MEMS技術(shù)

MEMS技術(shù)基礎

MEMS技術(shù)的目標是通過(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技術(shù)是一種典型的多學(xué)科交叉的前沿性研究領(lǐng)域，幾乎涉及到自然及工程科學(xué)的所有領(lǐng)域，如電子技術(shù)、機械技術(shù)、物理學(xué)、化學(xué)、生物醫學(xué)、材料科學(xué)、能源科學(xué)等。其研究?jì)热菀话憧梢詺w納為以下三個(gè)基本方面：

1.MEMS理論基礎：

在當前MEMS所能達到的尺度下，宏觀(guān)世界基本的物理規律仍然起作用，但由于尺寸縮小帶來(lái)的影響(Scaling Effects)，許多物理現象與宏觀(guān)世界有很大區別，因此許多原來(lái)的理論基礎都會(huì )發(fā)生變化，如力的尺寸效應、微結構的表面效應、微觀(guān)摩擦機理等，因此有必要對微動(dòng)力學(xué)、微流體力學(xué)、微熱力學(xué)、微摩擦學(xué)、微光學(xué)和微結構學(xué)進(jìn)行深入的研究。這一方面的研究雖然受到重視，但難度較大，往往需要多學(xué)科的學(xué)者進(jìn)行基礎研究。

2.MEMS技術(shù)基礎：

MEMS的技術(shù)基礎可以分為以下幾個(gè)方面：(1)設計與仿真技術(shù);(2)材料與加工技術(shù)(3)封裝與裝配技術(shù);(4)測量與測試技術(shù);(5)集成與系統技術(shù)等。

3.MEMS應用研究：

人們不僅要開(kāi)發(fā)各種制造MEMS的技術(shù)，更重要的是如何將MEMS技術(shù)與航空航天、信息通信、生物化學(xué)、醫療、自動(dòng)控制、消費電子以及兵器等應用領(lǐng)域相結合，制作出符合各領(lǐng)域要求的微傳感器、微執行器、微結構等MEMS器件與系統。

4 MEMS及其應用

MEMS技術(shù)是采用微制造技術(shù)，在一個(gè)公共硅片基礎上整合了傳感器、機械元件、致動(dòng)器(actuator)與電子元件。MEMS通常會(huì )被看作是一種系統單晶片(SoC)，它讓智能型產(chǎn)品得以開(kāi)發(fā)，并得以進(jìn)入很多的次級市場(chǎng)，為包括汽車(chē)、保健、手機、生物技術(shù)、消費性產(chǎn)品等各領(lǐng)域提供解決方案。根據電子產(chǎn)業(yè)市場(chǎng)研究與信息網(wǎng)路的資料，MEMS的平均年增長(cháng)率高于20%,并預計在2010年超過(guò)100億美元。MEMS技術(shù)已被認為是下個(gè)世紀最有前途的技術(shù)之一。

MEMS有很多應用，并被越來(lái)越多的產(chǎn)品所接納。MEMS的一些常見(jiàn)應用領(lǐng)域包括汽車(chē)、生物技術(shù)與醫療，以及消費電子產(chǎn)品。MEMS還用于大量聲波雙工器(BulkAcousTIcWaveduplexer)與濾波器、麥克風(fēng)、MEMS自動(dòng)聚焦致動(dòng)器、壓力感測器、MEMS微微型投影儀，甚至MEMS陀螺儀。

MEMS的公司

從全球看，MEMS產(chǎn)品是由一些美國和亞洲公司開(kāi)發(fā)的，包括意法半導體(ST)、AnalogDevices公司(ADI)、惠普公司(HP)、德州儀器公司(TI)，以及Memsic公司。下文將介紹各個(gè)制造商及其主要MEMS產(chǎn)品的現況。

意法半導體公司是最大的MEMS制造商之一，提供單軸和多軸陀螺儀的廣泛選擇，各種滿(mǎn)量程區間，適用于數位相機和數位錄像機的影像穩定，以及提高游戲應用中的用戶(hù)體驗。ST公司還提供3軸陀螺儀，能精確地測量沿三個(gè)正交軸的角速度。另外，STM還用下一代微電機聲學(xué)器件擴展了自己的產(chǎn)品組合。創(chuàng )新的MEMS麥克風(fēng)采用了Omron的傳感器技術(shù)，能夠大幅地提高聲音質(zhì)量，有出色的可靠性、健壯性，同時(shí)對現有/新興音頻應用都有很好的成本效益，如手機、無(wú)線(xiàn)設備以及手持游戲機等。關(guān)鍵是，MEMS麥克風(fēng)可以做得比最小的駐極體電容式麥克風(fēng)(electretscondensermicrophone)還要小，而對溫度變化、機械振動(dòng)和電磁干擾更不敏感。

