一文詳解MSMS

MEMS全稱Micro Electromechanical System，微機電系統(tǒng)。是指尺寸在幾毫米乃至更小的高科技裝置，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)一般在微米甚至納米量級，是一個獨立的智能系統(tǒng)。主要由傳感器、動作器(執(zhí)行器)和微能源三大部分組成。微機電系統(tǒng)涉及物理學(xué)、半導(dǎo)體、光學(xué)、電子工程、化學(xué)、材料工程、機械工程、醫(yī)學(xué)、信息工程及生物工程等多種學(xué)科和工程技術(shù)，為智能系統(tǒng)、消費電子、可穿戴設(shè)備、智能家居、系統(tǒng)生物技術(shù)的合成生物學(xué)與微流控技術(shù)等領(lǐng)域開拓了廣闊的用途。常見的產(chǎn)品包括MEMS加速度計、MEMS麥克風(fēng)、微馬達、微泵、微振子、MEMS壓力傳感器、MEMS陀螺儀、MEMS濕度傳感器等以及它們的集成產(chǎn)品。

MEMS是一個獨立的智能系統(tǒng)，可大批量生產(chǎn)，其系統(tǒng)尺寸在幾毫米乃至更小，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)一般在微米甚至納米量級。例如，常見的MEMS產(chǎn)品尺寸一般都在3mmTImes;3mmTImes;1.5mm，甚至更小。

微機電系統(tǒng)在國民經(jīng)濟和軍事系統(tǒng)方面將有著廣泛的應(yīng)用前景。主要民用領(lǐng)域是電子、醫(yī)學(xué)、工業(yè)、汽車和航空航天系統(tǒng)。

美國已研制成功用于汽車防撞和節(jié)油的微機電系統(tǒng)加速度表和傳感器，可提高汽車的安全性，節(jié)油10%。僅此一項美國國防部系統(tǒng)每年就可節(jié)約幾十億美元的汽油費。微機電系統(tǒng)在航空航天系統(tǒng)的應(yīng)用可大大節(jié)省費用，提高系統(tǒng)的靈活性，并將導(dǎo)致航空航天系統(tǒng)的變革。在軍事應(yīng)用方面，美國國防部高級研究計劃局正在進行把微機電系統(tǒng)應(yīng)用于個人導(dǎo)航用的小型慣性測量裝置、大容量數(shù)據(jù)存儲器件、小型分析儀器、醫(yī)用傳感器、光纖網(wǎng)絡(luò)開關(guān)、環(huán)境與安全監(jiān)測用的分布式無人值守傳感等方面的研究。該局已演示以微機電系統(tǒng)為基礎(chǔ)制造的加速度表，它能承受火炮發(fā)射時產(chǎn)生的近10.5個重力加速度的沖擊力，可以為非制導(dǎo)彈藥提供一種經(jīng)濟的制導(dǎo)系統(tǒng)。設(shè)想中的微機電系統(tǒng)的軍事應(yīng)用還有：化學(xué)戰(zhàn)劑報警器、敵我識別裝置、靈巧蒙皮、分布式戰(zhàn)場傳感器網(wǎng)絡(luò)等。

MEMS的發(fā)展歷史

1.編輯微機電系統(tǒng)是從微傳感器發(fā)展而來的，已有幾次突破性的進展：

2.70年代微機械壓力傳感器產(chǎn)品問世

3.80年代末研制出硅靜電微馬達

4.90年代噴墨打印頭，硬盤讀寫頭、硅加速度計和數(shù)字微鏡器件等相繼規(guī)?；a(chǎn)

5.充分展示了微系統(tǒng)技術(shù)及其微系統(tǒng)的巨大應(yīng)用前景

MEMS的系統(tǒng)優(yōu)點

微機電系統(tǒng)是微電路和微機械按功能要求在芯片上的集成，尺寸通常在毫米或微米級，自八十年代中后期崛起以來發(fā)展極其迅速，被認為是繼微電子之后又一個對國民經(jīng)濟和軍事具有重大影響的技術(shù)領(lǐng)域，將成為21世紀新的國民經(jīng)濟增長點和提高軍事能力的重要技術(shù)途徑。

微機電系統(tǒng)的優(yōu)點是：體積小、重量輕、功耗低、耐用性好、價格低廉、性能穩(wěn)定等。微機電系統(tǒng)的出現(xiàn)和發(fā)展是科學(xué)創(chuàng)新思維的結(jié)果，使微觀尺度制造技術(shù)的演進與革命。微機電系統(tǒng)是當前交叉學(xué)科的重要研究領(lǐng)域，涉及電子工程、材料工程、機械工程、信息工程等多項科學(xué)技術(shù)工程，將是未來國民經(jīng)濟和軍事科研領(lǐng)域的新增長點。

