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�
小提示：按 回车 [Enter] 键 返回书目，按 ← 键 返回上一页， 按 → 键 进入下一页。
赞一下
添加书签加入书架