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5分鐘帶你了解什么是MEMS

作者: 時間:2014-11-20 來源:貿(mào)澤電子 收藏

  或許技術(shù)的一個最有趣特性是設(shè)計師得以展示在如此小規(guī)模的物理域中發(fā)掘物理獨特性的能力——這一主題隨后將再次談及。

本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/265671.htm



  圖2:簡化的加速度計

  現(xiàn)狀

  基于各種原因,許多MEMS產(chǎn)品在商業(yè)上取得了巨大成功,其中許多器件已經(jīng)獲得廣泛應(yīng)用。汽車工業(yè)是MEMS技術(shù)的主要驅(qū)動力之一。例如MEMS振動結(jié)構(gòu)陀螺儀,是一款新的相當(dāng)便宜的設(shè)備,目前用于汽車防滑或電子穩(wěn)定控制系統(tǒng)中。村田電子的SCX系列MEMS加速度計、陀螺儀和傾斜儀,以及將這些功能集成在一個單芯片中可助力特定的汽車應(yīng)用---因為它們的精度要求可能會非常高。基于MEMS的氣囊傳感器自上世紀(jì)90年代起在幾乎所有汽車中已經(jīng)普遍取代了機械式碰撞傳感器。圖2顯示了一個簡化的MEMS加速度計示例,同碰撞傳感器中使用的類似。一個帶有一定質(zhì)量塊的懸臂梁連接到一個或多個固定點以作為彈簧。當(dāng)傳感器沿梁的軸線加速時,該梁會移動一段距離,這段距離可以通過梁的“牙齒”與外部固定導(dǎo)體之間的電容變化來測量。

  許多商用和工業(yè)用噴墨打印機使用基于MEMS技術(shù)的打印機噴頭,保持這些墨滴并在需要時精確地放下這些墨滴——這一技術(shù)被稱為按需投放(DoD)。墨滴放置在橫跨壓電材料(比如 lead zirconatetitanate,)組成的元件中,通過施加的電壓來進行擠壓。這增加了打印頭墨水室的壓力,通過施力形成一個非常小量(相對壓縮)的墨水,并從噴嘴中噴出。



  圖3:基于MEMS按需投放的打印機頭

  與此同時,其它一些MEMS技術(shù)才剛開始大規(guī)模進入市場。微機械繼電器(MMR),比如歐姆龍開發(fā)的,這種繼電器更快,更高效,其集成度前所未有。歐姆龍發(fā)揮了自己的微機電系統(tǒng)專業(yè)優(yōu)勢,為市場帶來新款溫度傳感器:D6T非接觸式MEMS溫度傳感器。該D6TMEMS制作過程中集成了ASIC和熱電堆元件,所以這種小型化的非接觸式溫度傳感器大小僅為18×14×8.8毫米(4x4元件類型)。

  當(dāng)然,當(dāng)前的MEMS技術(shù)不限于單個傳感器器件,考慮一下人的感官:單只眼帶給我們顏色、運動和(一些)位置信息,而兩只眼睛將帶來雙眼視覺,改善立體感知。事實上,我們的許多感知體驗需要感官的組合,這樣的感知才是最終有意義的。我們的思路是,通過將傳感數(shù)據(jù)組合起來,可以彌補單個感官器官的弱點和缺點,并達到某種程度上最佳的環(huán)境理解。在人類領(lǐng)域,這就是所謂的“多通道整合”;而在電子領(lǐng)域,這就是所謂的傳感器融合。傳感器融合,特別是當(dāng)它涉及到MEMS時,是移動設(shè)備中傳感器技術(shù)的一個重要的進展。許多制造商已經(jīng)開始提供完整的解決方案,如飛思卡爾面向Win8的12軸Xtrinsic傳感器平臺。該平臺集成了3軸加速度計,3軸磁力計,壓力傳感器,3軸陀螺儀,環(huán)境光傳感器,并帶有一個ColdFire + MCU,以提供一個完全硬件解決方案——還打包提供專用的傳感器融合軟件。

  隨著MEMS器件的優(yōu)勢獲得認(rèn)可,MEMS市場步伐也在持續(xù)加快。據(jù)YoleDéveloppement2012年MEMS產(chǎn)業(yè)報告中所述,在接下來6年,MEMS“將繼續(xù)保持平穩(wěn)、持續(xù)的兩位數(shù)增長”,2017年全球市場價值將達到210億美元。

  MEMS設(shè)計與制造

  “有趣的是,這樣小的機器會遇到什么問題。首先,如果各部分壓力維持相同程度,力隨面積減小而變化,這樣重量以及慣性等將相對無足輕重。換句話說,材料的強度所占比重將增加。比如,隨著我們減小尺寸,除非旋轉(zhuǎn)速度同比增加,飛輪離心力導(dǎo)致的壓力和膨脹才能維持相同比例。“

  ——理查德·費曼,“底部仍然存在充足的空間”

  縮放和小型化

  MEMS 設(shè)計和制造的介紹往往起始于對縮放和小型化的回顧。例如,如果我們問,為什么不能簡單地將一個空氣壓縮機或吊扇收縮到跳蚤大小的規(guī)模?答案是壓縮定律。跳蚤大小的吊扇與一個1000倍大的正常大小的風(fēng)扇的運行方式不同,因為所涉及力之間的相互強度發(fā)生了變化。比例因子,S,有助于理解這中間發(fā)生了什么變化。

  考慮一個矩形,其面積等于長度和寬度的乘積;如果矩形按比例因子縮小100(即長度/ 100和寬度/ 100),該矩形的面積縮小為原來(1/100)^2= 1/10000。因此,面積的比例因子是S2。同樣,體積的比例因子是S3——因此隨著縮放越來越小,體積的影響比表面(面積)的影響更大。

  在一個給定的規(guī)模上,謹(jǐn)慎考慮不同力的比例因子可以揭示其中最相關(guān)的物理現(xiàn)象。表面張力的比例因子是S1,壓力以及靜電相關(guān)的力是S2,磁場力是S3,以及重力為S4。這就解釋了水黽(或“水臭蟲”)為什么可以在水面上行走,以及為何一對滾球軸承的表現(xiàn)與一個雙星系統(tǒng)不同。雖然任何設(shè)計中都須要開發(fā)完整的數(shù)學(xué)模型,但比例因子有助于指導(dǎo)我們?nèi)绾卧O(shè)計MEMS大小的器件。

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