MEMS技術(shù)及應(yīng)用淺談

前言:MEMS是Micro Electro Mechanical System，的英文縮寫(xiě)，也叫微電子機(jī)械系統(tǒng).它的出現(xiàn)可追溯到19世紀(jì).20世紀(jì)60年代美國(guó)人首先研發(fā)出了結(jié)晶異方向腐蝕、陽(yáng)極鍵合等早期的基本微加工技術(shù)。到了70年代，也是美國(guó)人提出了基于硅半導(dǎo)體的所謂微機(jī)械的設(shè)想。伴隨著半導(dǎo)體加工技術(shù)的不斷進(jìn)步，人們開(kāi)始利用微加工技術(shù)制造出各種微小尺寸的機(jī)械零部件。微機(jī)電研究的真正興起則始于1987年，其標(biāo)志是直徑為lOum的硅微馬達(dá)(轉(zhuǎn)子直徑120微米，電容間隙2微米)在加州大學(xué)伯克利分校的研制成功，這引起了世界的轟動(dòng)，1989年，又是由美國(guó)科學(xué)家率先提出了“微電子技術(shù)應(yīng)用于電機(jī)系統(tǒng)”的慨念。由此，MEMS成為微機(jī)械等領(lǐng)域的世界性學(xué)術(shù)用語(yǔ)，MEMS技術(shù)的研究也成為機(jī)械等領(lǐng)域的熱門(mén)話題。

MEMS技術(shù)是建立在微米/納米技術(shù)基礎(chǔ)上的前沿技術(shù)，它是指對(duì)微米/納米級(jí)上的材料進(jìn)行設(shè)計(jì)、加工、制造、測(cè)量和控制等。它不僅能采集、處理與發(fā)送信息或指令，還能按照所獲取的信息自主地或根據(jù)外部的指令采取行動(dòng).它可將機(jī)械構(gòu)件、驅(qū)動(dòng)部件、光學(xué)系統(tǒng)、電控系統(tǒng)集成為一個(gè)整體單元的微型系統(tǒng)。它用微電子技術(shù)和微加工技術(shù)(如硅體微加工、硅表面微加工、LIGA和晶片鍵合等)相結(jié)合的制造工藝，制造出各種性能優(yōu)異、價(jià)格低廉、微型化的傳感器、執(zhí)行器、驅(qū)動(dòng)器和微系統(tǒng)。

就定義而言，MEMS是感知、計(jì)算和執(zhí)行的融合。它為什么這么重要?從根木上說(shuō)，MEMS把電子技術(shù)與機(jī)械特性有機(jī)地結(jié)合了起來(lái).它可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)物理、化學(xué)、生物等方面的功能，因?yàn)樗芡瑫r(shí)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)以及電作用。實(shí)質(zhì)上它是終極的片上系統(tǒng)，是科學(xué)和技術(shù)的終極融合，而且生物也可以與之兼容。基于MEMS技術(shù)的優(yōu)良特性，它已經(jīng)或者說(shuō)正在被應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域的研究與發(fā)展。如今，它已滲透到物理、機(jī)械、生物工程、醫(yī)學(xué)、光學(xué)、材料工程、電子工程等等方面。

LMEMS的定義:

MEMS(微機(jī)電系統(tǒng))到目前為止國(guó)際上還沒(méi)有它的統(tǒng)一的定義，但一般來(lái)說(shuō)，MEMS是指可以采用微電子批量加工工藝制造的，集微型機(jī)構(gòu)、微型傳感器、微型致動(dòng)器以及信號(hào)處理和控制電路、接口、通訊和電源等部件于一體的微型系統(tǒng)。通常，它包括微型傳感器、執(zhí)行器和相應(yīng)的處理電路這三個(gè)部分。MEMS的制造工藝主要有集成電路工藝、微米/納米制造工藝、小機(jī)械工藝和其他特種加工工種.

MEMS的主要特點(diǎn)主要有:微型化、智能化、多功能、高度集成以及始于大批量生產(chǎn)。其目標(biāo)是通過(guò)系統(tǒng)的微型化、集成化來(lái)探索具有新原理、新功能的元件和系統(tǒng)。MEMS是一門(mén)典型的多學(xué)科交叉的前沿性研究領(lǐng)域。而其研究?jī)?nèi)容通?？煞譃槿齻€(gè)方面:(1) MEMS的理論基礎(chǔ):這是因?yàn)樵诋?dāng)今MEMS所能達(dá)到的尺寸水平下，宏觀世界的物理規(guī)律還能起作用。但有很大的區(qū)別。因此這一方面的研究具有很大的難度;(2) MEMS的的技術(shù)基礎(chǔ):主要包括設(shè)計(jì)與仿真技術(shù)、材料與加工技術(shù)、裝配技術(shù)、測(cè)量與測(cè)試技術(shù)以及集成系統(tǒng)技術(shù)等;(3) MEMS的應(yīng)用研究:人們不僅要探究制造MEMS的各種技術(shù)，更為重要的是如何將MEMS與我們所關(guān)心和關(guān)注的領(lǐng)域相結(jié)合，制造出符合各個(gè)領(lǐng)域需求的MEMS產(chǎn)品。

