微机电系统(MEMS)技术介绍

1、微机电系统（MEM）技术介绍微机电系统（MEMS ）,在欧洲也被称为微系统技术，或在日本被称为微机械，是一类器件，其特点是尺寸很小，制 造方式特殊。MEMS是指采用微机械加工技术批量制作的、 集微型传感器、微型机构、微型执行器以及信号处理和控制 电路、接口、通讯等于一体的微型器件或微型系统。MEMS器件的特征长度从1毫米到1微米-1微米可是要比人们头发 的直径小很多。MEMS往往会采用常见的机械零件和工具所 对应微观模拟元件，例如它们可能包含通道、 孔、悬臂、膜、 腔以及其它结构。然而，MEMS器件加工技术并非机械式。相反，它们采用类似于集成电路批处理式的微制造技术。今天很多产品都利用了 ME

2、MS技术，如微换热器、喷墨 打印头、高清投影仪的微镜阵列、压力传感器以及红外探测 器等。MEMS技术可以用于制造压力传感器、惯性传感器、 磁力传感器、温度传感器等微型传感器，这些传感器以及它 们的部分信号处理电路都可以在只有几毫米或更小的芯片 上实现。与传统的传感器相比，MEMS传感器不仅体积更小、 功耗更低，而且它们往往会比传统传感器更加准确、更加灵 敏。随着人们对海洋观测的需求不断增加和海洋观测技术的 不断发展，MEMS技术也在逐渐进入海洋观测技术研究领域。、MEMS概念他们告诉我一种小手指指甲大小的电动机。他们告诉 我，目前市场上有一种装置，通过它你可以在大头针头上写 祷文。但这也没什么

3、；这是最原始的，只是我打算讨论方向 上的暂停的一小步。 在其下是一个惊人的小世界。公元2000年，当他们回顾当前阶段时，他们会想知道为何直到1960年，才有人开始认真地朝这个方向努力。”一一理查德费曼，底部仍然存在充足的空间发表于1959年12月29日于加州理工大学（Caltech）举办的美国物理学会年会。但我 们可能会问：为什么要在这样一个微小尺上生成这些对象？MEMS器件可以完成许多宏观器件同样的任务，同时还有很多独特的优势。这其中第一个以及最明显的一个优势就 是小型化。如前所述，MEMS规模的器件，小到可以使用与 目前集成电路类似的批量生产工艺制造。如同集成电路产业 一样，批量制造能显著

4、降低大规模生产的成本。在一般情况 下，微机电系统也需要非常量小的材料以进行生产，可进一 步降低成本。除了价格更便宜，MEMS器件也比它们更大等价物的应 用范围更广。在智能手机、相机、气囊控制单元或类似的小 型设备中，竭尽所能也设计不出金属球和弹簧加速度计；但 通过减小了几个数量级，MEMS器件可以用在容不下传统传 感器的应用中。易于集成是MEMS技术的另一个优点。因为它们采用与 ASIC制造相似的制造流程， MEMS结构可以更容易地与微 电子集成。将 MEMS与CMOS结构集成在一个真正的一体 化器件中虽然挑战性很大， 但并非不可能，而且在逐步实现。 与此同时，许多制造商已经采用了混合方法来创

5、造成功商用 并具备成本效益的 MEMS产品。德州仪器的数字微镜器件（DMD ）就是其中一个案例。DMD是TIDLP技术的核心，它广泛应用于商用或教学用投 影机单元以及数字影院中。每16平方微米微镜使用其与其下的CMOS存储单元之间的电势进行静电致动。灰度图像是由脉冲宽度调制的反射镜的开启和关闭状态之间产生的。颜 色通过使用三芯片方案（每一基色对应一个芯片），或通过一个单芯片以及一个色环或 RGB LED光源来加入。采用后 者技术的设计通过色环的旋转与DLP芯片同步，以连续快速的方式显示每种颜色，让观众看到一个完整光谱的图像。二、MEMS现状基于各种原因，许多MEMS产品在商业上取得了巨大成 功

6、，其中许多器件已经获得广泛应用。汽车工业是MEMS技术的主要驱动力之一。 例如MEMS振动结构陀螺仪，是一 款新的相当便宜的设备，目前用于汽车防滑或电子稳定控制 系统中。村田电子的 SCX系列MEMS加速度计、陀螺仪和倾斜仪，以及将这些功能集成在一个单芯片中可助力特定的 汽车应用-因为它们的精度要求可能会非常高。基于MEMS的气囊传感器自上世纪90年代起在几乎所有汽车中已经普遍取代了机械式碰撞传感器。上图显示了一个简化的 MEMS加速度计示例，同碰撞传感器中使用的类似。一个带有一定 质量块的悬臂梁连接到一个或多个固定点以作为弹簧。当传 感器沿梁的轴线加速时，该梁会移动一段距离，这段距离可 以通

