，怎么做出来？最后，我们想把这个领域的进展，也做一个展望，看看未来是一个什么样的前景。　

我先说第一个问题，什么是微机电系统。那么大家看到，左上图是一个微型的镊子，镊了一个直径是5微米的一个玻璃光纤。这个五个micron的。右边这张图是我们所说的一个微型镊子和传统镊子，我们平时用的镊子，的尺度的一个对比。这是一个例子来说明，这个微型镊子它能够做我们在微观领域的一些夹持和操作。很小的东西，你怎么来操作它呢？比如说是细胞，比如说是光纤，这就需要这样的工具，而这个微型镊子它就是一个微机电系统。　

这是一个马达，一个硅制作的微型马达。这个马达中间的转子的直径只有60微米，右下图是一个头发，一根人的头发丝，和那个马达的转子的一个比较，可以看出来它比人的头发还要细，这么细小的一个微型马达。　

这个例子，是一个微型的加速度计，这个加速度计可以测量五个重力加速度。中间的黄颜色的那一块，是它的质量块，这个质量块的尺寸是510微米见方，实际上就相当于我们一毫米的一半，所以这个尺度应该是很小的一个尺度。　

这是我们先拿三个例子来说明一下，什么是微机电系统，一个感性的认识。目前世界上对于微机电系统，还没有一个统一的定义。在日本，它通常被称之为叫做“微机械”，Micro　Machine。在欧洲，通常称为“微系统”，Micro　System。在美国称为Micro　electro　Mechanical　System，就是我们所说的“微机电系统”。那么我们中国比较倾向于最后这样一种说法，认为它比较完整、准确地刻画了我们现在所论的这个微机电系统的一些主要的特征。　

那么微机电系统的尺度范围，一般就是在微米到几个毫米之间，也不一定都是做到微米以下，可以到毫米量级。通过这张图可以看到，我们的电视机大约是在10的零次方米，大概就是一米左右。普通的手机呢，大概是在10个厘米左右。这里画出来的蚂蚁、昆虫，那么就是到了若干个毫米的量级。那么毫米以下，我们展示了人的头发丝，还有更小的齿轮，还有上面我们列了一个MEMS的一个系统。所以它基本上在这张图里头，从最左边的10的负6次方到10的负3次方大一点，在这个范围里面，就是我们所谈论的它的尺度范围。　

第二个方面，我们谈一谈功能问题。大家可以看到，我们可以做一个很细很细的金属棒，也可以做一个很微小的齿轮。这个还不能说是我们所说的微机电系统。作为一个系统来讲，我们认为它应该包含着可运动的部件，或者可运动的流体，这样的微型器件。多数，由这些器件里面构成的系统；它要有传感器，就是我们讲的sensor；或者是制动器，我们也叫做执行器，它可以做一些操作了，就是actuator，要有这两个功能，或者有其一。另外，它可以和电路联系起来，构成一个小小的系统，它这个系统，有的还具有信号处理和控制功能，有的有接口电路，有的还可以进行通讯，还可以进行munication，有的还要带电源，所以这个所谓的system，它和一个零件是有所差别的。所以这样的一个系统，就是我们所追求的，我们所要探索，所要进行研究的微机电系统。这是这么一个概念。　

姜澄宇：刚才简单地介绍了一下微机电系统的一些概念。我们紧接着就要问了，你为什么把它做小？要做得往微型这个方面来发展？我们这里要探讨一下微型有什么好处。　

我们直观地来看一下，微型化它有一系列的优点，包括重量轻、耗能低、便于携带等等。而这些优势在有些场合是非常非常得重要，比如说，我们航空航天的机载设备，那么机载设备有的是很重的。大家知道，在我们这里学航空和航天的同学很多，航空设计和制造（领域）里面有一个口号，就是“为降低一克重量而奋斗”，听起来好像是很过分，一克有什么了不起。实际上航空和航天，特别是航天领域就是这么来看，一克都是非常重要。如果说我们在功能上，同样都能够满足功能的、性能的要求的话，那么我们微机电系统的产品就具有很大的优势，它比我们传统的产品呢，就小了很多。　

这里可以给出一个例子，大家可以看一看。这个是我们在航空和航天上面经常要用的。大家比较熟悉的叫做陀螺。左边这个是一个传统的陀螺，它的质量是1500多克；尺寸，这里面写了是15厘米乘8厘米乘5厘米；消耗的功率是35瓦；测量的极限是35克，成本达到2万美金。　

