MEMS技術(shù)

MEMS技術(shù)基礎(chǔ)

MEMS技術(shù)的目標(biāo)是通過系統(tǒng)的微型化、集成化來探索具有新原理、新功能的元件和系統(tǒng)。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(jī)械技術(shù)、物理學(xué)、化學(xué)、生物醫(yī)學(xué)、材料科學(xué)、能源科學(xué)等。其研究內(nèi)容一般可以歸納為以下三個(gè)基本方面：

1.MEMS理論基礎(chǔ)：

在當(dāng)前MEMS所能達(dá)到的尺度下，宏觀世界基本的物理規(guī)律仍然起作用，但由于尺寸縮小帶來的影響(Scaling Effects)，許多物理現(xiàn)象與宏觀世界有很大區(qū)別，因此許多原來的理論基礎(chǔ)都會(huì)發(fā)生變化，如力的尺寸效應(yīng)、微結(jié)構(gòu)的表面效應(yīng)、微觀摩擦機(jī)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(jié)構(gòu)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(chǔ)研究。

2.MEMS技術(shù)基礎(chǔ)：

MEMS的技術(shù)基礎(chǔ)可以分為以下幾個(gè)方面：(1)設(shè)計(jì)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(tǒng)技術(shù)等。

3.MEMS應(yīng)用研究：

人們不僅要開發(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(yī)療、自動(dòng)控制、消費(fèi)電子以及兵器等應(yīng)用領(lǐng)域相結(jié)合，制作出符合各領(lǐng)域要求的微傳感器、微執(zhí)行器、微結(jié)構(gòu)等MEMS器件與系統(tǒng)。

4 MEMS及其應(yīng)用

MEMS技術(shù)是采用微制造技術(shù)，在一個(gè)公共硅片基礎(chǔ)上整合了傳感器、機(jī)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(tǒng)單晶片(SoC)，它讓智能型產(chǎn)品得以開發(fā)，并得以進(jìn)入很多的次級市場，為包括汽車、保健、手機(jī)、生物技術(shù)、消費(fèi)性產(chǎn)品等各領(lǐng)域提供解決方案。根據(jù)電子產(chǎn)業(yè)市場研究與信息網(wǎng)路的資料，MEMS的平均年增長率高于20%,并預(yù)計(jì)在2010年超過100億美元。MEMS技術(shù)已被認(rèn)為是下個(gè)世紀(jì)最有前途的技術(shù)之一。

MEMS有很多應(yīng)用，并被越來越多的產(chǎn)品所接納。MEMS的一些常見應(yīng)用領(lǐng)域包括汽車、生物技術(shù)與醫(yī)療，以及消費(fèi)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發(fā)的，包括意法半導(dǎo)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(xiàn)況。

意法半導(dǎo)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，各種滿量程區(qū)間，適用于數(shù)位相機(jī)和數(shù)位錄像機(jī)的影像穩(wěn)定，以及提高游戲應(yīng)用中的用戶體驗(yàn)。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(jī)聲學(xué)器件擴(kuò)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(xiàn)有/新興音頻應(yīng)用都有很好的成本效益，如手機(jī)、無線設(shè)備以及手持游戲機(jī)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(jī)械振動(dòng)和電磁干擾更不敏感。

ADI公司同時(shí)提供類比與數(shù)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)展下一代的汽車氣囊安全系統(tǒng)。這個(gè)ADI-英飛凌合作計(jì)劃將確保兩家公司相應(yīng)產(chǎn)品發(fā)展藍(lán)圖的協(xié)調(diào)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(tǒng)的發(fā)展，為安全系統(tǒng)供應(yīng)商和OEM商提供一個(gè)完整的設(shè)計(jì)平臺，從而實(shí)現(xiàn)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)，能夠用來開發(fā)可當(dāng)作高階傳感器使用的數(shù)位MEMS加速度計(jì)。HP預(yù)計(jì)該技術(shù)將使芯片的靈敏度比今天市場上的批量產(chǎn)品提高1000倍。這種傳感器是以該公司已率先商業(yè)應(yīng)用在其打印機(jī)墨盒的MEMS技術(shù)為基礎(chǔ)。

另外，TI公司擁有的數(shù)位光處理器(digitallightProcessor,DLP)技術(shù)為有光處理與光轉(zhuǎn)向需求的創(chuàng)新應(yīng)用提供了開發(fā)平臺和芯片組。該公司的MEMS技術(shù)為光轉(zhuǎn)向應(yīng)用提供了可靠的單元件類比鏡(singleelementanalogmirror)，其高反射的MEMS表面最大為9平方毫米，簡化了對驅(qū)動(dòng)的需求，因此TI的AnalogMirrors成為柔性系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(zhuǎn)應(yīng)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。

另一家著名企業(yè)Memsic公司則是推出了多種高性能加速度計(jì)。由于美國國家高速公路交通安全局(NHTSA)要求，到2012年時(shí)，美國市場上的所有汽車、卡車和大巴士都要安裝車輛穩(wěn)定控制系統(tǒng)(VehicleStabilityControl,VSC)，歐盟確認(rèn)它也將實(shí)施類似的要求，數(shù)百萬個(gè)Memsic加速度傳感器已經(jīng)被部署在帶有VSC的汽車和卡車上。現(xiàn)在，致力于滿足政府VSC要求的工程團(tuán)隊(duì)可以采用經(jīng)過完全的汽車和道路認(rèn)證、兼容于串列周邊界面(SPI)的傳感器技術(shù)，設(shè)計(jì)出下一代的VSC系統(tǒng)。

市場展望

顯然地，MEMS已在我們今天日常生活中的各種應(yīng)用中扎下根基。其普及的主要?jiǎng)恿碜杂诔杀镜团c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(xiàng)挑戰(zhàn)是封裝問題，因?yàn)镸EMS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(biāo)準(zhǔn)化和更廉價(jià)的封裝已成為MEMS設(shè)計(jì)的主要關(guān)注目標(biāo)。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(qiáng)自己在封裝制程中的地位，為各種新設(shè)備開發(fā)新的專用封裝。當(dāng)前長足的進(jìn)步與工程進(jìn)展讓我們對MEMS或SoC有更新的理解。對設(shè)計(jì)工程師而言，這確實(shí)是富于挑戰(zhàn)且令人興奮的時(shí)代!

微機(jī)電 (MEMS) 技術(shù)在電子產(chǎn)品中的地位愈來愈重要，不論是在汽車、工業(yè)、醫(yī)療或軍事上需要用到此類精密的元器件，在信息、通訊和消費(fèi)性電子等大眾的市場，也可以看到快速增長的MEMS應(yīng)用。

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