下面我將淺談一些關(guān)于MEMS的應(yīng)用。

2.MEMS的應(yīng)用:

2.1.MEMS在醫(yī)療與生物領(lǐng)域的應(yīng)用:

(1)基因分析和遺傳診斷

傳統(tǒng)的基因分析方法所使用的儀器體積龐大，費(fèi)時(shí)費(fèi)錢(qián).而隨著MEMS技術(shù)的高速發(fā)展，采用微加工技術(shù)制造出的基因分析儀器，在工作時(shí)間、樣品數(shù)量以及費(fèi)用支出上都將很大積度地減少.在遺傳診斷方面，細(xì)胞融合系統(tǒng)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了DNA分子的操作，而基于DNA水平的相關(guān)操作儀器也已經(jīng)在研究開(kāi)發(fā)之中。

(2)介入治療

近年來(lái)，國(guó)際醫(yī)療水平飛速發(fā)展，介入治療這一全新的技術(shù)也被引進(jìn)并以迅猛的姿態(tài)向前發(fā)展，其在醫(yī)療領(lǐng)域的地位越來(lái)越重要。與傳統(tǒng)治療技術(shù)相比它具有治療效果好，讓病人痛苦少等優(yōu)點(diǎn)。但是現(xiàn)有的介入治療儀器價(jià)格昂貴、體積大，而且儀器要進(jìn)入病人體內(nèi)進(jìn)行操作，而醫(yī)生只能在體外工作，因此其具有一定的風(fēng)險(xiǎn)，不能夠很好地保證其準(zhǔn)確性。而由MEMS技術(shù)所制造的儀器體積小，高度智能化，便于操作，能在很大程度上提高治療的準(zhǔn)確性和效果.降低治療成本。

2.2MEMS技術(shù)在汽車(chē)和機(jī)械工業(yè)上的應(yīng)用:

(1)壓力傳感器

汽車(chē)及機(jī)械工業(yè)是MEMS技術(shù)的主要應(yīng)用領(lǐng)域之一，而在汽車(chē)工業(yè)中，發(fā)動(dòng)機(jī)控制模塊又是最早使用MEMS技術(shù)的部分.談到這個(gè)部分，壓力傳感器則是必不可少的東西。目前市面上的MEMS傳感器主要有硅壓阻式壓力傳感器和硅電容式壓力傳感器，這二者都是在硅片上生成的微機(jī)電傳感器。硅壓阻式壓力傳感器是采用高精密半導(dǎo)體電阻應(yīng)變片組成惠斯頓電橋作為力電變換測(cè)量電路的，具有較高的測(cè)量精度、較低的功耗，極低的成本?；菟诡D電橋的壓阻式傳感器，如無(wú)壓力變化，其輸出為零.幾乎不耗電。

MEMS壓力傳感器廣泛應(yīng)用于汽車(chē)電子工業(yè)，如輪胎檢測(cè)與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油壓力傳感器、汽車(chē)剎車(chē)系統(tǒng)空氣壓力傳感器等。除此之外，我們平常所使用的消費(fèi)電子器具如洗衣機(jī)、電冰箱、微波爐、吸塵器、烤箱、洗衣機(jī)、飲水機(jī)、洗碗機(jī)、太陽(yáng)能熱水器用等都采用了壓力傳感器。

(2) MEMS加速計(jì)

隨著社會(huì)的進(jìn)步,人們的消費(fèi)需求越來(lái)越高，而MEMS技術(shù)在手機(jī)和PDA中的使用率正在提高，目前市場(chǎng)上采用MEM加速計(jì)的手機(jī)等產(chǎn)品越來(lái)越多。手機(jī)中的MEMS加速計(jì)能夠使人機(jī)界面變得更簡(jiǎn)單、更直觀，通過(guò)手的動(dòng)作就可以操作界面功能，全面增強(qiáng)了用戶的使用體驗(yàn)。MEMS技術(shù)在手機(jī)等設(shè)備中的應(yīng)用之所以如此受歡迎主要原因是因?yàn)橛辛薓EMS加速計(jì)，只要把設(shè)備向某一方向傾斜，就能在小屏幕上詳細(xì)查看地圖，顯示放大的圖像。MEMS還能檢測(cè)到用戶抖動(dòng)手機(jī)和MP3播放器的動(dòng)作，這個(gè)簡(jiǎn)單的手勢(shì)可以讓播放器跳到下一首歌或返回到上一首歌。如此的方便快捷怎能不受歡迎呢?

