MEMS技術(shù)及應用淺談

前言:MEMS是Micro Electro Mechanical System，的英文縮寫(xiě)，也叫微電子機械系統.它的出現可追溯到19世紀.20世紀60年代美國人首先研發(fā)出了結晶異方向腐蝕、陽(yáng)極鍵合等早期的基本微加工技術(shù)。到了70年代，也是美國人提出了基于硅半導體的所謂微機械的設想。伴隨著(zhù)半導體加工技術(shù)的不斷進(jìn)步，人們開(kāi)始利用微加工技術(shù)制造出各種微小尺寸的機械零部件。微機電研究的真正興起則始于1987年，其標志是直徑為lOum的硅微馬達(轉子直徑120微米，電容間隙2微米)在加州大學(xué)伯克利分校的研制成功，這引起了世界的轟動(dòng)，1989年，又是由美國科學(xué)家率先提出了“微電子技術(shù)應用于電機系統”的慨念。由此，MEMS成為微機械等領(lǐng)域的世界性學(xué)術(shù)用語(yǔ)，MEMS技術(shù)的研究也成為機械等領(lǐng)域的熱門(mén)話(huà)題。

MEMS技術(shù)是建立在微米/納米技術(shù)基礎上的前沿技術(shù)，它是指對微米/納米級上的材料進(jìn)行設計、加工、制造、測量和控制等。它不僅能采集、處理與發(fā)送信息或指令，還能按照所獲取的信息自主地或根據外部的指令采取行動(dòng).它可將機械構件、驅動(dòng)部件、光學(xué)系統、電控系統集成為一個(gè)整體單元的微型系統。它用微電子技術(shù)和微加工技術(shù)(如硅體微加工、硅表面微加工、LIGA和晶片鍵合等)相結合的制造工藝，制造出各種性能優(yōu)異、價(jià)格低廉、微型化的傳感器、執行器、驅動(dòng)器和微系統。

就定義而言，MEMS是感知、計算和執行的融合。它為什么這么重要?從根木上說(shuō)，MEMS把電子技術(shù)與機械特性有機地結合了起來(lái).它可以同時(shí)實(shí)現物理、化學(xué)、生物等方面的功能，因為它能同時(shí)發(fā)生化學(xué)反應以及電作用。實(shí)質(zhì)上它是終極的片上系統，是科學(xué)和技術(shù)的終極融合，而且生物也可以與之兼容?；贛EMS技術(shù)的優(yōu)良特性，它已經(jīng)或者說(shuō)正在被應用于各個(gè)領(lǐng)域的研究與發(fā)展。如今，它已滲透到物理、機械、生物工程、醫學(xué)、光學(xué)、材料工程、電子工程等等方面。

LMEMS的定義:

MEMS(微機電系統)到目前為止國際上還沒(méi)有它的統一的定義，但一般來(lái)說(shuō)，MEMS是指可以采用微電子批量加工工藝制造的，集微型機構、微型傳感器、微型致動(dòng)器以及信號處理和控制電路、接口、通訊和電源等部件于一體的微型系統。通常，它包括微型傳感器、執行器和相應的處理電路這三個(gè)部分。MEMS的制造工藝主要有集成電路工藝、微米/納米制造工藝、小機械工藝和其他特種加工工種.

MEMS的主要特點(diǎn)主要有:微型化、智能化、多功能、高度集成以及始于大批量生產(chǎn)。其目標是通過(guò)系統的微型化、集成化來(lái)探索具有新原理、新功能的元件和系統。MEMS是一門(mén)典型的多學(xué)科交叉的前沿性研究領(lǐng)域。而其研究?jì)热萃ǔ？煞譃槿齻€(gè)方面:(1) MEMS的理論基礎:這是因為在當今MEMS所能達到的尺寸水平下，宏觀(guān)世界的物理規律還能起作用。但有很大的區別。因此這一方面的研究具有很大的難度;(2) MEMS的的技術(shù)基礎:主要包括設計與仿真技術(shù)、材料與加工技術(shù)、裝配技術(shù)、測量與測試技術(shù)以及集成系統技術(shù)等;(3) MEMS的應用研究:人們不僅要探究制造MEMS的各種技術(shù)，更為重要的是如何將MEMS與我們所關(guān)心和關(guān)注的領(lǐng)域相結合，制造出符合各個(gè)領(lǐng)域需求的MEMS產(chǎn)品。

