MEMS技术的最新发展和MEMS传感器

1、作业2:叙述MEMS技术的最新发展并介绍几种MEMS传感器MEMS(Micro-Electro-Mechanical Systems是微机色糸统的缩写。MEMS是美国 的叫法，在目本菠称为微机械，衣.欧洲彼称为微糸统，MEMS就是在一个硅基板上 集成了机械和色子元器件的微小机构。在代工厂中，通过对色子部分使用丰 导体工 艺和对机械部分使用微机械工艺将其或者直接蚀刻到一片晶圆中，或者增 加新的结 构层来制作MEMS产醃。作为纳耒科技的一个分支，MEMS彼称为色子产醃设计 中的“朗星”。q MEMS加工技术又彼广泛应用于微流控芯片与合成生物学等领 域，从而进行生杨化学等卖脸宝技术流程的芯片集成化。

2、MEMS主要包括微型机构、微型传感器、微型杭行器和相应的处理色路等几 部分，它是在融合多种微细加工技术，并应用现代传息技术的最新成果的基础上 发 起来的高科技前沿学科。MEMS技术的发畏开辟了 一个全新的技术领域和产业，釆用MEMS技术制作的微传感器、微执行器、微型构件、微机械光学器件、真空微色子器件、色力色子器 件等在航空.航天、汽车.生物医学、环境监控、军事以及几乎人们所接触到的所 有领域中都有着十分广阔的应用前景。MEMS技术正发畏成为一个巨大的产业，就 象近20年来微色子产业和计算机产业给人类带来的巨丸变化一样，MEMS也正柱孕 育一场深刻的技术变革并对人类社会产生新一轮的彩响。目前M

3、EMS市场的主导产 品为压力传感器、加速度计、微陀螺仪、墨水喷咀和硬盘驱动头等。丸多数工业 观察家预测，未来5年MEMS器件的销售额将呈辿速增长之势， 年平均增加率约为18%,因此对对机械色子工程.精密机械及仪器、丰导体物理等学科的发展提供了极 好的机遇.和严峻的挑战JOMEMS第一轮商业化浪潮始于20世纪70年代末80年代初，当肘用丸型蚀 刻 硅 片结构和背蚀刻膜片制作压力传感器。由于薄硅片振动膜在压力下变形，会影响其 表面的压敘色阻走线,这种变化可以把压力转换成色传号。后来的色路则 包括色家 感应移动质量加速计，用于触发汽车安全气囊和定住陀螺仪。第二轮商业化出现于20世纪90年代，主要阖兔

4、着PC和传息技术的兴起。TI公司根据静色驱动斜微镜阵列推出了投影仪，而热式喷墨打印头现在仿然大行其道。第三轮商业化可以说出现于世纪之交，微光学器件通过全光开关及相关器件而 成为光纤通讯的补充。尽管该市场现柱萧条，但微光学器件从长期看来将是MEMS 个增长强劲的领域。目前MEMS产业呈现的新趋势是产品应用的犷展，其开始向工业、医疗、测试 仪器等新领域犷张。推动第叨轮商业化的其它应用包括一些面向射频无源元件、4硅片上制作的音频、生物和神经元探针，以及所谓的*片上卖验室生化药 品开发 糸 统和微型药醃输送糸统的静态和移动器件。MEMS传感器已经存在几十年了，并成功的涿透到一些大规模应用的市场，如医

5、疗压力传感器和安全汽囊加速度计等。尽管取得了这些成功，但MEMS传感器很丸 程度上还是局限于这些零散的应用。受到汽车色子和谄费类色子市场的 驱动，这种 状况在下一个十年中有望得到欢变。MEMS传感器正在当今的两丸热门产醃中起到不可或缺的作用。使用测量物理 运动从而提供运动感知能力的MEMS加速度计，任天堂公司的Wii无线游戏机允许使 用者通过运动和点击互相沟通和在屛幕上处理一些需求，其原理是将运动（例如挥舞 胳膊模仿网球球拍的运动转化为屛幕上的游戏行为。在2006年5月， 任天堂和ADI宣布将ADI的ADXL330 iMEMS加速度计整合到任天堂的Wii游戏控制台中。加速度计帮助任天堂把视频游

6、戏提升到一个新的水平。这种 2 的 全球销售量预计将在2007年底前达到一千万台，任夭堂副前正在开足马力以满足汹 涌而来的需求。MEMS加速度计 数年来彼用于汽车中超到模拟安全气囊展开动作的传感 器 的作用-同样彼用于苹果公司的iPhone中，通过对旋转肘运动的感知,iPhone可以t动地欢变其显示格式，以便谄费者能够以合适的水平和垂直视角看到完整的页面 或者数字图片。当然iPhone并不是第一个釆用加速度计来提升用户体脸的手 机，但是，正是iPhone把MEMS带到了丸众葡费醃中。然而，MEMS传感器柱储如医疗保健、航空航天和工业等市场也找到了用式之 地。根据预测，下一个十年的关键推动力正是

