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MEMS

微机电系统(英语:Microelectromechanical Systems,缩写为 MEMS)是将微电子技术与机械工程融合到一起的一种工业技术,它的操作范围在微米尺度内。

微机电系统由尺寸为1至100微米(0.001至0.1毫米)的部件组成,一般微机电设备的通常尺寸在20微米到一毫米之间。微机电系统在日本被称作微机械(micromachines),在欧洲被称作微系统技术(Micro Systems Technology,MST)。

比微机电系统更小的,在纳米范围的类似技术被称为纳机电系统(nanoelectromechanical systems,NEMS)。

微机电系统与分子纳米技术分子电子学的超前概念不同。它们内部通常包含一个微处理器和若干获取外界信息的微型传感器。[1]相比大尺寸的机械设备,由于MEMS的大表面积与体积比,MEMS在设计时需要考虑环境电磁作用(例如静电荷和磁矩)和流体动力学(例如表面张力和粘度)。 MEMS技术与分子纳米技术或分子电子学的区别在于后者还必须考虑表面化学。

微机电系统的实现得力于用来制造电子设备的半导体加工技术,并加以改造,使微机电系统可以应用到实际上。这些加工方式包含了微米等级的模塑成型(molding)、镀层(plating)、湿法刻蚀(氢氧化钾,四甲基氢氧化铵)和干法刻蚀(RIE和DRIE)、电火花加工(EDM),和其他一些能够制造微小型设备的加工方式。

微机电系统应用的一个知名实例是在苹果公司的移动通信设备中,该公司较新的手机使用了MEMS振荡器代替以往的石英晶体振荡器产生时脉信号,但由于氦原子会渗入MEMS集成电路的封装内,改变了MEMS振荡电路的工作情况,因此使氦气影响了iPhone、Apple Watch和iPad等设备的使用,以致用户处于不知觉氦气泄漏环境的时候手机失效,直到离开氦气泄漏环境一段时间,氦气原子消散后才恢复,此事经媒体报导后广为人知。[2][3]

历史

微型机械的概念在相应的加工技术出现之前就被提出了。1959年,理查德·费曼在加州理工学院进行题为《底层还有大空间》的演讲。费曼在演讲中提出了在原子尺度上操纵物质的可能性以及将面临的挑战。 1964年,西屋公司的一支团队制造出了第一批微机电设备。[4][5]这种设备名叫谐振栅极晶体管(英语:resonant gate transistor

简介

微机电系统是微米大小的机械系统,其中也包括不同形状的三维平板印刷产生的系统。这些系统的大小一般在微米到毫米之间。在这个大小范围中日常的物理经验往往不适用。比如由于微机电系统的面积对体积比比一般日常生活中的机械系统要小得多,其表面现象如静电、润湿等比体积现象如惯性或热容量等要重要。它们一般是由类似于生产半导体的技术如表面微加工、体型微加工等技术制造的。其中包括更改的硅加工方法如压延、电镀、湿蚀刻、干蚀刻、电火花加工等等。

生产微机电系统的公司的大小各不相同。大的公司主要集中于为汽车、生物医学或电子工业生产大批量的便宜的系统。成功的小公司则集中于生产创新的技术。所有这些公司都致力于研究开发。随着传感器的发展微机电系统的复杂性和效率不断提高。

常见的应用有:

  • 在喷墨打印机里作为压电组件
  • 在汽车里作为加速规来控制碰撞时安全气囊防护系统的施用
  • 在汽车里作为陀螺来测定汽车倾斜,控制动态稳定控制系统
  • 在轮胎里作为压力传感器,在医学上测量血压
  • 数字微镜芯片
  • 微型麦克风阵列
  • MEMS微型投影仪
  • 在计算机网络中充当光交换系统,这是一个与智能灰尘技术的融合

使用MEMS技术的好处

原材料价格低廉,产量充足。

大部分集成电路和MEMS的原材料是硅(Si),这个神奇的VI族元素可以从二氧化硅中大量提取出来。而二氧化硅是什么?说的通俗一点,就是沙子。

沙子君在经历了一系列复杂的加工过程之后,就变成了单晶硅,长这个样子:

