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微机电系统(MEMS) 简述  

2010-11-19 21:49:37|  分类: 默认分类 |  标签: |举报 |字号 订阅

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关键词: 微机电系统 MEMS 传感器 执行器

    为了说明什么是微机电系统MEMS (Micro Electro Mechanical Systems),首先来解释一下什么是机电系统。20多年以前,汽车还是一个单纯的机械系统,后来随着电子技术的发展,汽车的很多零部件(例如电子点火器、燃油电子喷射装置、电控自动变速箱等)都依靠电子系统进行控制,因此现在的汽车实际上就是一个大的机械电子系统。而微机电系统则是指微小的机械电子系统,例如比一粒花生米还要小的飞机或汽车,是由很多只有几百微米大小的零件组成的,而这些零件是用微电子等微细加工技术制备出来的,既包含机械部件又包含电子部件,因此我们称这类微小的机械电子系统为微机电系统。

  微机械电子系统是微电子技术的拓宽和延伸,它是将微电子技术和精密机械加工技术相互融合,并将微电子与机械融为一体的系统。MEMS将电子系统和外部世界有机地联系起来,它不仅能感受运动、光、声、热、磁等自然界的外部信号,使之转换成电子系统可以识别的电信号,而且还能通过电子系统控制这些信号,进而发出指令,控制执行部件完成所需的操作。

  MEMS主要包含微型传感器、执行器和相应的处理电路三部分。作为输入信号的自然界各种信息首先通过传感器转换成电信号,经过信号处理以后(模拟/数字)再通过微执行器对外部世界发生作用。传感器可以把能量从一种形式转化为另一种形式,从而将现实世界的信号(如热、运动等信号)转化为系统可以处理的信号(如电信号)。执行器根据信号处理电路发出的指令完成人们所需要的操作。信号处理器则可以对信号进行转换、放大和计算等处理。美国AnalogDevice公司已经研制出很多种将集成电路与MEMS集成在一起的集成微加速度计、微陀螺等产品。

  MEMS技术是一种典型的多学科交叉的前沿性研究领域,它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、光学、物理学、化学、生物医学、材料科学、能源科学等。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的发展开辟了一个全新的技术领域和产业。它们不仅可以降低机电系统的成本,而且还可以完成许多大尺寸机电系统所不能完成的任务。正是由于MEMS器件和系统具有体积小、重量轻、功耗低、成本低、可靠性高、性能优异及功能强大等传统传感器无法比拟的优点,MEMS在航空、航天、汽车、生物医学、环境监控、军事以及几乎人们接触到的所有领域中都有着十分广阔的应用前景。例如微加速度计可以用于汽车的安全气囊,当汽车发生碰撞等交通事故时,汽车的加速度会很大,这时通过微加速度计可以判断是否发生撞车事故。若发生交通事故,微加速度计即可以发出指令,使安全气囊及时弹出,保护司机和乘客的安全。又如,微惯性传感器及其组成的微型惯性测量组合系统能应用于制导系统、卫星控制系统、汽车自动驾驶仪、汽车防抱死系统(ABS)、稳定控制系统和玩具;微流量系统和微分析仪可用于微推进、伤员救护。MEMS系统还可以用于医疗、高密度存储和显示、光谱分析、信息采集等等。现在已经成功地制造出了尖端直径为5μm的可以夹起一个红细胞的微型镊子,3mm大小的能够开动的小汽车,可以在磁场中飞行的像蝴蝶大小的飞机等。

  MEMS技术及其产品正处在加速发展时期,增长速度非常之高。预计到2000年,全世界MEMS的市场将达到120~140亿美元,而与之相关的市场将达到1000亿美元。

  MEMS器件的主要种类

  目前,MEMS技术几乎可以应用于所有的行业领域,而它与不同的技术结合,往往便会产生一种新型的MEMS器件。正因为如此,MEMS器件的种类极为繁杂。根据目前的研究情况,除了进行信号处理的集成电路部件以外,微机电系统内部包含的单元主要有以下几大类:

  (1)微传感器。微传感器种类很多,主要包括机械类、磁学类、热学类、化学类、生物学类等等,每一类中又包含有很多种。例如机械类中又包括力学、力矩、加速度、速度、角速度(陀螺)、位置、流量传感器等,化学类中又包括气体成分、湿度、PH值和离子浓度传感器等。

  (2)微执行器。微执行器主要包括微马达、微齿轮、微泵、微阀门、微机械开关、微喷射器、微扬声器、微可动平台等。

  (3)微型构件。三维微型构件主要包括微膜、微梁、微探针、微齿轮、微弹簧、微腔、微沟道、微锥体、微轴、微连杆等。

  (4)微机械光学器件。这是一种利用MEMS技术制作的光学元件及器件。目前制备出的微光学器件主要有微镜阵列、微光扫描器、微光阀、微斩光器、微干涉仪、微光开关、微变焦透镜、微外腔激光器、光编码器等。

  (5)真空微电子器件。它是微电子技术、MEMS技术和真空电子学发展的产物,是一种采用已有的微细加工工艺在芯片上制造的集成化微型真空电子管或真空集成电路。它主要由场致发射阵列阴极、阳极、两电极之间的绝缘层和真空微腔组成。由于电子输运是在真空中进行的,因此真空微电子器件具有极快的开关速度、非常好的抗辐照能力和极佳的温度特性。目前研究较多的真空微电子器件主要包括场发射显示器、场发射照明器件、真空微电子毫米波器件、真空微电子传感器等。

  (6)电力电子器件。它主要包括利用MEMS技术制作的垂直导电型MOS(VMOS)器件、V型槽垂直导电型MOS(VVMOS)器件等各类高压大电流器件。

 

MEMS的发展
         国际崛起于1980年代末期,
         理论基础研究
         技术基础研究
                 微系统材料
                 微机械设计
                 微细加工技术:电子束曝光机 (试验用由扫描电镜改造)
                 微系统能源
                 微组装:微机械手,纳米操纵手。(扫描电镜附件)
                 微封装:
                 微测试:扫描电镜微探针(扫描电镜附件)
                 微系统的集成与控制
          商品化发展:
                  从毫米,简单功能,
                  微米,亚微米集成。    

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