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[导读] MEMS全称Micro Electromechanical System,微机电系统。

 MEMS全称Micro Electromechanical System,微机电系统。是指尺寸在几毫米乃至更小的高科技装置,其内部结构一般在微米甚至纳米量级,是一个独立的智能系统。主要由传感器、动作器(执行器)和微能源三大部分组成。微机电系统涉及物理学、半导体、光学、电子工程、化学、材料工程、机械工程、医学、信息工程及生物工程等多种学科和工程技术,为智能系统、消费电子、可穿戴设备、智能家居、系统生物技术的合成生物学与微流控技术等领域开拓了广阔的用途。常见的产品包括MEMS加速度计、MEMS麦克风、微马达、微泵、微振子、MEMS压力传感器、MEMS陀螺仪、MEMS湿度传感器等以及它们的集成产品。

MEMS是一个独立的智能系统,可大批量生产,其系统尺寸在几毫米乃至更小,其内部结构一般在微米甚至纳米量级。例如,常见的MEMS产品尺寸一般都在3mm&TImes;3mm&TImes;1.5mm,甚至更小。

微机电系统在国民经济和军事系统方面将有着广泛的应用前景。主要民用领域是电子、医学、工业、汽车和航空航天系统。

美国已研制成功用于汽车防撞和节油的微机电系统加速度表和传感器,可提高汽车的安全性,节油10%。仅此一项美国国防部系统每年就可节约几十亿美元的汽油费。微机电系统在航空航天系统的应用可大大节省费用,提高系统的灵活性,并将导致航空航天系统的变革。在军事应用方面,美国国防部高级研究计划局正在进行把微机电系统应用于个人导航用的小型惯性测量装置、大容量数据存储器件、小型分析仪器、医用传感器、光纤网络开关、环境与安全监测用的分布式无人值守传感等方面的研究。该局已演示以微机电系统为基础制造的加速度表,它能承受火炮发射时产生的近10.5个重力加速度的冲击力,可以为非制导弹药提供一种经济的制导系统。设想中的微机电系统的军事应用还有:化学战剂报警器、敌我识别装置、灵巧蒙皮、分布式战场传感器网络等。

 

MEMS的发展历史

1.编辑微机电系统是从微传感器发展而来的,已有几次突破性的进展:

2.70年代微机械压力传感器产品问世

3.80年代末研制出硅静电微马达

4.90年代喷墨打印头,硬盘读写头、硅加速度计和数字微镜器件等相继规模化生产

5.充分展示了微系统技术及其微系统的巨大应用前景

MEMS的系统优点

微机电系统是微电路和微机械按功能要求在芯片上的集成,尺寸通常在毫米或微米级,自八十年代中后期崛起以来发展极其迅速,被认为是继微电子之后又一个对国民经济和军事具有重大影响的技术领域,将成为21世纪新的国民经济增长点和提高军事能力的重要技术途径。

微机电系统的优点是:体积小、重量轻、功耗低、耐用性好、价格低廉、性能稳定等。微机电系统的出现和发展是科学创新思维的结果,使微观尺度制造技术的演进与革命。微机电系统是当前交叉学科的重要研究领域,涉及电子工程、材料工程、机械工程、信息工程等多项科学技术工程,将是未来国民经济和军事科研领域的新增长点。

MEMS(微机电系统)最初大量用于汽车安全气囊,而后以MEMS传感器的形式被大量应用在汽车的各个领域,随着MEMS技术的进一步发展,以及应用终端“轻、薄、短、小”的特点,对小体积高性能的MEMS产品需求增势迅猛,消费电子、医疗等领域也大量出现了MEMS产品的身影。

MEMS的系统特点

1.微型化:MEMS器件体积小、重量轻、耗能低、惯性小、谐振频率高、响应时间短。

2.以硅为主要材料,机械电器性能优良:硅的强度、硬度和杨氏模量与铁相当,密度类似铝,热传导率接近钼和钨。

3.批量生产:用硅微加工工艺在一片硅片上可同时制造成百上千个微型机电装置或完整的MEMS。批量生产可大大降低生产成本。

4.集成化:可以把不同功能、不同敏感方向或致动方向的多个传感器或执行器集成于一体,或形成微传感器阵列、微执行器阵列,甚至把多种功能的器件集成在一起,形成复杂的微系统。微传感器、微执行器和微电子器件的集成可制造出可靠性、稳定性很高的MEMS。

