邵慧彬，宋占鋒

(張家口職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河北張家口050016)

1 微機(jī)電(MEMS)系統(tǒng)簡(jiǎn)介

微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)，是指可批量制作的微型機(jī)構(gòu)、微型傳感器、微型執(zhí)行器以及信號(hào)處理和控制電路、集通信和電源于一體的微型器件或系統(tǒng)，它是隨著半導(dǎo)體集成電路的微細(xì)加工技術(shù)和超精密機(jī)械加工技術(shù)的發(fā)展而誕生的新技術(shù)領(lǐng)域。MEMS具有微型化、批量生產(chǎn)成本低、集成化程度高和多學(xué)科交叉等特點(diǎn)，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。

2 微機(jī)電系統(tǒng)的發(fā)展歷程

微機(jī)電系統(tǒng)的概念于1959年由美國(guó)科學(xué)家Richard P Feynman提出。1988年，世界上第一個(gè)硅微型靜電電機(jī)誕生在美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校，該電機(jī)直徑僅為(60～120)μm，為世人矚目，由此產(chǎn)生了世界微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)研究的一個(gè)階段性標(biāo)準(zhǔn)。1989年，NSF(National Science Foundation)在研討會(huì)的總結(jié)報(bào)告中提出“微電子技術(shù)應(yīng)用于電子、機(jī)械系統(tǒng)”。自此，MEMS成為一個(gè)新的學(xué)術(shù)用語(yǔ)。在過(guò)去20多年中，微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)已經(jīng)從早期的技術(shù)開發(fā)、設(shè)備探索和實(shí)驗(yàn)室研究的階段發(fā)展到當(dāng)前的實(shí)際應(yīng)用階段，并逐漸擴(kuò)展到許多新的研究和探索領(lǐng)域，已經(jīng)成為21世紀(jì)最具潛力的研究領(lǐng)域之一。2006年，全世界的MEMS產(chǎn)值已達(dá)約60億美元，年增長(zhǎng)率為14%，預(yù)料到2010年將成長(zhǎng)為97億美元的市場(chǎng)。由于微機(jī)電系統(tǒng)在醫(yī)療、生物、精密儀器、環(huán)境保護(hù)、航空航天、通訊、國(guó)防軍工等領(lǐng)域有十分廣闊的應(yīng)用前景，它的推廣使用勢(shì)必帶來(lái)空前的產(chǎn)業(yè)革命，可望成為下世紀(jì)初的支柱產(chǎn)業(yè)。

3 微機(jī)電(MEMS)產(chǎn)業(yè)發(fā)展

高校和科研院所從上世紀(jì)80年代開始從事微電子(MEMS)領(lǐng)域的相關(guān)研究，政府和有關(guān)部門對(duì)于MEMS科技的產(chǎn)業(yè)化給予了大力支持。上世紀(jì)90年代后，國(guó)家通過(guò)微機(jī)電(MEMS)基礎(chǔ)研究項(xiàng)目、863計(jì)劃、973計(jì)劃支持微機(jī)電(MEMS)相關(guān)領(lǐng)域的研發(fā)活動(dòng)，并提出在2011年國(guó)內(nèi)微機(jī)電(MEMS)企業(yè)達(dá)到40家以上，成為全球最大的MEMS市場(chǎng)。此外，國(guó)家發(fā)展改革委、工業(yè)和信息化部聯(lián)合編制了《電子信息產(chǎn)業(yè)技術(shù)進(jìn)步和技術(shù)改造投資方向》，也將MEMS相關(guān)內(nèi)容列為電子信息產(chǎn)業(yè)技術(shù)進(jìn)步的方向。近幾年發(fā)展過(guò)程中，成功的工業(yè)產(chǎn)品和突出的科研應(yīng)用成果主要有以下幾方面:

(1)噴墨打印機(jī)噴頭。利用微加工技術(shù)制造的微電子(MEMS)打印噴頭在打印機(jī)行業(yè)占有很大的市場(chǎng)份額，如HP公司制造的噴頭每年有數(shù)10億美元以上的營(yíng)業(yè)額。

(2)微電子壓力傳感器。微電子(MEMS)壓力傳感器是最早開始研制，也是最早開始產(chǎn)業(yè)化的MEMS產(chǎn)品，已廣泛應(yīng)用于機(jī)械加工、汽車和其他工業(yè)控制等領(lǐng)域。

(3)數(shù)字光控制器(DLP)，是由數(shù)字微鏡器件(DMD)作為核心原件，通過(guò)數(shù)字信息控制反射鏡。每個(gè)微鏡在二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)的控制下，在兩個(gè)不同的位置上進(jìn)行切換轉(zhuǎn)動(dòng)，從而將圖像投影在屏幕上，具有廣闊的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