7、过梁的“牙齿”与外部固定导体之间的电容变化来测量。许多商用和工业用喷墨打印机使用基于MEMS技术的打印机喷头，保持这些墨滴并在需要时精确地放下这些墨滴 这一技术被称为按需投放（DoD ）。墨滴放置在横跨压电材料（比如lead zirconatetitanate,）组成的元件中，通过施加 的电压来进行挤压。这增加了打印头墨水室的压力，通过施 力形成一个非常小量（相对压缩）的墨水，并从喷嘴中喷出。与此同时，其它一些MEMS技术才刚开始大规模进入市 场。微机械继电器（MMR ），比如欧姆龙开发的，这种继电 器更快，更高效，其集成度前所未有。欧姆龙发挥了自己的 微机电系统专业优势，为市场带来新款温度传

8、感器：D6T非接触式MEMS温度传感器。该 D6TMEMS制作过程中集成 了 ASIC和热电堆元件，所以这种小型化的非接触式温度传 感器大小仅为18X 14X 8.8毫米（4x4元件类型）。当然，当前的MEMS技术不限于单个传感器器件，考虑一下人的感官：单只眼带给我们颜色、运动和（一些）位置 信息，而两只眼睛将带来双眼视觉， 改善立体感知。事实上， 我们的许多感知体验需要感官的组合，这样的感知才是最终 有意义的。我们的思路是，通过将传感数据组合起来，可以 弥补单个感官器官的弱点和缺点，并达到某种程度上最佳的 环境理解。在人类领域，这就是所谓的“多通道整合”；而在电子领域，这就是所谓的传感器融合

9、。传感器融合，特别 是当它涉及到 MEMS时，是移动设备中传感器技术的一个重 要的进展。许多制造商已经开始提供完整的解决方案，如飞 思卡尔面向 Win8的12轴Xtrinsic传感器平台。该平台集成 了 3轴加速度计，3轴磁力计，压力传感器，3轴陀螺仪， 环境光传感器，并带有一个ColdFire+MCU，以提供一个完全硬件解决方案一一还打包提供专用的传感器融合软件。随着MEMS器件的优势获得认可， MEMS市场步伐也 在持续加快。据 YoleD e veloppement2012年MEMS 产业报 告中所述，在接下来 6年，MEMS “将继续保持平稳、持续 的两位数增长”，2017年全球市场价

10、值将达到 210亿美元。三、MEMS的应用领域MEMS器件和系统具有体积小、重量轻、功耗低、成本 低、可靠性高、性能优异、功能强大、可以批量生产等传统 机械无法比拟的优点，在很多领域得到广泛的应用。（一）信息业信息技术的发展，对设备提出了更高的要求，功能更加 强大的同时体积缩小。从多媒体人机界面（HI）看，使用微麦克风的语音输入和使用微摄像系统的图形输入都有广阔市 场，如今正在大力研制的微型智能机器人更是控制系统的最 高目标之一。用微陀螺装在鼠标上以稳定其运动，把微机械 及其控制电路集成的微器件装于磁头上可使其在磁道上运 行精度大大提高（0.1卩m）,提高磁盘的磁道密度。 至于微喷 头用于打印

11、则早已有所报道。（二）航空、航天业由于卫星及其发射的高成本，工作者早已提出小卫星、 微小卫星、微卫星和纳米卫星等概念。在1995年的国际会议上已有人提出研制全硅卫星，即整个卫星由硅太阳能电池 板、硅导航模块、硅通信模块等组合而成，这样可使整个卫 星的重量缩小到以千克计算，大幅度降低卫星的成本，使较 密集的分布式卫星系统成为现实。MEMS对航空器的性能改善也值得一提，今后在飞机的要害部位都可装上各种 SMART传感器，包括力学、声学、 气流等，及时提供信息和进行实时控制各种执行部件，从而 使飞行更加平稳，噪声大大的被抑制，并节省燃料。（三）医疗和生物技术生物细胞的典型尺寸为110卩m，生物大分子

12、的厚度为纳米量级，长为微米量级。微加工技术制造的器件尺寸在 这个范围内，因而适合于操作生物细胞和生物大分子，各种 微泵、微阀、微镊子、微沟槽、微器皿和微流量计都可以用 MEMS技术制造。利用这种技术，可以在指甲盖大小的硅片 上制作出包含有10万种DNA片段的芯片，无疑对遗传学研 究、疾病诊断、检测和治疗等具有极其重要的作用。Stanford和Affmetrix公司制作的DNA芯片是通过在玻璃上刻蚀出非 常小的图案来检测 DNA基因，该芯片已能够检测到 6000多 种DNA基因片段。（四）环境科学利用MEMS制造的由化学传感器、生物传感器和数据处 理系统组成的微型测量和分析设备，用来检测气体和液体的 化