微压力传感器的设计与制作工艺研究

第一章引言

§１．１关于微电子机械系统（ＭＥＭｓ）

１１１ＭＥＭｓ的兴起和特点

１９５９年美国物理学家、诺贝尔奖得主ＲｉｃｈａｒｄＦｅｙｎｍａｎ提出了一个非常有趣的问题：如果有一天可以按人们的意愿来安排一个个的原子，那将会产生什么样的奇迹呢？就在几十年后，这个愿望便变成了现实。图１．１的“原子”字样就是用单个原子排列的，１９８８年美国加州大学伯克利分校Ｍｕｌｌｅｒ等人研制成功了直径为６０～１００ｕｍ的硅静电马达。

最近，美国洛克?希德桑德公司研制出名为“微星”（Ｍｉｃｒ—ｓＴＡＲ）的微型无人侦察机。该飞行器的长度只有１５厘来，重８５克。体积仅相当千一只麻雀。而图１．２是美国一家公司研制成功的一款微型直升机图（Ｂｌａｃｋ—ｗｉｄｏｗ）。

近年来，美国国防部高级研究计划局资助微机电系统用于军用开发的经费每年达５０００万美元。

日本通商产业省从１９９１年起总投资２亿美元的微机械技术大型研究开发技术，实施期为ｌＯ年。

法国于１９９３年启动了“微技术和微系统”项目，投入７０００万法郎。

德国每年用于微系统的投入高达７０００万美元。“”。㈣。

所有这些表明：人们对微小现象有着很浓厚的的兴趣，器件的微小型化正变得越来越可能，世界各国对微小技术越来越重视。实际上，微小型化正是当今技术领域发展的一个重要趋势之一。因为微小技术所制作的微小器件能完成许多大系统无法完成的工作，微小型器件并不是宏观器件的简单等缩。当尺寸小到一定程度，会有许多意想不到甚至令人惊喜的现象出现。微机电系统（ＭｉｃｒｏＥｌｅｃｔｒｏＭｅｃｈａｎｉｃａｌＳｙｓｔｅｍ，简称ＭＥＭＳ）正是顺应这一趋势而应运而生的一门新学科。

图１．１单个原子排列成的“原子”字样图１．２微型直升机

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彩色投影仪、电视显示等”。。

３）汽车行业

汽车行业是ＭＥＭｓ传感器技术的重要市场。传统的多路绝对压力传感器和气囊加速度计几乎已经完全被微型化的传感器所替代。在轮速测量、冷却系统压力、发动机油压力和刹车压力测量方面，人们正在考虑或已经开始用基于ＭＥＭＳ技术的传感器来取代原有的产品。此外，人们还在尝试将ＭＥＭｓ器件应用于汽车的智能型低污染发动机系统、智能型活动底盘系统、智能型安全与导航系统中。如图１．５所示的整个汽车防撞传感器系统就是由许多ＭＥＭＳ传感器组成…１。

４）生物医学技术

生物芯片已经在基因排序上引起极大的反应。通过微型生物机电技术合成Ｍ朗ｓ传感器和致动器，可以创造出具有更强大功能的新一代生物芯片。综合起来讲脏｝ｌｌＳ在生物医学领域的应用主要是下列三个方面：ｉ）临床化验分析。ｉｉ）基因分析与遗传诊断。ｉｉｉ）介入治疗。如图１．６是美国康纳尔大学的科学家利用ＡＴＰ酶作为分子马达，研制出的一种可以进入人体细胞的纳米机电设备一“纳米直升机””１。

图１．３硅微加速度计图ｌ｜４微机械射频开关

图１．５汽车的防撞传感系统图１．６医用“纳米直升机”

实际上，作为一门方兴未艾的新技术，ＭＥＭＳ的前途不可限量，正如业内的～位专业人士所说的：ＭＥＭＳ，Ｔｈｅ。ｎｌｙｌｉＴｉ】ｉｔａｔｉｏｎｉｓｙｏｕｒｉｍａｇｉｎａｔｉｏｎ！世界各国特别是发达国家，纷纷制订计划，投入大量经费，争夺这一科技的制高点。当前，美国、日本、德国等科研堡里垄坚型ｉ塑些查垄堇墨塑萱翌！：塑里丛！！生垡查茎塑王坚！堕笪塑塞：坠堡堕里丛塑

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国防科学技术大学研究生院学位论文

矩形膜片，见图２．２。从后面第三章介绍的有关挠度理论可知：在受外力的作用下，如果膜片位移小于或不太大于膜片的厚度时，可以认为是小挠度问题；但是如果膜片位移是膜片厚度的几倍甚至几十倍，就是大挠度问题““。在小挠度情况下，外力与挠度基本成线性关

系。对于硅材料材料来说，可动极板无论采用何种形状的膜片，它在受外力作用时的位移都小于或不太大于膜片的厚度，可认为是小挠度问题。

假若膜的周边固支，且有一挠度为孵则当膜受到使膜发生小变形的均布载荷尸

时，挠度满足以下关系式“”：

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ａｒ４。－ａⅣ２ａｙ２ａｙ４一Ｄ

由材料力学公式可知膜的弯曲刚度为。＝瓦筹筌击，其中矗为膜的厚度，Ｆ为杨氏模

量，∥为泊松比。板内备点的弯矩为：

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矩形膜的应力为：

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