微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)介紹

1、微機(jī)電系統(tǒng)（MEM）技術(shù)介紹微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS ）,在歐洲也被稱為微系統(tǒng)技術(shù)，或在日本被稱為微機(jī)械，是一類器件，其特點(diǎn)是尺寸很小，制 造方式特殊。MEMS是指采用微機(jī)械加工技術(shù)批量制作的、 集微型傳感器、微型機(jī)構(gòu)、微型執(zhí)行器以及信號處理和控制 電路、接口、通訊等于一體的微型器件或微型系統(tǒng)。MEMS器件的特征長度從1毫米到1微米-1微米可是要比人們頭發(fā) 的直徑小很多。MEMS往往會采用常見的機(jī)械零件和工具所 對應(yīng)微觀模擬元件，例如它們可能包含通道、 孔、懸臂、膜、 腔以及其它結(jié)構(gòu)。然而，MEMS器件加工技術(shù)并非機(jī)械式。相反，它們采用類似于集成電路批處理式的微制造技術(shù)。今天很多產(chǎn)品都利用了 ME

2、MS技術(shù)，如微換熱器、噴墨 打印頭、高清投影儀的微鏡陣列、壓力傳感器以及紅外探測 器等。MEMS技術(shù)可以用于制造壓力傳感器、慣性傳感器、 磁力傳感器、溫度傳感器等微型傳感器，這些傳感器以及它 們的部分信號處理電路都可以在只有幾毫米或更小的芯片 上實(shí)現(xiàn)。與傳統(tǒng)的傳感器相比，MEMS傳感器不僅體積更小、 功耗更低，而且它們往往會比傳統(tǒng)傳感器更加準(zhǔn)確、更加靈 敏。隨著人們對海洋觀測的需求不斷增加和海洋觀測技術(shù)的 不斷發(fā)展，MEMS技術(shù)也在逐漸進(jìn)入海洋觀測技術(shù)研究領(lǐng)域。、MEMS概念他們告訴我一種小手指指甲大小的電動(dòng)機(jī)。他們告訴 我，目前市場上有一種裝置，通過它你可以在大頭針頭上寫 禱文。但這也沒什么

3、；這是最原始的，只是我打算討論方向 上的暫停的一小步。 在其下是一個(gè)驚人的小世界。公元2000年，當(dāng)他們回顧當(dāng)前階段時(shí)，他們會想知道為何直到1960年，才有人開始認(rèn)真地朝這個(gè)方向努力?！币灰焕聿榈沦M(fèi)曼，底部仍然存在充足的空間發(fā)表于1959年12月29日于加州理工大學(xué)（Caltech）舉辦的美國物理學(xué)會年會。但我 們可能會問：為什么要在這樣一個(gè)微小尺上生成這些對象？MEMS器件可以完成許多宏觀器件同樣的任務(wù)，同時(shí)還有很多獨(dú)特的優(yōu)勢。這其中第一個(gè)以及最明顯的一個(gè)優(yōu)勢就 是小型化。如前所述，MEMS規(guī)模的器件，小到可以使用與 目前集成電路類似的批量生產(chǎn)工藝制造。如同集成電路產(chǎn)業(yè) 一樣，批量制造能顯著

4、降低大規(guī)模生產(chǎn)的成本。在一般情況 下，微機(jī)電系統(tǒng)也需要非常量小的材料以進(jìn)行生產(chǎn)，可進(jìn)一 步降低成本。除了價(jià)格更便宜，MEMS器件也比它們更大等價(jià)物的應(yīng) 用范圍更廣。在智能手機(jī)、相機(jī)、氣囊控制單元或類似的小 型設(shè)備中，竭盡所能也設(shè)計(jì)不出金屬球和彈簧加速度計(jì)；但 通過減小了幾個(gè)數(shù)量級，MEMS器件可以用在容不下傳統(tǒng)傳 感器的應(yīng)用中。易于集成是MEMS技術(shù)的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)。因?yàn)樗鼈儾捎门c ASIC制造相似的制造流程， MEMS結(jié)構(gòu)可以更容易地與微 電子集成。將 MEMS與CMOS結(jié)構(gòu)集成在一個(gè)真正的一體 化器件中雖然挑戰(zhàn)性很大， 但并非不可能，而且在逐步實(shí)現(xiàn)。 與此同時(shí)，許多制造商已經(jīng)采用了混合方法來創(chuàng)

