MEMS技術淺談及應用設計方案集錦

　　什么是MEMS？

　　微機電系統（MEMS），在歐洲也被稱為微系統技術，或在日本被稱為微機械，是一類器件，其特點是尺寸很小，制造方式特殊。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的直徑小很多。

　　MEMS往往會采用常見的機械零件和工具所對應微觀模擬元件，例如它們可能包含通道、孔、懸臂、膜、腔以及其它結構。然而，MEMS器件加工技術并非機械式。相反，它們采用類似于集成電路批處理式的微制造技術。

　　今天很多產品都利用了MEMS技術，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。

　　我們為何需要MEMS？

　 　“他們告訴我一種小手指指甲大小的電動機。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；這是最原始的，只是我打 算討論方向上的暫停的一小步。在其下是一個驚人的小世界。公元2000年，當他們回顧當前階段時，他們會想知道為何直到1960年，才有人開始認真地朝這 個方向努力?！薄聿榈隆べM曼，《底部仍然存在充足的空間》發表于1959年12月29日于加州理工大學（Caltech）舉辦的美國物理學會年會。

　　在這個經典的帶預言性質的演講《底部仍然存在充足的空間》中，理查德·費曼繼續描述我們如何在針尖上寫出大英百科全書的每一卷。但我們可能會問：為什么要在這樣一個微小尺上生成這些對象？

　 ?。ň幷咦ⅲ豪聿榈隆べM曼（1918年5月11日－1988年2月15日），費曼是十九世紀末，俄羅斯和波蘭猶太人移民到美國的后裔。美國物理學家。 1965年諾貝爾物理獎得主。提出了費曼圖、費曼規則和重正化的計算方法，是研究量子電動力學和粒子物理學不可缺少的工具。費曼被認為是愛因斯坦之后最睿 智的理論物理學家，也是第一位提出納米概念的人）

　 　MEMS器件可以完成許多宏觀器件同樣的任務，同時還有很多獨特的優勢。這其中第一個以及最明顯的一個優勢就是小型化。如前所述，MEMS規模的器件， 小到可以使用與目前集成電路類似的批量生產工藝制造。如同集成電路產業一樣，批量制造能顯著降低大規模生產的成本。在一般情況下，微機電系統也需要非常量 小的材料以進行生產，可進一步降低成本。

　　除了價格更便宜，MEMS器件也比它們更大等價物的應用范圍更廣。在智能手機、相機、氣囊控制單元或類似的小型設備中，竭盡所能也設計不出金屬球和彈簧加速度計；但通過減小了幾個數量級，MEMS器件可以用在容不下傳統傳感器的應用中。

　 　易于集成是MEMS技術的另一個優點。因為它們采用與ASIC制造相似的制造流程，MEMS結構可以更容易地與微電子集成。將MEMS與CMOS結構集 成在一個真正的一體化器件中雖然挑戰性很大，但并非不可能，而且在逐步實現。與此同時，許多制造商已經采用了混合方法來創造成功商用并具備成本效益的 MEMS 產品。

　 　德州儀器的數字微鏡器件（DMD）就是其中一個案例。DMD是TI DLP? 技術的核心，它廣泛應用于商用或教學用投影機單元以及數字影院中。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行靜電致動?；叶葓D像是由脈沖寬度調制的反射鏡的開啟和關閉狀態之間產生的。顏色通過使用三芯片方案（每一基色對應一個芯片），或通過一個單芯片以及一個色環或RGB LED光源來加入。采用后者技術的設計通過色環的旋轉與DLP芯片同步，以連續快速的方式顯示每種顏色，讓觀眾看到一個完整光譜的圖像。

　　或許MEMS技術的一個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掘物理獨特性的能力——這一主題隨后將再次談及。

　　MEMS現狀

　 　基于各種原因，許多MEMS產品在商業上取得了巨大成功，其中許多器件已經獲得廣泛應用。汽車工業是MEMS技術的主要驅動力之一。例如MEMS振動結 構陀螺儀，是一款新的相當便宜的設備，目前用于汽車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 成在一個單芯片中可助力特定的汽車應用---因為它們的精度要求可能會非常高?；贛EMS的氣囊傳感器自上世紀90年代起在幾乎所有汽車中已經普遍取代 了機械式碰撞傳感器。圖2顯示了一個簡化的MEMS加速度計示例，同碰撞傳感器中使用的類似。一個帶有一定質量塊的懸臂梁連接到一個或多個固定點以作為彈 簧。當傳感器沿梁的軸線加速時，該梁會移動一段距離，這段距離可以通過梁的“牙齒”與外部固定導體之間的電容變化來測量。

　 　許多商用和工業用噴墨打印機使用基于MEMS技術的打印機噴頭，保持這些墨滴并在需要時精確地放下這些墨滴——這一技術被稱為按需投放（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行擠壓。這增加了打印頭墨水室的壓力，通過施力形成一個非常小量（相對壓縮）的 墨水，并從噴嘴中噴出。

　 　與此同時，其它一些MEMS技術才剛開始大規模進入市場。微機械繼電器（MMR），比如歐姆龍開發的，這種繼電器更快，更高效，其集成度前所未有。歐姆 龍發揮了自己的微機電系統專業優勢，為市場帶來新款溫度傳感器：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18×14×8.8毫米（4x4元件類型）。

　 　當然，當前的MEMS技術不限于單個傳感器器件，考慮一下人的感官：單只眼帶給我們顏色、運動和（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，通過將傳感數據組合起來，可以彌補單個感官器官的弱點和缺 點，并達到某種程度上最佳的環境理解。在人類領域，這就是所謂的“多通道整合”;而在電子領域，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，是移動設備中傳感器技術的一個重要的進展。許多制造商已經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，3軸磁力計，壓力傳感器，3軸陀螺儀，環境光傳感器，并帶有一個ColdFire + MCU，以提供一個完全硬件解決方案——還打包提供專用的傳感器融合軟件。

　　隨著MEMS器件的優勢獲得認可，MEMS市場步伐也在持續加快。據YoleDéveloppement2012年MEMS產業報告中所述，在接下來6年，MEMS“將繼續保持平穩、持續的兩位數增長”，2017年全球市場價值將達到210億美元。