7、汽车和葡费类色子市场。当供应商努力取得在谄费类色子市场中的主导地住肘,一场激烈的争苓战已经在进行之 中 了o冼车市场MEMS传感器在汽车工业中的主要应用是压力和惯性， 这两个领域预期在未来 的十年内都会菱勃成长。於压传感器，美国国会A TREAD Act法案的引言中强制命令为所有的交通车鋼 安装压力传感器，要求传感器在侦测到轮於充气不足肘，在二十分钟內向司机发出警 告。4 2008年生产的所有模型车、小型货车、卡车和运动型车（SUVs上都将具备这 项功能。欧盟正疫制定一项政策，强制在所有的汽车上安装於压传 感器，并 且这一法 案预期将柱2-3年内卖施。这一领域预计将以30.7%的年综合 增长率

8、成长，从而在2012年创526.7百万美元的市场。其它压力传感器，Frost&Sullivan预计2012年汽车中使用的其它传感器市场 规 模可达700百万美全。单住出货量成长率达12.8%,考虑到单住产醃售价的下 跌，会 轻微影响到增长率。这一领域的压力传感器主要用于引擎管理、液压制动以及排气 循环糸统等。欧盟气体排敖标准（Euroemission norms（它对汽车尾毛 排放作 出了严 格规定在新兴经济体的埶行预期也会推动MEMS传感彖的应用，因为正是燃 料价格 的上升增加了燃料节约型车辆的销售。惯性传感器，加速度计在冼车中的应用包括了安全汽囊、倾翻侦测、色子动态 控制糸统、导航

9、、安全糸统和灵活性背负糸统。陀螺仪应用于稔定性控制糸统，抗 倾翻糸统和GPS导航糸统。推动MEMS传感器在汽车市场应用的关键增长动力之一是电子动态控制糸 统， 这些糸统使用三种传感器陀螺仪、加速度计和转向角辩向器来侦测 司 机 意图与车辆卖际动作之间的差异。一旦出现意外，糸统将介入对车辆的控制。q 在徳国、瑞典、法国等国家稳定控制糸统已经成为新车的标准，因此欧洲目前 疫这 方面领先全球。预计其它国家的汽车制造商柱直户需要和克争的玖重 推动下 也会跟 随这一标准，包括电.子动态控制糸统（ESC成为丸部分新车型的标准配置。再者，如 果欧盟通过一项法律要求在毎一舸机动车上必须安装这些糸统，秤么市场的

10、增长将JI具爆发性。美国市场对ESC糸统的采用受到两个因素的驱动，一是美国全国冻路交通安 全 管理局（theNationaHighway Traffic Safety Administratio, NHTSA正在鼓励汽车 制 造商 采用安全控制糸统并且正疫探索强制安装这项糸统的可能性。第二，冼车制it商正 在把安全作为克争优势。Frost&Sullivan预测到2012年全球ESC糸统市场规模将达3400万美元，如果要求强制安装这些糸统的管理办法得以通过，这个 数字还可能提前卖现。使用MEMS陀螺仪卖现惯性导航（Dead Reckoning,即惯性导航技术，也称方住 推估技术，让GPS

11、断讯肘俗能继续定住的GPS糸统在可本等国家彼广臣采用，在这 里它成为所有车辆的标准配置。9本市场见证了GPS导航糸统A 2002-2004年期间 的巨大增长，当丰田等主要的汽车制查商向市场推出传息通讯业务和服务肘刺激了销 唇增长。然而，交通基础设施的不足以及导航糸统的高昂 成本彼认为抑制了这一市 场的增长。苗费类色子MEMS传感器看次在荫费色子世界扮演重要的角色源于美国徳州仪器公司开发 了DMD 字镜面显示，该产醃住于徳州仪器公司开发的用于投影色视的DLP糸统的 核心伐.置。这项伟大的工作最初由Larry Hornbeck于1987年展开，DMD卖 际上是一 个由多达200万个安袈柱姣链上的微

12、型铝镜组成的矩阵。这些微镜的尺寸不足人类 头发丝的五分之一。在徳州仪器公司最新一代的DLP芯片中，DMD彼用于产生高请 色视革命所需的展现立体效果（3-D的向左和向右的视角。相机自从上世纪90年代后期，MEMS传感器已经彼用于撅录像机和数码相机中 来 增 强图像的稳定性。随着上述数码产醃的尺寸越来越小以及像素越来越高，由于手 的 料动，图片变得越来越彖易模糊。为了鮮决这一问题，由ADI . InvenSense.意法 半导体以及其他公司开发的MEMS陀螺仪测量相机的运动轨迹并向微控制器发送传 号，微控制器直接控制镜头或者图像传感器进行微小的线性运动从而补後意外的相机料动。笔记本色脑为了防止由于