(4)生物芯片技術(shù)。是生物醫(yī)學(xué)技術(shù)和微加工技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物。微型化的生物芯片可用于微量生物采樣同時(shí)檢測(cè)和研究生物細(xì)胞、生物分子和DNA的特性。

(5)MEMS技術(shù)在通訊領(lǐng)域的應(yīng)用。在移動(dòng)通信領(lǐng)域，MEMS的產(chǎn)品主要有可變電容、高Q值電感、低損耗開關(guān)等。另一個(gè)重要領(lǐng)域是全光交換系統(tǒng)的光通訊，基于MEMS技術(shù)的光控開關(guān)是實(shí)現(xiàn)全光交換最有希望的技術(shù)。

近幾年來(lái)在“傳統(tǒng)”的MEMS以外，發(fā)展了許多新的應(yīng)用領(lǐng)域。(1)光控技術(shù)，如光控開關(guān)、光調(diào)幅、光頻調(diào)控等;(2)環(huán)保技術(shù)與監(jiān)測(cè)(environmental protection and monitoring)用到了MEMS網(wǎng)絡(luò)(Network);(3)生物領(lǐng)域中基因(DNA)、細(xì)胞(cell)和系統(tǒng)生物學(xué)(system biology)都用到了微系統(tǒng)的元件和工具;(4)微型能源的研究:在傳統(tǒng)化學(xué)能電池微型化的研究過(guò)程中，氫電池、燃料電池、大電容儲(chǔ)能器、微型內(nèi)燃發(fā)電機(jī)和環(huán)境電能換能器逐漸受到人們的關(guān)注。

盡管目前MEMS已經(jīng)在很多領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用，然而MEMS技術(shù)所取得的成就卻遠(yuǎn)未達(dá)到人們對(duì)它的期望。與其他產(chǎn)業(yè)相比，其產(chǎn)量依然十分有限。隨著相應(yīng)技術(shù)與基礎(chǔ)研究的不斷積累，工業(yè)應(yīng)用與商業(yè)開發(fā)的加速，MEMS將加速發(fā)展，其市場(chǎng)潛力極其巨大。

4 國(guó)內(nèi)微機(jī)電(MEMS)教育現(xiàn)狀

高等職業(yè)教育肩負(fù)著為國(guó)家培養(yǎng)高級(jí)技術(shù)人才的重任，即培養(yǎng)那些不僅具有扎實(shí)的理論知識(shí)而且主要依靠動(dòng)作技能和經(jīng)驗(yàn)技藝在生產(chǎn)、服務(wù)第一線從事現(xiàn)場(chǎng)工作的直接操作者，因此在高等職業(yè)教育中開設(shè)微機(jī)電(MEMS)系統(tǒng)的相關(guān)課程，尤為重要。結(jié)合國(guó)內(nèi)外最新研究成果，介紹微機(jī)電領(lǐng)域最新的前沿科學(xué)技術(shù)，并配合課程內(nèi)容開設(shè)特色教學(xué)，使學(xué)生了解微機(jī)電系統(tǒng)的特點(diǎn)、微機(jī)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用和研究中的困難，使學(xué)生盡快接近學(xué)科前沿，為其將來(lái)從事微機(jī)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、開發(fā)和應(yīng)用打下基礎(chǔ)。

5 微機(jī)電教學(xué)在高等教育中的探討

微機(jī)電研究作為一門新興前沿學(xué)科，其在高職教育各方面處于初級(jí)階段，教學(xué)方法上需要不斷的探索和實(shí)踐研究。

5.1 微機(jī)電系統(tǒng)課程的特點(diǎn)

5.1.1 高科技挑戰(zhàn)性

近些年，微機(jī)電系統(tǒng)盡管發(fā)展很快，但是不管是理論還是實(shí)踐的研究仍處于初級(jí)階段。微機(jī)電系統(tǒng)不是傳統(tǒng)機(jī)電系統(tǒng)的縮小和簡(jiǎn)單化，而是涉及了很多新的理論知識(shí)。傳統(tǒng)的機(jī)電學(xué)理論已不能滿足，必須建立新的理論體系。盡管微機(jī)電系統(tǒng)已經(jīng)有了很大的進(jìn)展，但還不夠具體和完善，甚至有的理論還有著不同的見解。這就會(huì)給教師講授帶來(lái)一定的難度。這種挑戰(zhàn)就會(huì)對(duì)教師提出較高的專業(yè)知識(shí)要求，也會(huì)對(duì)教師的專業(yè)技能提出較高的要求，只有具備了良好的專業(yè)技能，教師才能對(duì)教材、教學(xué)計(jì)劃和內(nèi)容更好地理解和把握。微機(jī)電系統(tǒng)尚未形成系統(tǒng)的理論，教師必須從多方面掌握理論基礎(chǔ)知識(shí)，并根據(jù)學(xué)生自身素質(zhì)選擇教授教學(xué)內(nèi)容。

