MEMS技术及应用浅谈

前言:MEMS是Micro Electro Mechanical System，的英文缩写，也叫微电子机械系统.它的出现可追溯到19世纪.20世纪60年代美国人首先研发出了结晶异方向腐蚀、阳极键合等早期的基本微加工技术。到了70年代，也是美国人提出了基于硅半导体的所谓微机械的设想。伴随着半导体加工技术的不断进步，人们开始利用微加工技术制造出各种微小尺寸的机械零部件。微机电研究的真正兴起则始于1987年，其标志是直径为lOum的硅微马达(转子直径120微米，电容间隙2微米)在加州大学伯克利分校的研制成功，这引起了世界的轰动，1989年，又是由美国科学家率先提出了“微电子技术应用于电机系统”的慨念。由此，MEMS成为微机械等领域的世界性学术用语，MEMS技术的研究也成为机械等领域的热门话题。

MEMS技术是建立在微米/纳米技术基础上的前沿技术，它是指对微米/纳米级上的材料进行设计、加工、制造、测量和控制等。它不仅能采集、处理与发送信息或指令，还能按照所获取的信息自主地或根据外部的指令采取行动.它可将机械构件、驱动部件、光学系统、电控系统集成为一个整体单元的微型系统。它用微电子技术和微加工技术(如硅体微加工、硅表面微加工、LIGA和晶片键合等)相结合的制造工艺，制造出各种性能优异、价格低廉、微型化的传感器、执行器、驱动器和微系统。

就定义而言，MEMS是感知、计算和执行的融合。它为什么这么重要?从根木上说，MEMS把电子技术与机械特性有机地结合了起来.它可以同时实现物理、化学、生物等方面的功能，因为它能同时发生化学反应以及电作用。实质上它是终极的片上系统，是科学和技术的终极融合，而且生物也可以与之兼容。基于MEMS技术的优良特性，它已经或者说正在被应用于各个领域的研究与发展。如今，它已渗透到物理、机械、生物工程、医学、光学、材料工程、电子工程等等方面。

LMEMS的定义:

MEMS(微机电系统)到目前为止国际上还没有它的统一的定义，但一般来说，MEMS是指可以采用微电子批量加工工艺制造的，集微型机构、微型传感器、微型致动器以及信号处理和控制电路、接口、通讯和电源等部件于一体的微型系统。通常，它包括微型传感器、执行器和相应的处理电路这三个部分。MEMS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.

MEMS的主要特点主要有:微型化、智能化、多功能、高度集成以及始于大批量生产。其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是一门典型的多学科交叉的前沿性研究领域。而其研究内容通常可分为三个方面:(1) MEMS的理论基础:这是因为在当今MEMS所能达到的尺寸水平下，宏观世界的物理规律还能起作用。但有很大的区别。因此这一方面的研究具有很大的难度;(2) MEMS的的技术基础:主要包括设计与仿真技术、材料与加工技术、装配技术、测量与测试技术以及集成系统技术等;(3) MEMS的应用研究:人们不仅要探究制造MEMS的各种技术，更为重要的是如何将MEMS与我们所关心和关注的领域相结合，制造出符合各个领域需求的MEMS产品。

下面我将浅谈一些关于MEMS的应用。

2.MEMS的应用:

2.1.MEMS在医疗与生物领域的应用:

(1)基因分析和遗传诊断

传统的基因分析方法所使用的仪器体积庞大，费时费钱.而随着MEMS技术的高速发展，采用微加工技术制造出的基因分析仪器，在工作时间、样品数量以及费用支出上都将很大积度地减少.在遗传诊断方面，细胞融合系统已经实现了DNA分子的操作，而基于DNA水平的相关操作仪器也已经在研究开发之中。

(2)介入治疗

近年来，国际医疗水平飞速发展，介入治疗这一全新的技术也被引进并以迅猛的姿态向前发展，其在医疗领域的地位越来越重要。与传统治疗技术相比它具有治疗效果好，让病人痛苦少等优点。但是现有的介入治疗仪器价格昂贵、体积大，而且仪器要进入病人体内进行操作，而医生只能在体外工作，因此其具有一定的风险，不能够很好地保证其准确性。而由MEMS技术所制造的仪器体积小，高度智能化，便于操作，能在很大程度上提高治疗的准确性和效果.降低治疗成本。

2.2MEMS技术在汽车和机械工业上的应用:

