MEMS技術及應用淺談

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

MEMS技術是建立在微米/納米技術基礎上的前沿技術，它是指對微米/納米級上的材料進行設計、加工、制造、測量和控制等。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.它可將機械構件、驅(qū)動部件、光學系統(tǒng)、電控系統(tǒng)集成為一個整體單元的微型系統(tǒng)。它用微電子技術和微加工技術(如硅體微加工、硅表面微加工、LIGA和晶片鍵合等)相結合的制造工藝，制造出各種性能優(yōu)異、價格低廉、微型化的傳感器、執(zhí)行器、驅(qū)動器和微系統(tǒng)。

就定義而言，MEMS是感知、計算和執(zhí)行的融合。它為什么這么重要?從根木上說，MEMS把電子技術與機械特性有機地結合了起來.它可以同時實現(xiàn)物理、化學、生物等方面的功能，因為它能同時發(fā)生化學反應以及電作用。實質(zhì)上它是終極的片上系統(tǒng)，是科學和技術的終極融合，而且生物也可以與之兼容。基于MEMS技術的優(yōu)良特性，它已經(jīng)或者說正在被應用于各個領域的研究與發(fā)展。如今，它已滲透到物理、機械、生物工程、醫(yī)學、光學、材料工程、電子工程等等方面。

LMEMS的定義:

MEMS(微機電系統(tǒng))到目前為止國際上還沒有它的統(tǒng)一的定義，但一般來說，MEMS是指可以采用微電子批量加工工藝制造的，集微型機構、微型傳感器、微型致動器以及信號處理和控制電路、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)行器和相應的處理電路這三個部分。MEMS的制造工藝主要有集成電路工藝、微米/納米制造工藝、小機械工藝和其他特種加工工種.

MEMS的主要特點主要有: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是一門典型的多學科交叉的前沿性研究領域。而其研究內(nèi)容通?？煞譃槿齻€方面:(1) MEMS的理論基礎:這是因為在當今MEMS所能達到的尺寸水平下，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的的技術基礎:主要包括設計與仿真技術、材料與加工技術、裝配技術、測量與測試技術以及集成系統(tǒng)技術等;(3) MEMS的應用研究:人們不僅要探究制造MEMS的各種技術，更為重要的是如何將MEMS與我們所關心和關注的領域相結合，制造出符合各個領域需求的MEMS產(chǎn)品。

下面我將淺談一些關于MEMS的應用。

2.MEMS的應用:

2.1.MEMS在醫(yī)療與生物領域的應用:

(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，費時費錢.而隨著MEMS技術的高速發(fā)展，采用微加工技術制造出的基因分析儀器，在工作時間、樣品數(shù)量以及費用支出上都將很大積度地減少.在遺傳診斷方面，細胞融合系統(tǒng)已經(jīng)實現(xiàn)了DNA分子的操作，而基于DNA水平的相關操作儀器也已經(jīng)在研究開發(fā)之中。

(2)介入治療

近年來，國際醫(yī)療水平飛速發(fā)展，介入治療這一全新的技術也被引進并以迅猛的姿態(tài)向前發(fā)展，其在醫(yī)療領域的地位越來越重要。與傳統(tǒng)治療技術相比它具有治療效果好，讓病人痛苦少等優(yōu)點。但是現(xiàn)有的介入治療儀器價格昂貴、體積大，而且儀器要進入病人體內(nèi)進行操作，而醫(yī)生只能在體外工作，因此其具有一定的風險，不能夠很好地保證其準確性。而由MEMS技術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確性和效果.降低治療成本。

2.2MEMS技術在汽車和機械工業(yè)上的應用:

(1)壓力傳感器

汽車及機械工業(yè)是MEMS技術的主要應用領域之一，而在汽車工業(yè)中，發(fā)動機控制模塊又是最早使用MEMS技術的部分.談到這個部分，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電傳感器。硅壓阻式壓力傳感器是采用高精密半導體電阻應變片組成惠斯頓電橋作為力電變換測量電路的，具有較高的測量精度、較低的功耗，極低的成本?；菟诡D電橋的壓阻式傳感器，如無壓力變化，其輸出為零.幾乎不耗電。

MEMS壓力傳感器廣泛應用于汽車電子工業(yè)，如輪胎檢測與監(jiān)測系統(tǒng)、發(fā)動機機油壓力傳感器、汽車剎車系統(tǒng)空氣壓力傳感器等。除此之外，我們平常所使用的消費電子器具如洗衣機、電冰箱、微波爐、吸塵器、烤箱、洗衣機、飲水機、洗碗機、太陽能熱水器用等都采用了壓力傳感器。