我们再来看一看用MEMS技术制造的微陀螺。这个微陀螺是右边这个图。它的质量只有10克，比它小得多。尺寸是2厘米乘2厘米乘0。5厘米，也是小了很多很多了。那么功率，在耗能方面，它只需要一个毫瓦就可以驱动。另外由于它的体积很小，它的这个惯量非常小，所以它测量的极限得到了很大的拓展。它可以测量100k　g，就是10万个重力加速度，可以测到这么宽广的范围。另外，它的价钱很重要，它只要500美金就可以制成。所以从这个对比呢，我觉得给大家一个很感性的认识，就是我们这个MEMS的器件，这个系统，为什么具有非常强大的生命力。　

第二个方面我们要谈到，有些场合它必须要微型尺寸，大了就不行。这个日本通产省，从1991年开始，展开了一项耗资250亿日元的研究计划。这个里面，有两个目标样件，分别是可以进到电厂设备内部去进行非破坏性检测维修，这样的微小机器人。还有一个，是可以进入人体血管，进行病情诊断和治疗的微型系统，日本政府已经起动了这两个研究的项目。那么在这样狭小的空间里面，是我们传统的办法根本无法实现的。在这种场合下面，所以我们必须要求它（微型）。　

另外，微型化后在行为发生的机理和表现的效能看，它还有许多意想不到的优点。这个我们可以再来举一个例子。从它们承载能力看，就是相对承载能力，微型的器件比我们宏观的器件的承载能力会高很多。为什么呢？这个我们举一个很通俗的例子。右上角一个蚂蚁它能够搬动一个，比它身体还要大得多的一个载荷，但是你让一个大象要抬五个大象起来，它肯定抬不了。那么它的原理在什么地方？可能大家学到，如果是机械制造的领域，还有一些物理领域就知道，叫做尺度效应、尺寸效应，scaling　effect，它这个就是尺度效应一个很重要的具体的表现。　

第二个特点，它抗破坏的能力很强。大家知道，如果把一个蚂蚁或一个小昆虫，从很高的地方把它放下来，很少有把它跌死的，它跌不死，小昆虫。但是我们人要是从这个几米高掉下来，我看反正够呛。那什么原因呢？就是本身小的东西承载能力就增强了。第二个整体尺寸。我们不说蚂蚁了，我们说材料，它整体尺寸的缩小会减低这个结构的缺陷的总数量，缺陷的总数量降低了，只有毫米见方的一个硅的芯片，要比整个四英寸的硅盘，这个圆盘，它的抗击打能力要强得多。　

第三个方面，微型器件做得越小，它的固有频率就越高。它可以感知的外部信号的范围就更大。质量越小、频率越高，这是我们自然界的已经是一个很重要的规律了。比如说苍蝇和蜜蜂，它翅膀振动的频率可以很高，每秒钟可以振二百次，黄蜂可以每秒钟振到上千次，但是你要叫老鹰振上千次，它就完了，它大，它振不了。　

你比如说现在的电子助听器，电子助听器是一个很大的市场，它里面那个感知原件，很重要的，声音接受了以后，怎么把它放大，靠感知元件，它现在主要就是用MEMS技术来制造的，做得很微小的这个助听器，现在也是技术含量很高，声音非常非常清晰，那么它的振动频率可以到百千赫兹以上。所以它可以很清晰地来感知到20千赫以下的声音振动的信号，就是超音波以下的声音，它完全没有问题，它可以很真实地还原出来，所以我们就看到了这个优点。　

那么最后一点，我们现在采用的这个微机电系统，我们希望在相关子系统上面，都运用我们MEMS的技术，能够使它大大地缩小，而性能基本上都能够具备原来的性能，这样子我们就可以来构建一个比较小的复杂系统。这个左边是美国一家公司研制的，跟手掌这么大的微型飞机，这个微型飞机已经可以在空中飞行30分钟，距离可以达到几公里。微型飞机现在进行研究的，和我们航模的遥控是不一样。遥控是在可视距离里头，是由操纵手来操纵，看到你这个飞机是可以的，叫它左飞、右飞、上飞、下飞。微型飞机它是有智能的，它是自主来飞行的，这是一个很大的差别。我们航模飞机也可以做得比较小，但是它还不是真正意义上的微型飞机。就象这种系统就很复杂。　

我们来谈一谈微机电系统，它怎么样来发挥它的作用，有什么途径。我们感觉现在是两种途径。　

一种途径，就是我们通过MEMS发展的这种技术、这种产品，用于替代我们原来的传统的这些产品，借助微型化来改善我们原来产品的功能，这是一个很重要的途径。比如说在汽车行业里面，基于我们现在所说的微机电技术的微型加速度器，现在大量地取代了传统的安全气囊控制的系统。那么传统的加速度计