(1)压力传感器

汽车及机械工业是MEMS技术的主要应用领域之一，而在汽车工业中，发动机控制模块又是最早使用MEMS技术的部分.谈到这个部分，压力传感器则是必不可少的东西。目前市面上的MEMS传感器主要有硅压阻式压力传感器和硅电容式压力传感器，这二者都是在硅片上生成的微机电传感器。硅压阻式压力传感器是采用高精密半导体电阻应变片组成惠斯顿电桥作为力电变换测量电路的，具有较高的测量精度、较低的功耗，极低的成本。惠斯顿电桥的压阻式传感器，如无压力变化，其输出为零.几乎不耗电。

MEMS压力传感器广泛应用于汽车电子工业，如轮胎检测与监测系统、发动机机油压力传感器、汽车刹车系统空气压力传感器等。除此之外，我们平常所使用的消费电子器具如洗衣机、电冰箱、微波炉、吸尘器、烤箱、洗衣机、饮水机、洗碗机、太阳能热水器用等都采用了压力传感器。

 

(2) MEMS加速计

随着社会的进步,人们的消费需求越来越高，而MEMS技术在手机和PDA中的使用率正在提高，目前市场上采用MEM加速计的手机等产品越来越多。手机中的MEMS加速计能够使人机界面变得更简单、更直观，通过手的动作就可以操作界面功能，全面增强了用户的使用体验。MEMS技术在手机等设备中的应用之所以如此受欢迎主要原因是因为有了MEMS加速计，只要把设备向某一方向倾斜，就能在小屏幕上详细查看地图，显示放大的图像。MEMS还能检测到用户抖动手机和MP3播放器的动作，这个简单的手势可以让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欢迎呢?

(3) MEMS陀螺仪

如大家所知道的，陀螺仪能够测量沿一个轴或几个轴运动的角速度，它是一门补充MEMS加速计功能的理想技术。实际上，如果将加速计和陀螺仪这两种传感器组合起来使用，系统设计人员就可以跟踪并捕捉三维空间的完整运动，为用户提供现场感更强的用户使用体验、精确的导航系统以及其它功能。下面，我先简单地介绍一下MEMS陀螺仪的原理:

MEMS陀螺仪是利用科里奥效应侧量运动物体的角速率的，根据科里奥效应，当一个物体沿速度方向运动且施加角旋转速率时，该物体受到一个固定方向的力。然后，从一个电容感应结构就可以测到科里奥效应最终所产生的物理位移。而目前市面上多用的MEMS陀螺仪采用一种调音叉结构，这种结构由两个振动并不断地做反向运动的物体组成。当施加角速率时，每个物体上的科里奥效应产生相反方向的力，从而引起电容变化。电容差值与角速率成正比，如果是模拟陀螺仪，电容差值转换成电压输出信号;如果是数字陀螺仪，则转换成最低有效位。如果在两个物体上施加线性加速度，这两个物体则向同一方向运动，因此，不会检测到电容变化。陀螺仪将输出零速率输出值或最低有效位，表示MEMS陀螺仪对倾斜、撞击或振动等线性加速度不敏感。

系统方面，陀螺仪的信号调节电路可简化为电机驱动部分和加速传感器感应电路两部分:

一是电机驱动部分通过静电驱动方法，使机械元件前后振荡，产生谐振:二是感应部分通过测量电容变化来测量科里奥利力在感应质点上产生的位移，这是一个稳健、可靠的技术，被成功地用于ST的MEMS产品线，能够提供强度与施加在传感器上的角速率成正比的模拟或数字信号。而MEMS陀螺仪的目标应用有:在汽车上，偏航陀螺仪可以开启电子稳定控制制动系统，防止汽车急转弯时发生意外事故。当汽车出现翻滚状况时，滚转陀螺仪可以引爆安全气囊;当汽车导航系统无法接收GPS卫星信号时，偏航陀螺仪能够侧量汽车的方位，使汽车始终沿电子地图的规划路线行驶，这个功能被称之为航位推测系统;偏航陀螺仪还能用于室内机器人控制;安装在机器人四肢上的多路惯性测量单元((IMU)能够跟踪和监侧身体运动;IMU还能用于运动控制式游戏平台;IMU配合磁力计和GPS接收器，可以在手持设备上执行个人导航功能.

3.结语:

MEMS技术是在微电子技术基础上结合精密机械技术发展起来的一个新的科学技术领域，且是一个独立的智能系统。它的应用领域十分的宽广，必将在现在和将来的发展中对人类的进步和发展提供不可磨灭的支撑作用，将成为推动世界进步的又一有力武器。而现在MEMS技术早已经有了成功的事例.这样一个事实让我们对于它的发展前景有了进一步的期待和信心。对于致力于MEMS技术研究的工程师门来说.MEMS技术的研究充满了希望与挑战，期待着有朝一日我们能看见MEMS技术的最终成熟。