5、造成功商用 并具備成本效益的 MEMS產(chǎn)品。德州儀器的數(shù)字微鏡器件（DMD ）就是其中一個(gè)案例。DMD是TIDLP技術(shù)的核心，它廣泛應(yīng)用于商用或教學(xué)用投 影機(jī)單元以及數(shù)字影院中。每16平方微米微鏡使用其與其下的CMOS存儲單元之間的電勢進(jìn)行靜電致動(dòng)。灰度圖像是由脈沖寬度調(diào)制的反射鏡的開啟和關(guān)閉狀態(tài)之間產(chǎn)生的。顏 色通過使用三芯片方案（每一基色對應(yīng)一個(gè)芯片），或通過一個(gè)單芯片以及一個(gè)色環(huán)或 RGB LED光源來加入。采用后 者技術(shù)的設(shè)計(jì)通過色環(huán)的旋轉(zhuǎn)與DLP芯片同步，以連續(xù)快速的方式顯示每種顏色，讓觀眾看到一個(gè)完整光譜的圖像。二、MEMS現(xiàn)狀基于各種原因，許多MEMS產(chǎn)品在商業(yè)上取得了巨大成 功

6、，其中許多器件已經(jīng)獲得廣泛應(yīng)用。汽車工業(yè)是MEMS技術(shù)的主要驅(qū)動(dòng)力之一。 例如MEMS振動(dòng)結(jié)構(gòu)陀螺儀，是一 款新的相當(dāng)便宜的設(shè)備，目前用于汽車防滑或電子穩(wěn)定控制 系統(tǒng)中。村田電子的 SCX系列MEMS加速度計(jì)、陀螺儀和傾斜儀，以及將這些功能集成在一個(gè)單芯片中可助力特定的 汽車應(yīng)用-因?yàn)樗鼈兊木纫罂赡軙浅８??；贛EMS的氣囊傳感器自上世紀(jì)90年代起在幾乎所有汽車中已經(jīng)普遍取代了機(jī)械式碰撞傳感器。上圖顯示了一個(gè)簡化的 MEMS加速度計(jì)示例，同碰撞傳感器中使用的類似。一個(gè)帶有一定 質(zhì)量塊的懸臂梁連接到一個(gè)或多個(gè)固定點(diǎn)以作為彈簧。當(dāng)傳 感器沿梁的軸線加速時(shí)，該梁會移動(dòng)一段距離，這段距離可 以通

7、過梁的“牙齒”與外部固定導(dǎo)體之間的電容變化來測量。許多商用和工業(yè)用噴墨打印機(jī)使用基于MEMS技術(shù)的打印機(jī)噴頭，保持這些墨滴并在需要時(shí)精確地放下這些墨滴 這一技術(shù)被稱為按需投放（DoD ）。墨滴放置在橫跨壓電材料（比如lead zirconatetitanate,）組成的元件中，通過施加 的電壓來進(jìn)行擠壓。這增加了打印頭墨水室的壓力，通過施 力形成一個(gè)非常小量（相對壓縮）的墨水，并從噴嘴中噴出。與此同時(shí)，其它一些MEMS技術(shù)才剛開始大規(guī)模進(jìn)入市 場。微機(jī)械繼電器（MMR ），比如歐姆龍開發(fā)的，這種繼電 器更快，更高效，其集成度前所未有。歐姆龍發(fā)揮了自己的 微機(jī)電系統(tǒng)專業(yè)優(yōu)勢，為市場帶來新款溫度傳

8、感器：D6T非接觸式MEMS溫度傳感器。該 D6TMEMS制作過程中集成 了 ASIC和熱電堆元件，所以這種小型化的非接觸式溫度傳 感器大小僅為18X 14X 8.8毫米（4x4元件類型）。當(dāng)然，當(dāng)前的MEMS技術(shù)不限于單個(gè)傳感器器件，考慮一下人的感官：單只眼帶給我們顏色、運(yùn)動(dòng)和（一些）位置 信息，而兩只眼睛將帶來雙眼視覺， 改善立體感知。事實(shí)上， 我們的許多感知體驗(yàn)需要感官的組合，這樣的感知才是最終 有意義的。我們的思路是，通過將傳感數(shù)據(jù)組合起來，可以 彌補(bǔ)單個(gè)感官器官的弱點(diǎn)和缺點(diǎn)，并達(dá)到某種程度上最佳的 環(huán)境理解。在人類領(lǐng)域，這就是所謂的“多通道整合”；而在電子領(lǐng)域，這就是所謂的傳感器融合