下面我將淺談一些關(guān)于MEMS的應用。

2.MEMS的應用:

2.1.MEMS在醫療與生物領(lǐng)域的應用:

(1)基因分析和遺傳診斷

傳統的基因分析方法所使用的儀器體積龐大，費時(shí)費錢(qián).而隨著(zhù)MEMS技術(shù)的高速發(fā)展，采用微加工技術(shù)制造出的基因分析儀器，在工作時(shí)間、樣品數量以及費用支出上都將很大積度地減少.在遺傳診斷方面，細胞融合系統已經(jīng)實(shí)現了DNA分子的操作，而基于DNA水平的相關(guān)操作儀器也已經(jīng)在研究開(kāi)發(fā)之中。

(2)介入治療

近年來(lái)，國際醫療水平飛速發(fā)展，介入治療這一全新的技術(shù)也被引進(jìn)并以迅猛的姿態(tài)向前發(fā)展，其在醫療領(lǐng)域的地位越來(lái)越重要。與傳統治療技術(shù)相比它具有治療效果好，讓病人痛苦少等優(yōu)點(diǎn)。但是現有的介入治療儀器價(jià)格昂貴、體積大，而且儀器要進(jìn)入病人體內進(jìn)行操作，而醫生只能在體外工作，因此其具有一定的風(fēng)險，不能夠很好地保證其準確性。而由MEMS技術(shù)所制造的儀器體積小，高度智能化，便于操作，能在很大程度上提高治療的準確性和效果.降低治療成本。

2.2MEMS技術(shù)在汽車(chē)和機械工業(yè)上的應用:

(1)壓力傳感器

汽車(chē)及機械工業(yè)是MEMS技術(shù)的主要應用領(lǐng)域之一，而在汽車(chē)工業(yè)中，發(fā)動(dòng)機控制模塊又是最早使用MEMS技術(shù)的部分.談到這個(gè)部分，壓力傳感器則是必不可少的東西。目前市面上的MEMS傳感器主要有硅壓阻式壓力傳感器和硅電容式壓力傳感器，這二者都是在硅片上生成的微機電傳感器。硅壓阻式壓力傳感器是采用高精密半導體電阻應變片組成惠斯頓電橋作為力電變換測量電路的，具有較高的測量精度、較低的功耗，極低的成本?；菟诡D電橋的壓阻式傳感器，如無(wú)壓力變化，其輸出為零.幾乎不耗電。

MEMS壓力傳感器廣泛應用于汽車(chē)電子工業(yè)，如輪胎檢測與監測系統、發(fā)動(dòng)機機油壓力傳感器、汽車(chē)剎車(chē)系統空氣壓力傳感器等。除此之外，我們平常所使用的消費電子器具如洗衣機、電冰箱、微波爐、吸塵器、烤箱、洗衣機、飲水機、洗碗機、太陽(yáng)能熱水器用等都采用了壓力傳感器。

(2) MEMS加速計

隨著(zhù)社會(huì )的進(jìn)步,人們的消費需求越來(lái)越高，而MEMS技術(shù)在手機和PDA中的使用率正在提高，目前市場(chǎng)上采用MEM加速計的手機等產(chǎn)品越來(lái)越多。手機中的MEMS加速計能夠使人機界面變得更簡(jiǎn)單、更直觀(guān)，通過(guò)手的動(dòng)作就可以操作界面功能，全面增強了用戶(hù)的使用體驗。MEMS技術(shù)在手機等設備中的應用之所以如此受歡迎主要原因是因為有了MEMS加速計，只要把設備向某一方向傾斜，就能在小屏幕上詳細查看地圖，顯示放大的圖像。MEMS還能檢測到用戶(hù)抖動(dòng)手機和MP3播放器的動(dòng)作，這個(gè)簡(jiǎn)單的手勢可以讓播放器跳到下一首歌或返回到上一首歌。如此的方便快捷怎能不受歡迎呢?