(3) MEMS陀螺儀

如大家所知道的，陀螺儀能夠測(cè)量沿一個(gè)軸或幾個(gè)軸運(yùn)動(dòng)的角速度，它是一門(mén)補(bǔ)充MEMS加速計(jì)功能的理想技術(shù)。實(shí)際上，如果將加速計(jì)和陀螺儀這兩種傳感器組合起來(lái)使用，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員就可以跟蹤并捕捉三維空間的完整運(yùn)動(dòng)，為用戶提供現(xiàn)場(chǎng)感更強(qiáng)的用戶使用體驗(yàn)、精確的導(dǎo)航系統(tǒng)以及其它功能。下面，我先簡(jiǎn)單地介紹一下MEMS陀螺儀的原理:

MEMS陀螺儀是利用科里奧效應(yīng)側(cè)量運(yùn)動(dòng)物體的角速率的，根據(jù)科里奧效應(yīng)，當(dāng)一個(gè)物體沿速度方向運(yùn)動(dòng)且施加角旋轉(zhuǎn)速率時(shí)，該物體受到一個(gè)固定方向的力。然后，從一個(gè)電容感應(yīng)結(jié)構(gòu)就可以測(cè)到科里奧效應(yīng)最終所產(chǎn)生的物理位移。而目前市面上多用的MEMS陀螺儀采用一種調(diào)音叉結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)由兩個(gè)振動(dòng)并不斷地做反向運(yùn)動(dòng)的物體組成。當(dāng)施加角速率時(shí)，每個(gè)物體上的科里奧效應(yīng)產(chǎn)生相反方向的力，從而引起電容變化。電容差值與角速率成正比，如果是模擬陀螺儀，電容差值轉(zhuǎn)換成電壓輸出信號(hào);如果是數(shù)字陀螺儀，則轉(zhuǎn)換成最低有效位。如果在兩個(gè)物體上施加線性加速度，這兩個(gè)物體則向同一方向運(yùn)動(dòng)，因此，不會(huì)檢測(cè)到電容變化。陀螺儀將輸出零速率輸出值或最低有效位，表示MEMS陀螺儀對(duì)傾斜、撞擊或振動(dòng)等線性加速度不敏感。

系統(tǒng)方面，陀螺儀的信號(hào)調(diào)節(jié)電路可簡(jiǎn)化為電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分和加速傳感器感應(yīng)電路兩部分:

一是電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分通過(guò)靜電驅(qū)動(dòng)方法，使機(jī)械元件前后振蕩，產(chǎn)生諧振:二是感應(yīng)部分通過(guò)測(cè)量電容變化來(lái)測(cè)量科里奧利力在感應(yīng)質(zhì)點(diǎn)上產(chǎn)生的位移，這是一個(gè)穩(wěn)健、可靠的技術(shù)，被成功地用于ST的MEMS產(chǎn)品線，能夠提供強(qiáng)度與施加在傳感器上的角速率成正比的模擬或數(shù)字信號(hào)。而MEMS陀螺儀的目標(biāo)應(yīng)用有:在汽車(chē)上，偏航陀螺儀可以開(kāi)啟電子穩(wěn)定控制制動(dòng)系統(tǒng)，防止汽車(chē)急轉(zhuǎn)彎時(shí)發(fā)生意外事故。當(dāng)汽車(chē)出現(xiàn)翻滾狀況時(shí)，滾轉(zhuǎn)陀螺儀可以引爆安全氣囊;當(dāng)汽車(chē)導(dǎo)航系統(tǒng)無(wú)法接收GPS衛(wèi)星信號(hào)時(shí)，偏航陀螺儀能夠側(cè)量汽車(chē)的方位，使汽車(chē)始終沿電子地圖的規(guī)劃路線行駛，這個(gè)功能被稱之為航位推測(cè)系統(tǒng);偏航陀螺儀還能用于室內(nèi)機(jī)器人控制;安裝在機(jī)器人四肢上的多路慣性測(cè)量單元((IMU)能夠跟蹤和監(jiān)側(cè)身體運(yùn)動(dòng);IMU還能用于運(yùn)動(dòng)控制式游戲平臺(tái);IMU配合磁力計(jì)和GPS接收器，可以在手持設(shè)備上執(zhí)行個(gè)人導(dǎo)航功能.

3.結(jié)語(yǔ):

MEMS技術(shù)是在微電子技術(shù)基礎(chǔ)上結(jié)合精密機(jī)械技術(shù)發(fā)展起來(lái)的一個(gè)新的科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，且是一個(gè)獨(dú)立的智能系統(tǒng)。它的應(yīng)用領(lǐng)域十分的寬廣，必將在現(xiàn)在和將來(lái)的發(fā)展中對(duì)人類(lèi)的進(jìn)步和發(fā)展提供不可磨滅的支撐作用，將成為推動(dòng)世界進(jìn)步的又一有力武器。而現(xiàn)在MEMS技術(shù)早已經(jīng)有了成功的事例.這樣一個(gè)事實(shí)讓我們對(duì)于它的發(fā)展前景有了進(jìn)一步的期待和信心。對(duì)于致力于MEMS技術(shù)研究的工程師門(mén)來(lái)說(shuō).MEMS技術(shù)的研究充滿了希望與挑戰(zhàn)，期待著有朝一日我們能看見(jiàn)MEMS技術(shù)的最終成熟。