9、。傳感器融合，特別 是當(dāng)它涉及到 MEMS時(shí)，是移動(dòng)設(shè)備中傳感器技術(shù)的一個(gè)重 要的進(jìn)展。許多制造商已經(jīng)開始提供完整的解決方案，如飛 思卡爾面向 Win8的12軸Xtrinsic傳感器平臺。該平臺集成 了 3軸加速度計(jì)，3軸磁力計(jì)，壓力傳感器，3軸陀螺儀， 環(huán)境光傳感器，并帶有一個(gè)ColdFire+MCU，以提供一個(gè)完全硬件解決方案一一還打包提供專用的傳感器融合軟件。隨著MEMS器件的優(yōu)勢獲得認(rèn)可， MEMS市場步伐也 在持續(xù)加快。據(jù) YoleD e veloppement2012年MEMS 產(chǎn)業(yè)報(bào) 告中所述，在接下來 6年，MEMS “將繼續(xù)保持平穩(wěn)、持續(xù) 的兩位數(shù)增長”，2017年全球市場價(jià)

10、值將達(dá)到 210億美元。三、MEMS的應(yīng)用領(lǐng)域MEMS器件和系統(tǒng)具有體積小、重量輕、功耗低、成本 低、可靠性高、性能優(yōu)異、功能強(qiáng)大、可以批量生產(chǎn)等傳統(tǒng) 機(jī)械無法比擬的優(yōu)點(diǎn)，在很多領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。（一）信息業(yè)信息技術(shù)的發(fā)展，對設(shè)備提出了更高的要求，功能更加 強(qiáng)大的同時(shí)體積縮小。從多媒體人機(jī)界面（HI）看，使用微麥克風(fēng)的語音輸入和使用微攝像系統(tǒng)的圖形輸入都有廣闊市 場，如今正在大力研制的微型智能機(jī)器人更是控制系統(tǒng)的最 高目標(biāo)之一。用微陀螺裝在鼠標(biāo)上以穩(wěn)定其運(yùn)動(dòng)，把微機(jī)械 及其控制電路集成的微器件裝于磁頭上可使其在磁道上運(yùn) 行精度大大提高（0.1卩m）,提高磁盤的磁道密度。 至于微噴 頭用于打印

11、則早已有所報(bào)道。（二）航空、航天業(yè)由于衛(wèi)星及其發(fā)射的高成本，工作者早已提出小衛(wèi)星、 微小衛(wèi)星、微衛(wèi)星和納米衛(wèi)星等概念。在1995年的國際會議上已有人提出研制全硅衛(wèi)星，即整個(gè)衛(wèi)星由硅太陽能電池 板、硅導(dǎo)航模塊、硅通信模塊等組合而成，這樣可使整個(gè)衛(wèi) 星的重量縮小到以千克計(jì)算，大幅度降低衛(wèi)星的成本，使較 密集的分布式衛(wèi)星系統(tǒng)成為現(xiàn)實(shí)。MEMS對航空器的性能改善也值得一提，今后在飛機(jī)的要害部位都可裝上各種 SMART傳感器，包括力學(xué)、聲學(xué)、 氣流等，及時(shí)提供信息和進(jìn)行實(shí)時(shí)控制各種執(zhí)行部件，從而 使飛行更加平穩(wěn)，噪聲大大的被抑制，并節(jié)省燃料。（三）醫(yī)療和生物技術(shù)生物細(xì)胞的典型尺寸為110卩m，生物大分子

12、的厚度為納米量級，長為微米量級。微加工技術(shù)制造的器件尺寸在 這個(gè)范圍內(nèi)，因而適合于操作生物細(xì)胞和生物大分子，各種 微泵、微閥、微鑷子、微溝槽、微器皿和微流量計(jì)都可以用 MEMS技術(shù)制造。利用這種技術(shù)，可以在指甲蓋大小的硅片 上制作出包含有10萬種DNA片段的芯片，無疑對遺傳學(xué)研 究、疾病診斷、檢測和治療等具有極其重要的作用。Stanford和Affmetrix公司制作的DNA芯片是通過在玻璃上刻蝕出非 常小的圖案來檢測 DNA基因，該芯片已能夠檢測到 6000多 種DNA基因片段。（四）環(huán)境科學(xué)利用MEMS制造的由化學(xué)傳感器、生物傳感器和數(shù)據(jù)處 理系統(tǒng)組成的微型測量和分析設(shè)備，用來檢測氣體和液體的 化