5.1.2 多學(xué)科交融性

微機(jī)電系統(tǒng)具有高度的學(xué)科交融性，對(duì)從事微機(jī)電(MEMS)系統(tǒng)課程教學(xué)的老師提出了更高的專業(yè)素質(zhì)要求。首先，要求教師本身不僅要具有豐富的基礎(chǔ)知識(shí)，同時(shí)還要了解微電子學(xué)、機(jī)械學(xué)、材料學(xué)、制造等方面的最新發(fā)展成果;另外，還要求教師在講課時(shí)要充分考慮學(xué)生本身的知識(shí)基礎(chǔ)、理解能力和接受能力。

5.2 以專業(yè)需求為導(dǎo)向合理制定教學(xué)計(jì)劃

5.2.1 合理制定教學(xué)計(jì)劃，突出重點(diǎn)

微機(jī)電學(xué)科涉及知識(shí)龐雜，不僅包含相關(guān)學(xué)科理論知識(shí)，更要關(guān)注這些學(xué)科的發(fā)展動(dòng)態(tài)、技術(shù)升級(jí)。因此，在安排教學(xué)內(nèi)容時(shí)，要以學(xué)生的專業(yè)特點(diǎn)為導(dǎo)向做到內(nèi)容具體、突出重點(diǎn)。例如，參照機(jī)械類學(xué)生的基礎(chǔ)知識(shí)，主要講授微機(jī)電系統(tǒng)集成和微細(xì)制造技術(shù)，其它相關(guān)知識(shí)概要講解即可;對(duì)電氣類學(xué)生，主要為其講授微電子技術(shù)和微電氣控制與應(yīng)用等方面較寬領(lǐng)域的工程技術(shù)基礎(chǔ)專業(yè)知識(shí)。

5.2.2 課堂介紹和實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)相結(jié)合

為了取得最佳的教學(xué)效果，采取課堂講授與實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)相結(jié)合的方式。在課堂上，講授完知識(shí)以后，立足現(xiàn)有條件，合理安排實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，使學(xué)生建立理性認(rèn)識(shí)的同時(shí)，結(jié)合實(shí)驗(yàn)的橋梁，來(lái)培養(yǎng)學(xué)生由知識(shí)型向能力型轉(zhuǎn)化，激發(fā)學(xué)生的發(fā)散性思維和創(chuàng)新能力。通過(guò)學(xué)生實(shí)驗(yàn)后的交流，深化其對(duì)實(shí)驗(yàn)的理解，提高學(xué)習(xí)興趣。

5.2.3 改進(jìn)教學(xué)方法，提高教師教學(xué)技能

以學(xué)生為主體，加強(qiáng)師生互動(dòng)，正確了解學(xué)生的學(xué)習(xí)狀態(tài)，有目的地改進(jìn)教學(xué)方法。讓學(xué)生對(duì)微機(jī)電系統(tǒng)發(fā)表自己的看法，吸收他們的見解改進(jìn)教學(xué)方式、方法，與學(xué)生同提高共進(jìn)步。教師必須對(duì)課程內(nèi)容及其相關(guān)背景知識(shí)有深入清晰的了解和掌握，及時(shí)查閱最新文獻(xiàn)介紹給學(xué)生，與學(xué)生展開討論。向?qū)＜艺?qǐng)教，積極參加相關(guān)的科研活動(dòng)，以科研促進(jìn)教學(xué)能力的提高。

6 展望

微機(jī)電(MEMS)產(chǎn)業(yè)是新世紀(jì)發(fā)展形成的高新科學(xué)技術(shù)，其孕育著巨大的技術(shù)發(fā)展?jié)摿蛷V闊的市場(chǎng)空間。微機(jī)電技術(shù)的發(fā)展，將引發(fā)計(jì)算機(jī)、微電子、機(jī)械電子、信息通訊技術(shù)、生物科技和生命科學(xué)等領(lǐng)域的重大變革，并且影響人們對(duì)未知世界的認(rèn)識(shí)觀。高等教育肩負(fù)著為國(guó)家培養(yǎng)高素質(zhì)技能人才的重任，培養(yǎng)創(chuàng)新型人才是高等教育教學(xué)改革的主要目標(biāo)。微機(jī)電系統(tǒng)教學(xué)應(yīng)圍繞這一目標(biāo)，把課堂教學(xué)和實(shí)驗(yàn)技能培養(yǎng)與人才培養(yǎng)結(jié)合起來(lái)進(jìn)行探索，為高等教育注入新的活力。

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