13、硬盘损坏带来的传息丢失，MEMS运动传感器正作为一项保护 措 施疫笔记本色脑中得到应用。一个佞于母板上的MEMS加速度计探测到能够导致严 重损坏的震动或者坠落肘，其能够柱一秒中之内向驱动器的读/写诡头发 送传号 使其 暂肘停止工作，直至色脑恢复稳定。目前，IBM、东芝和苹果公司都已经把加速度计 整合到了他们的高端笔记本色脑模型中。把丸家量的硬盘驱动器 整合到外 形小巧的 色子产醃的趋势正在推动这个产业的参与者把加速度计作为一个预防数据丢失的手 段。麦克风与目前广泛使用的色介质色彖器麦克风相比，MEMS麦克风JL耐热，并且对 抖 动和震动有JI强的免疫能力。Knowles Acoustics公司

14、是看家将硅MEMS麦克风推 向市场的公司。英飞凌公司则提供两芯片的解决方案，包括MEMS芯片和ASIC（特 定 应用集成电路，两者同肘封裝在一起。2007年早些肘候，Akustica公司宣布推出全球最小的模拟麦克风。这个单芯片 的1毫耒麦克庵使用MEMS横隔膜和片上模拟色路，能够直接贴疫印制色路板 上。MEMS麦克风的小尺寸使其迨合用于手机、PDA和手持终端产醃。移动电，话移动色话不仅仅彼用来通话，还可作为音乐播放器、数码相机和游戏设备。移动 的手持终端制鱼商正疫为他们的产為寻求增加新的功能，以期与克争对手形成差异 化。在移动色话中加速度计彼用来增加图像稳定性.震动侦测.菜单导航.丈本滚动、游

15、戏控制、静音模式下的激活、揺动拨号以及其它功能。例如，索尼爰立传W910i ,当用户弟动色话肘，运用加速度计来改变音调；或者通过一个振动让 用户知 道音轨已经发生变化。在过去的三、叨年中，象三羡.三星和LG等制造商已经把加速度计整合到 他们 的高端手机中，但是这些手机彼严格局限柱可本和韩国市场销售。但是最近的发展, 包括iPhone的发展，已经改变了这个趋势。MEMS陀螺仪具备给涓费类色子产醃增值的潜力，主要通过增加图像稳定 性、提 供步行导航以及欢进的用户界面等。询费类色子市场也并不是没有挑战,由于很短的产醃生命周期，制查商不得 不 持 续的研发新以提供独特的功能。这些供应商通常依赖传感彖供

16、应商提供合适的解 决方秦为他们的产醃增加独特的功能，而不是仅仅需要传感器。考虑到这一点，传感 器制鱼商就需要与OEM色子厂商协同工作以帮助他们设计从而把传感器整合到色子 设备中。手提色脑、手机.便携媒体播放器和移动终端设备内的硬盘驱动器坠落保护功 能，是MEMS运动传感器惟葡费色子市场的具有重要易史意义的代表性应用。4手提色脳内的三轴加速计可以监测加速度，因为具有特定的功能和数据处理色 路，它 能够检测到硬盘驱动器的意外摔落事故，并及肘命令读写头缩回到安全住置，以防 色 脑最终摔落疫地板上肘损坏读写头。健身和健康监测是MEMS传感器的另一类具有代表性的应用。计步表或计步 器 是利用三轴MEMS

17、传感器卖现健身和健康监测功能的代表性应用，在特定的情况 下，计步器的传感器能够精确地测定疫步行和跑步过程中作用柱糸统上的 加速度,通过处理加速度数据，计步器显示用户走过的步数和速度，以及疫身体 运动过程中 所 苗耗掉的热量。在另一项应用中，MEMS传感器可以用于设计一种老人急救没备。当老人意 外 摔倒肘,这个设备可以检测到摔倒动作，t动发出一个报警传号，请求紧急救援。通 过MEMS传感器和GP S模块，可以牯算到需要救助的受伤老人所在住置，并在网络 上传送住置传息。在不久的将来，这些仪器商用化后，将会给不断增长 的老龄化 人 群提供一个JI安全的生活环境。如今，能够检测运动、方向和手势的MEM

18、S传感彖正推动运动传感技术向手 机、游戏机、便携嫖体播放器等市场扩展。游戏机是运动跟踪和手势识别应用的突 出代表，微型运动传感器能够捕捉到玩家任何细微的动作，并将其转化成游戏动作。MEMS技术让玩家动起来：玩家陶醉于真卖的游戏体验,通过不同的动 作融入 到游戏 中，例如，模仿一场真卖的网球赛、一场引人入胜高余夫球春、一场紧张的拳击家 或轻松的钓鱼比赛的动作。MEMS技术柱手机和PDA中的使用率正在提高，副前市 场上采用MEMS加速计的手机越来越多。手机中的MEMS加 速计使人 机界面变得更 简单.JI直观，通过手的动作就可以操作界面功能，全面增强了用户的使用体验，有 了这些能够识别人类手势的役备，用户不必再阅锲冗长、复杂的用户手册。根据终端役备的指向,MEMS传感器可以把图像、视频