5.多学科交叉:MEMS涉及电子、机械、材料、制造、信息与自动控制、物理、化学和生物等多种学科,并集约了当今科学技术发展的许多尖端成果。

MEMS发展的目标在于,通过微型化、集成化来探索新原理、新功能的元件和系统,开辟一个新技术领域和产业。MEMS可以完成大尺寸机电系统所不能完成的任务,也可嵌入大尺寸系统中,把自动化、智能化和可靠性水平提高到一个新的水平。21世纪MEMS将逐步从实验室走向实用化,对工农业、信息、环境、生物工程、医疗、空间技术、国防和科学发展产生重大影响。

微机电系统是微米大小的机械系统,其中也包括不同形状的三维平板印刷产生的系统。这些系统的大小一般在微米到毫米之间。在这个大小范围中日常的物理经验往往不适用。比如由于微机电系统的面积对体积比比一般日常生活中的机械系统要大得多,其表面现象如静电、润湿等比体积现象如惯性或热容量等要重要。它们一般是由类似于生产半导体的技术如表面微加工、体型微加工等技术制造的。其中包括更改的硅加工方法如压延、电镀、湿蚀刻、干蚀刻、电火花加工等等。微机电系统是指集微型传感器、执行器以及信号处理和控制电路、接口电路、通信和电源于一体的微型机电系统,是一个独立的智能系统。主要由传感器、作动器和微能源三大部分组成。微机电系统具有以下几个基本特点,微型化、智能化、多功能、高集成度。微机电系统。它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微机电系统。微机电系统涉及航空航天、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。微机电系统的制造工艺主要有集成电路工艺、微米/纳米制造工艺、小机械工艺和其他特种加工工种。微机电系统技术基础主要包括设计与仿真技术、材料与加工技术、封装与装配技术、测量与测试技术、集成与系统技术等。

特点

1.和半导体电路相同,使用刻蚀、光刻等制造工艺,不需要组装、调整;

2.进一步可以将机械可动部、电子线路、传感器等集成到一片硅板上;

3.它很少占用地方,可以在一般的机器人到不了的狭窄场所或条件恶劣的地方使用;

4.由于工作部件的质量小,高速动作可能;

5.由于它的尺寸很小,热膨胀等的影响小;

6.它产生的力和积蓄的能量很小,本质上比较安全。

优势

经济利益:

1.大批量的并行制造过程;

2.系统级集成;

3.封装集成;

4.与IC工艺兼容。

技术利益:

1.高精度;

2.重量轻,尺寸小;

3.高效能。

微型化

MEMS器件体积小,重量轻,耗能低,惯性小,谐振频率高,响应时间短。MEMS系统与一般的机械系统相比,不仅体积缩小,而且在力学原理和运动学原理,材料特性、加工、测量和控制等方面都将发生变化。在MEMS系统中,所有的几何变形是如此之小(分子级),以至于结构内应力与应变之间的线性关系(虎克定律)已不存在。MEMS器件中摩擦表面的摩擦力主要是由于表面之间的分子相互作用力引起的,而不是由于载荷压力引起。MEMS器件以硅为主要材料。硅的强度、硬度和杨氏模量与铁相当。密度类似于铝,热传导率接近铜和钨,因此MEMS器件机械电气性能优良。

批量生产

MEMS采用类似集成电路(IC)的生产工艺和加工过程,用硅微加工工艺在一硅片上可同时制造成百上千个微型机电装置或完整的MEMS。使MEMS有极高的自动化程度,批量生产可大大降低生产成本;而且地球表层硅的含量为2%。几乎取之不尽,因此MEMS产品在经济性方面更具竞争力。

集成化

MEMS可以把不同功能、不同敏感方向或制动方向的多个传感器或

执行器集成于一体,或形成微传感器阵列和微执行器阵列。甚至把多种功能的器件集成在一起,形成复杂的微系统。微传感器、微执行器和微电子器件的集成可制造出高可靠性和稳定性的微型机电系统。

方便扩展

由于MEMS技术采用模块设计,因此设备运营商在增加系统容量时只需要直接增加器件/系统数量,而不需要预先计算所需要的器件/系统数,这对于运营商是非常方便的。

学科交叉

集中了当今科学技术发展的许多尖端成果。通过微型化、集成化可以探索新原理、新功能的元件和系统,将开辟一个新技术领域。

应用领域

1.在喷墨打印机里作为压电元件

2.在汽车里作为加速规来控制碰撞时安全气囊防护系统的施用

3.在汽车里作为陀螺来测定汽车倾斜,控制动态稳定控制系统

4.在轮胎里作为压力传感器,在医学上测量血压

5.数字微镜芯片

6.在计算机网络中充当光交换系统,这是一个与智能灰尘技术的融合

7.设计微机电系统最重要的工具是有限元分析。

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