5分鐘帶你了解什么是MEMS

　　或許MEMS技術(shù)的一個(gè)最有趣特性是設計師得以展示在如此小規模的物理域中發(fā)掘物理獨特性的能力——這一主題隨后將再次談及。

　　圖2：簡(jiǎn)化的MEMS加速度計

　　MEMS現狀

　　基于各種原因，許多MEMS產(chǎn)品在商業(yè)上取得了巨大成功，其中許多器件已經(jīng)獲得廣泛應用。汽車(chē)工業(yè)是MEMS技術(shù)的主要驅動(dòng)力之一。例如MEMS振動(dòng)結構陀螺儀，是一款新的相當便宜的設備，目前用于汽車(chē)防滑或電子穩定控制系統中。村田電子的SCX系列MEMS加速度計、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(chē)應用---因為它們的精度要求可能會(huì )非常高?；贛EMS的氣囊傳感器自上世紀90年代起在幾乎所有汽車(chē)中已經(jīng)普遍取代了機械式碰撞傳感器。圖2顯示了一個(gè)簡(jiǎn)化的MEMS加速度計示例，同碰撞傳感器中使用的類(lèi)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。當傳感器沿梁的軸線(xiàn)加速時(shí)，該梁會(huì )移動(dòng)一段距離，這段距離可以通過(guò)梁的“牙齒”與外部固定導體之間的電容變化來(lái)測量。

　　許多商用和工業(yè)用噴墨打印機使用基于MEMS技術(shù)的打印機噴頭，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(chēng)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(guò)施加的電壓來(lái)進(jìn)行擠壓。這增加了打印頭墨水室的壓力，通過(guò)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。

　　圖3：基于MEMS按需投放的打印機頭

　　與此同時(shí)，其它一些MEMS技術(shù)才剛開(kāi)始大規模進(jìn)入市場(chǎng)。微機械繼電器(MMR)，比如歐姆龍開(kāi)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)揮了自己的微機電系統專(zhuān)業(yè)優(yōu)勢，為市場(chǎng)帶來(lái)新款溫度傳感器：D6T非接觸式MEMS溫度傳感器。該D6TMEMS制作過(guò)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18×14×8.8毫米(4x4元件類(lèi)型)。

　　當然，當前的MEMS技術(shù)不限于單個(gè)傳感器器件，考慮一下人的感官：?jiǎn)沃谎蹘Ыo我們顏色、運動(dòng)和(一些)位置信息，而兩只眼睛將帶來(lái)雙眼視覺(jué)，改善立體感知。事實(shí)上，我們的許多感知體驗需要感官的組合，這樣的感知才是最終有意義的。我們的思路是，通過(guò)將傳感數據組合起來(lái)，可以彌補單個(gè)感官器官的弱點(diǎn)和缺點(diǎn)，并達到某種程度上最佳的環(huán)境理解。在人類(lèi)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。傳感器融合，特別是當它涉及到MEMS時(shí)，是移動(dòng)設備中傳感器技術(shù)的一個(gè)重要的進(jìn)展。許多制造商已經(jīng)開(kāi)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，3軸磁力計，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——還打包提供專(zhuān)用的傳感器融合軟件。

　　隨著(zhù)MEMS器件的優(yōu)勢獲得認可，MEMS市場(chǎng)步伐也在持續加快。據YoleDéveloppement2012年MEMS產(chǎn)業(yè)報告中所述，在接下來(lái)6年，MEMS“將繼續保持平穩、持續的兩位數增長(cháng)”，2017年全球市場(chǎng)價(jià)值將達到210億美元。

　　MEMS設計與制造

　　“有趣的是，這樣小的機器會(huì )遇到什么問(wèn)題。首先，如果各部分壓力維持相同程度，力隨面積減小而變化，這樣重量以及慣性等將相對無(wú)足輕重。換句話(huà)說(shuō)，材料的強度所占比重將增加。比如，隨著(zhù)我們減小尺寸，除非旋轉速度同比增加，飛輪離心力導致的壓力和膨脹才能維持相同比例?！?/p>

　　——理查德·費曼，“底部仍然存在充足的空間”

　　縮放和小型化

　　MEMS 設計和制造的介紹往往起始于對縮放和小型化的回顧。例如，如果我們問(wèn)，為什么不能簡(jiǎn)單地將一個(gè)空氣壓縮機或吊扇收縮到跳蚤大小的規模?答案是壓縮定律。跳蚤大小的吊扇與一個(gè)1000倍大的正常大小的風(fēng)扇的運行方式不同，因為所涉及力之間的相互強度發(fā)生了變化。比例因子，S，有助于理解這中間發(fā)生了什么變化。

　　考慮一個(gè)矩形，其面積等于長(cháng)度和寬度的乘積;如果矩形按比例因子縮小100(即長(cháng)度/ 100和寬度/ 100)，該矩形的面積縮小為原來(lái)(1/100)^2= 1/10000。因此，面積的比例因子是S2。同樣，體積的比例因子是S3——因此隨著(zhù)縮放越來(lái)越小，體積的影響比表面(面積)的影響更大。

　　在一個(gè)給定的規模上，謹慎考慮不同力的比例因子可以揭示其中最相關(guān)的物理現象。表面張力的比例因子是S1，壓力以及靜電相關(guān)的力是S2，磁場(chǎng)力是S3，以及重力為S4。這就解釋了水黽(或“水臭蟲(chóng)”)為什么可以在水面上行走，以及為何一對滾球軸承的表現與一個(gè)雙星系統不同。雖然任何設計中都須要開(kāi)發(fā)完整的數學(xué)模型，但比例因子有助于指導我們如何設計MEMS大小的器件。