MEMS技术
MEMS技术的目标是通过系统的微型化、集成化来探索具有新原理、新功能的元件和系统。MEMS技术是一种典型的多学科交叉的前沿性研究领域,几乎涉及到自然及工程科学的所有领域,如电子技术、机械技术、物理学、化学、生物医学、材料科学、能源科学等。其研究内容一般可以归纳为以下三个基本方面:
1.MEMS理论基础:
在当前MEMS所能达到的尺度下,宏观世界基本的物理规律仍然起作用,但由于尺寸缩小带来的影响(Scaling Effects),许多物理现象与宏观世界有很大区别,因此许多原来的理论基础都会发生变化,如力的尺寸效应、微结构的表面效应、微观摩擦机理等,因此有必要对微动力学、微流体力学、微热力学、微摩擦学、微光学和微结构学进行深入的研究。这一方面的研究虽然受到重视,但难度较大,往往需要多学科的学者进行基础研究。
2.MEMS技术基础:
MEMS的技术基础可以分为以下几个方面:(1)设计与仿真技术;(2)材料与加工技术(3)封装与装配技术;(4)测量与测试技术;(5)集成与系统技术等。
3.MEMS应用研究:
人们不仅要开发各种制造MEMS的技术,更重要的是如何将MEMS技术与航空航天、信息通信、生物化学、医疗、自动控制、消费电子以及兵器等应用领域相结合,制作出符合各领域要求的微传感器、微执行器、微结构等MEMS器件与系统。
4 MEMS及其应用
MEMS技术是采用微制造技术,在一个公共硅片基础上整合了传感器、机械元件、致动器(actuator)与电子元件。MEMS通常会被看作是一种系统单晶片(SoC),它让智能型产品得以开发,并得以进入很多的次级市场,为包括汽车、保健、手机、生物技术、消费性产品等各领域提供解决方案。根据电子产业市场研究与信息网路的资料,MEMS的平均年增长率高于20%,并预计在2010年超过100亿美元。MEMS技术已被认为是下个世纪最有前途的技术之一。
MEMS有很多应用,并被越来越多的产品所接纳。MEMS的一些常见应用领域包括汽车、生物技术与医疗,以及消费电子产品。MEMS还用于大量声波双工器(BulkAcousTIcWaveduplexer)与滤波器、麦克风、MEMS自动聚焦致动器、压力感测器、MEMS微微型投影仪,甚至MEMS陀螺仪。
MEMS的公司
从全球看,MEMS产品是由一些美国和亚洲公司开发的,包括意法半导体(ST)、AnalogDevices公司(ADI)、惠普公司(HP)、德州仪器公司(TI),以及Memsic公司。下文将介绍各个制造商及其主要MEMS产品的现况。
意法半导体公司是最大的MEMS制造商之一,提供单轴和多轴陀螺仪的广泛选择,各种满量程区间,适用于数位相机和数位录像机的影像稳定,以及提高游戏应用中的用户体验。ST公司还提供3轴陀螺仪,能精确地测量沿三个正交轴的角速度。另外,STM还用下一代微电机声学器件扩展了自己的产品组合。创新的MEMS麦克风采用了Omron的传感器技术,能够大幅地提高声音质量,有出色的可靠性、健壮性,同时对现有/新兴音频应用都有很好的成本效益,如手机、无线设备以及手持游戏机等。关键是,MEMS麦克风可以做得比最小的驻极体电容式麦克风(electretscondensermicrophone)还要小,而对温度变化、机械振动和电磁干扰更不敏感。
ADI公司同时提供类比与数位型的全向MEMS麦克风。最近,ADI与英飞凌科技公司商定共同发展下一代的汽车气囊安全系统。这个ADI-英飞凌合作计划将确保两家公司相应产品发展蓝图的协调一致,以及各自传感器与芯片组的互通性。这个合作也将加速先进气囊系统的发展,为安全系统供应商和OEM商提供一个完整的设计平台,从而实现一种可靠、具成本效益和易于使用的先进气囊方案。
惠普公司最近推出一种惯性探测技术(inertialsensingtechnology),能够用来开发可当作高阶传感器使用的数位MEMS加速度计。HP预计该技术将使芯片的灵敏度比今天市场上的批量产品提高1000倍。这种传感器是以该公司已率先商业应用在其打印机墨盒的MEMS技术为基础。
另外,TI公司拥有的数位光处理器(digitallightProcessor,DLP)技术为有光处理与光转向需求的创新应用提供了开发平台和芯片组。该公司的MEMS技术为光转向应用提供了可靠的单元件类比镜(singleelementanalogmirror),其高反射的MEMS表面最大为9平方毫米,简化了对驱动的需求,因此TI的AnalogMirrors成为柔性系统设计的一个理想选择。TI的AnalogMirrors可以用于精确定位和控制激光束,同时最大限度地减少光功率的损耗,支持各种光束旋转应用,如影像与显示、光网路、自由空间光学、物体探测以及激光印刷等。
另一家着名企业Memsic公司则是推出了多种高性能加速度计。由于美国国家高速公路交通安全局(NHTSA)要求,到2012年时,美国市场上的所有汽车、卡车和大巴士都要安装车辆稳定控制系统(VehicleStabilityControl,VSC),欧盟确认它也将实施类似的要求,数百万个Memsic加速度传感器已经被部署在带有VSC的汽车和卡车上。现在,致力于满足政府VSC要求的工程团队可以采用经过完全的汽车和道路认证、兼容于串列周边界面(SPI)的传感器技术,设计出下一代的VSC系统。
市场展望
显然地,MEMS已在我们今天日常生活中的各种应用中扎下根基。其普及的主要动力来自于成本低与体积小,从而能够做出更小、更轻和更廉价的最终产品。但在MEMS前方并非一片光明。一项挑战是封装问题,因为MEMS器件的多样性以及每个要暴露的不同环境。封装加上测试,很容易就会将成本增加一倍。在不影响产品性能的情况下,研究出标准化和更廉价的封装已成为MEMS设计的主要关注目标。在今天的地球上,MEMS制造商投入了大量研发力量,试图加强自己在封装制程中的地位,为各种新设备开发新的专用封装。当前长足的进步与工程进展让我们对MEMS或SoC有更新的理解。对设计工程师而言,这确实是富于挑战且令人兴奋的时代!
微机电 (MEMS) 技术在电子产品中的地位愈来愈重要,不论是在汽车、工业、医疗或军事上需要用到此类精密的元器件,在信息、通讯和消费性电子等大众的市场,也可以看到快速增长的MEMS应用。
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