ADI公司同時(shí)提供類(lèi)比與數位型的全向MEMS麥克風(fēng)。最近，ADI與英飛凌科技公司商定共同發(fā)展下一代的汽車(chē)氣囊安全系統。這個(gè)ADI-英飛凌合作計劃將確保兩家公司相應產(chǎn)品發(fā)展藍圖的協(xié)調一致，以及各自傳感器與芯片組的互通性。這個(gè)合作也將加速先進(jìn)氣囊系統的發(fā)展，為安全系統供應商和OEM商提供一個(gè)完整的設計平臺，從而實(shí)現一種可靠、具成本效益和易于使用的先進(jìn)氣囊方案。

惠普公司最近推出一種慣性探測技術(shù)(inertialsensingtechnology)，能夠用來(lái)開(kāi)發(fā)可當作高階傳感器使用的數位MEMS加速度計。HP預計該技術(shù)將使芯片的靈敏度比今天市場(chǎng)上的批量產(chǎn)品提高1000倍。這種傳感器是以該公司已率先商業(yè)應用在其打印機墨盒的MEMS技術(shù)為基礎。

另外，TI公司擁有的數位光處理器(digitallightProcessor,DLP)技術(shù)為有光處理與光轉向需求的創(chuàng )新應用提供了開(kāi)發(fā)平臺和芯片組。該公司的MEMS技術(shù)為光轉向應用提供了可靠的單元件類(lèi)比鏡(singleelementanalogmirror)，其高反射的MEMS表面最大為9平方毫米，簡(jiǎn)化了對驅動(dòng)的需求，因此TI的AnalogMirrors成為柔性系統設計的一個(gè)理想選擇。TI的AnalogMirrors可以用于精確定位和控制激光束，同時(shí)最大限度地減少光功率的損耗，支持各種光束旋轉應用，如影像與顯示、光網(wǎng)路、自由空間光學(xué)、物體探測以及激光印刷等。

另一家著(zhù)名企業(yè)Memsic公司則是推出了多種高性能加速度計。由于美國國家高速公路交通安全局(NHTSA)要求，到2012年時(shí)，美國市場(chǎng)上的所有汽車(chē)、卡車(chē)和大巴士都要安裝車(chē)輛穩定控制系統(VehicleStabilityControl,VSC)，歐盟確認它也將實(shí)施類(lèi)似的要求，數百萬(wàn)個(gè)Memsic加速度傳感器已經(jīng)被部署在帶有VSC的汽車(chē)和卡車(chē)上?，F在，致力于滿(mǎn)足政府VSC要求的工程團隊可以采用經(jīng)過(guò)完全的汽車(chē)和道路認證、兼容于串列周邊界面(SPI)的傳感器技術(shù)，設計出下一代的VSC系統。

市場(chǎng)展望

顯然地，MEMS已在我們今天日常生活中的各種應用中扎下根基。其普及的主要動(dòng)力來(lái)自于成本低與體積小，從而能夠做出更小、更輕和更廉價(jià)的最終產(chǎn)品。但在MEMS前方并非一片光明。一項挑戰是封裝問(wèn)題，因為MEMS器件的多樣性以及每個(gè)要暴露的不同環(huán)境。封裝加上測試，很容易就會(huì )將成本增加一倍。在不影響產(chǎn)品性能的情況下，研究出標準化和更廉價(jià)的封裝已成為MEMS設計的主要關(guān)注目標。在今天的地球上，MEMS制造商投入了大量研發(fā)力量，試圖加強自己在封裝制程中的地位，為各種新設備開(kāi)發(fā)新的專(zhuān)用封裝。當前長(cháng)足的進(jìn)步與工程進(jìn)展讓我們對MEMS或SoC有更新的理解。對設計工程師而言，這確實(shí)是富于挑戰且令人興奮的時(shí)代!

微機電 (MEMS) 技術(shù)在電子產(chǎn)品中的地位愈來(lái)愈重要，不論是在汽車(chē)、工業(yè)、醫療或軍事上需要用到此類(lèi)精密的元器件，在信息、通訊和消費性電子等大眾的市場(chǎng)，也可以看到快速增長(cháng)的MEMS應用。

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