(3) MEMS陀螺儀

如大家所知道的，陀螺儀能夠測量沿一個(gè)軸或幾個(gè)軸運動(dòng)的角速度，它是一門(mén)補充MEMS加速計功能的理想技術(shù)。實(shí)際上，如果將加速計和陀螺儀這兩種傳感器組合起來(lái)使用，系統設計人員就可以跟蹤并捕捉三維空間的完整運動(dòng)，為用戶(hù)提供現場(chǎng)感更強的用戶(hù)使用體驗、精確的導航系統以及其它功能。下面，我先簡(jiǎn)單地介紹一下MEMS陀螺儀的原理:

MEMS陀螺儀是利用科里奧效應側量運動(dòng)物體的角速率的，根據科里奧效應，當一個(gè)物體沿速度方向運動(dòng)且施加角旋轉速率時(shí)，該物體受到一個(gè)固定方向的力。然后，從一個(gè)電容感應結構就可以測到科里奧效應最終所產(chǎn)生的物理位移。而目前市面上多用的MEMS陀螺儀采用一種調音叉結構，這種結構由兩個(gè)振動(dòng)并不斷地做反向運動(dòng)的物體組成。當施加角速率時(shí)，每個(gè)物體上的科里奧效應產(chǎn)生相反方向的力，從而引起電容變化。電容差值與角速率成正比，如果是模擬陀螺儀，電容差值轉換成電壓輸出信號;如果是數字陀螺儀，則轉換成最低有效位。如果在兩個(gè)物體上施加線(xiàn)性加速度，這兩個(gè)物體則向同一方向運動(dòng)，因此，不會(huì )檢測到電容變化。陀螺儀將輸出零速率輸出值或最低有效位，表示MEMS陀螺儀對傾斜、撞擊或振動(dòng)等線(xiàn)性加速度不敏感。

系統方面，陀螺儀的信號調節電路可簡(jiǎn)化為電機驅動(dòng)部分和加速傳感器感應電路兩部分:

一是電機驅動(dòng)部分通過(guò)靜電驅動(dòng)方法，使機械元件前后振蕩，產(chǎn)生諧振:二是感應部分通過(guò)測量電容變化來(lái)測量科里奧利力在感應質(zhì)點(diǎn)上產(chǎn)生的位移，這是一個(gè)穩健、可靠的技術(shù)，被成功地用于ST的MEMS產(chǎn)品線(xiàn)，能夠提供強度與施加在傳感器上的角速率成正比的模擬或數字信號。而MEMS陀螺儀的目標應用有:在汽車(chē)上，偏航陀螺儀可以開(kāi)啟電子穩定控制制動(dòng)系統，防止汽車(chē)急轉彎時(shí)發(fā)生意外事故。當汽車(chē)出現翻滾狀況時(shí)，滾轉陀螺儀可以引爆安全氣囊;當汽車(chē)導航系統無(wú)法接收GPS衛星信號時(shí)，偏航陀螺儀能夠側量汽車(chē)的方位，使汽車(chē)始終沿電子地圖的規劃路線(xiàn)行駛，這個(gè)功能被稱(chēng)之為航位推測系統;偏航陀螺儀還能用于室內機器人控制;安裝在機器人四肢上的多路慣性測量單元((IMU)能夠跟蹤和監側身體運動(dòng);IMU還能用于運動(dòng)控制式游戲平臺;IMU配合磁力計和GPS接收器，可以在手持設備上執行個(gè)人導航功能.

3.結語(yǔ):

MEMS技術(shù)是在微電子技術(shù)基礎上結合精密機械技術(shù)發(fā)展起來(lái)的一個(gè)新的科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，且是一個(gè)獨立的智能系統。它的應用領(lǐng)域十分的寬廣，必將在現在和將來(lái)的發(fā)展中對人類(lèi)的進(jìn)步和發(fā)展提供不可磨滅的支撐作用，將成為推動(dòng)世界進(jìn)步的又一有力武器。而現在MEMS技術(shù)早已經(jīng)有了成功的事例.這樣一個(gè)事實(shí)讓我們對于它的發(fā)展前景有了進(jìn)一步的期待和信心。對于致力于MEMS技術(shù)研究的工程師門(mén)來(lái)說(shuō).MEMS技術(shù)的研究充滿(mǎn)了希望與挑戰，期待著(zhù)有朝一日我們能看見(jiàn)MEMS技術(shù)的最終成熟。