这个长长的大柱子,直径可以是 1 inch (2.5 cm) 到 12 inch (30 cm),被切成一层层 500 微米厚的硅片 (英文:wafer,和威化饼同词),长这个样子:

 

批量生产 – 产能高,良品率高

MEMS驱动器和传感器大部分都含有微机械机构。试想一下,我们要检测一个一微米长的弹簧移动了一纳米(微米尺度的悬臂梁在纳米尺度的范围内移动),这种加工精度在传统机械加工工艺上面是难以实现的。正因为有了MEMS技术,现在我们可以使数以万计的MEMS芯片(有些工艺也会把集成电路芯片放在同一步骤加工)出现在了每一片wafer上面,如下图所示。

这种批量生产(batch process)的过程目前已经全自动化控制,隔离了人为因素,确保了每一个MEMS芯片之间的工艺误差可以得到严格的控制,从而提高了良品率。切片、封装之后,就成为了一个个的MEMS芯片。从外观上来看,大部分的MEMS芯片和集成电路芯片是差不多的。

 

纳米技术本身的优势。

曾几何时,微米和纳米技术被称为了科技的代言词,但大部分人根本不理解微米和纳米技术是什么。其实对于MEMS传感器来讲,最大的优势是体积和表面积的比数值小(体积:表面积)。我们都知道体积是跟长度的三次方,而面积是长度的二次方。所以把一个MEMS器件等比例缩小的结果就是体积:表面积会缩小,这样会使得MEMS器件的信噪比增加(也就是有好处)。

 

 

最成功的几个“商用”MEMS工艺其实屈指可数:

 

  • 惯性传感器:加速度器和陀螺仪。代表公司及工艺:InvenSense的Nasiri工艺,ST Microelectronic的THELMA工艺,Analog Devices的IMU工艺,博世(Bosch)的Bosch Process。这个技术用在了导航方面,比如大疆无人机,虚拟现实和体感输入(智能手机、PlayStation手柄等),汽车安全气囊和ABS防抱死系统。

 

图: InvenSense的Nasiri工艺。其6轴惯性传感器用在了目前最新的iPhone6

 

  • 喷墨打印机。代表公司及工艺:Epson的压电喷墨头,Canon的memjet(热驱动)。

 

图:Epson的压电喷墨头

 

  • 投影仪DLP芯片。代表公司和工艺:Texas Instruments(德州仪器)的DLP (Digital Light Processing)技术,用在了目前全世界大于90%的投影仪当中。

 

图:TI的DLP技术

 

  • 压力传感器。代表公司和工艺:ST Microelectronics和Bosch的压力传感器,用到了Piezoresistive压阻技术,用于GPS、登山手表和智能手机上。

 

图:Bosch的BMP180芯片。左边是ASIC电路,右边是压力传感器。可以看到,压力传感器东南西北四个方向都有压阻电阻,用来检测硅薄膜受到压力之后的形变。

 

  • 麦克风。

MEMS的麦克风也是近几年才取代了过去磁感线圈式的麦克风。以美国的Knowles和中国的歌尔声学为主,MEMS麦克风已经基本替换了大部分手机中的传统麦克风。技术实现上也相对简单,其实就是一个打了很多孔的压力传感器。

图:Knowles用在iPhone中的麦克风

MEMS现在应用广泛、发展前景较好,但是它的可靠性和精度并不能达到某些传统工艺的标准,所以在军事和航天领域依然还是需要传统工艺来解决问题。

注:所有图片均来自google图片搜索。

什么是MEMS传感器? MEMS传感器设计,制造,和市场前景

参考文献

  1. ^ Waldner, Jean-Baptiste. Nanocomputers and Swarm Intelligence. London: ISTE John Wiley & Sons. 2008: 205. ISBN 1-84821-009-4.
  2. ^ 氦气泄露导致苹果设备故障. www.solidot.org. [2018-11-23].
  3. ^ iPhones are Allergic to Helium. iFixit. [2018-11-23] (美国英语).
  4. ^ Electromechanical monolithic resonator,US patent 3614677, Filed April 29, 1966; Issued October 1971
  5. ^ Wilfinger, R.J.; Bardell, P.H.; Chhabra, D.S. The resonistor a frequency selective device utilizing the mechanical resonance of a substrate (PDF). IBM J. 1968, 12: 113–8.

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