(2) MEMS加速計

隨著社會的進步,人們的消費需求越來越高，而MEMS技術在手機和PDA中的使用率正在提高，目前市場上采用MEM加速計的手機等產(chǎn)品越來越多。手機中的MEMS加速計能夠使人機界面變得更簡單、更直觀，通過手的動作就可以操作界面功能，全面增強了用戶的使用體驗。MEMS技術在手機等設備中的應用之所以如此受歡迎主要原因是因為有了MEMS加速計，只要把設備向某一方向傾斜，就能在小屏幕上詳細查看地圖，顯示放大的圖像。MEMS還能檢測到用戶抖動手機和MP3播放器的動作，這個簡單的手勢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，陀螺儀能夠測量沿一個軸或幾個軸運動的角速度，它是一門補充MEMS加速計功能的理想技術。實際上，如果將加速計和陀螺儀這兩種傳感器組合起來使用，系統(tǒng)設計人員就可以跟蹤并捕捉三維空間的完整運動，為用戶提供現(xiàn)場感更強的用戶使用體驗、精確的導航系統(tǒng)以及其它功能。下面，我先簡單地介紹一下MEMS陀螺儀的原理:

MEMS陀螺儀是利用科里奧效應側(cè)量運動物體的角速率的，根據(jù)科里奧效應，當一個物體沿速度方向運動且施加角旋轉(zhuǎn)速率時，該物體受到一個固定方向的力。然后，從一個電容感應結構就可以測到科里奧效應最終所產(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)音叉結構，這種結構由兩個振動并不斷地做反向運動的物體組成。當施加角速率時，每個物體上的科里奧效應產(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;如果是數(shù)字陀螺儀，則轉(zhuǎn)換成最低有效位。如果在兩個物體上施加線性加速度，這兩個物體則向同一方向運動，因此，不會檢測到電容變化。陀螺儀將輸出零速率輸出值或最低有效位，表示MEMS陀螺儀對傾斜、撞擊或振動等線性加速度不敏感。

系統(tǒng)方面，陀螺儀的信號調(diào)節(jié)電路可簡化為電機驅(qū)動部分和加速傳感器感應電路兩部分:

一是電機驅(qū)動部分通過靜電驅(qū)動方法，使機械元件前后振蕩，產(chǎn)生諧振:二是感應部分通過測量電容變化來測量科里奧利力在感應質(zhì)點上產(chǎn)生的位移，這是一個穩(wěn)健、可靠的技術，被成功地用于ST的MEMS產(chǎn)品線，能夠提供強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。而MEMS陀螺儀的目標應用有:在汽車上，偏航陀螺儀可以開啟電子穩(wěn)定控制制動系統(tǒng)，防止汽車急轉(zhuǎn)彎時發(fā)生意外事故。當汽車出現(xiàn)翻滾狀況時，滾轉(zhuǎn)陀螺儀可以引爆安全氣囊;當汽車導航系統(tǒng)無法接收GPS衛(wèi)星信號時，偏航陀螺儀能夠側(cè)量汽車的方位，使汽車始終沿電子地圖的規(guī)劃路線行駛，這個功能被稱之為航位推測系統(tǒng);偏航陀螺儀還能用于室內(nèi)機器人控制;安裝在機器人四肢上的多路慣性測量單元((IMU)能夠跟蹤和監(jiān)側(cè)身體運動;IMU還能用于運動控制式游戲平臺;IMU配合磁力計和GPS接收器，可以在手持設備上執(zhí)行個人導航功能.

3.結語:

MEMS技術是在微電子技術基礎上結合精密機械技術發(fā)展起來的一個新的科學技術領域，且是一個獨立的智能系統(tǒng)。它的應用領域十分的寬廣，必將在現(xiàn)在和將來的發(fā)展中對人類的進步和發(fā)展提供不可磨滅的支撐作用，將成為推動世界進步的又一有力武器。而現(xiàn)在MEMS技術早已經(jīng)有了成功的事例.這樣一個事實讓我們對于它的發(fā)展前景有了進一步的期待和信心。對于致力于MEMS技術研究的工程師門來說.MEMS技術的研究充滿了希望與挑戰(zhàn)，期待著有朝一日我們能看見MEMS技術的最終成熟。