MEMS(微機電系統(tǒng))最初大量用于汽車安全氣囊，而后以MEMS傳感器的形式被大量應(yīng)用在汽車的各個領(lǐng)域，隨著MEMS技術(shù)的進一步發(fā)展，以及應(yīng)用終端“輕、薄、短、小”的特點，對小體積高性能的MEMS產(chǎn)品需求增勢迅猛，消費電子、醫(yī)療等領(lǐng)域也大量出現(xiàn)了MEMS產(chǎn)品的身影。

MEMS的系統(tǒng)特點

1.微型化：MEMS器件體積小、重量輕、耗能低、慣性小、諧振頻率高、響應(yīng)時間短。

2.以硅為主要材料，機械電器性能優(yōu)良：硅的強度、硬度和楊氏模量與鐵相當，密度類似鋁，熱傳導(dǎo)率接近鉬和鎢。

3.批量生產(chǎn)：用硅微加工工藝在一片硅片上可同時制造成百上千個微型機電裝置或完整的MEMS。批量生產(chǎn)可大大降低生產(chǎn)成本。

4.集成化：可以把不同功能、不同敏感方向或致動方向的多個傳感器或執(zhí)行器集成于一體，或形成微傳感器陣列、微執(zhí)行器陣列，甚至把多種功能的器件集成在一起，形成復(fù)雜的微系統(tǒng)。微傳感器、微執(zhí)行器和微電子器件的集成可制造出可靠性、穩(wěn)定性很高的MEMS。

5.多學(xué)科交叉：MEMS涉及電子、機械、材料、制造、信息與自動控制、物理、化學(xué)和生物等多種學(xué)科，并集約了當今科學(xué)技術(shù)發(fā)展的許多尖端成果。

MEMS發(fā)展的目標在于，通過微型化、集成化來探索新原理、新功能的元件和系統(tǒng)，開辟一個新技術(shù)領(lǐng)域和產(chǎn)業(yè)。MEMS可以完成大尺寸機電系統(tǒng)所不能完成的任務(wù)，也可嵌入大尺寸系統(tǒng)中，把自動化、智能化和可靠性水平提高到一個新的水平。21世紀MEMS將逐步從實驗室走向?qū)嵱没?，對工農(nóng)業(yè)、信息、環(huán)境、生物工程、醫(yī)療、空間技術(shù)、國防和科學(xué)發(fā)展產(chǎn)生重大影響。

微機電系統(tǒng)是微米大小的機械系統(tǒng)，其中也包括不同形狀的三維平板印刷產(chǎn)生的系統(tǒng)。這些系統(tǒng)的大小一般在微米到毫米之間。在這個大小范圍中日常的物理經(jīng)驗往往不適用。比如由于微機電系統(tǒng)的面積對體積比比一般日常生活中的機械系統(tǒng)要大得多，其表面現(xiàn)象如靜電、潤濕等比體積現(xiàn)象如慣性或熱容量等要重要。它們一般是由類似于生產(chǎn)半導(dǎo)體的技術(shù)如表面微加工、體型微加工等技術(shù)制造的。其中包括更改的硅加工方法如壓延、電鍍、濕蝕刻、干蝕刻、電火花加工等等。微機電系統(tǒng)是指集微型傳感器、執(zhí)行器以及信號處理和控制電路、接口電路、通信和電源于一體的微型機電系統(tǒng)，是一個獨立的智能系統(tǒng)。主要由傳感器、作動器和微能源三大部分組成。微機電系統(tǒng)具有以下幾個基本特點，微型化、智能化、多功能、高集成度。微機電系統(tǒng)。它是通過系統(tǒng)的微型化、集成化來探索具有新原理、新功能的元件和系統(tǒng)微機電系統(tǒng)。微機電系統(tǒng)涉及航空航天、信息通信、生物化學(xué)、醫(yī)療、自動控制、消費電子以及兵器等應(yīng)用領(lǐng)域。微機電系統(tǒng)的制造工藝主要有集成電路工藝、微米/納米制造工藝、小機械工藝和其他特種加工工種。微機電系統(tǒng)技術(shù)基礎(chǔ)主要包括設(shè)計與仿真技術(shù)、材料與加工技術(shù)、封裝與裝配技術(shù)、測量與測試技術(shù)、集成與系統(tǒng)技術(shù)等。

特點

1.和半導(dǎo)體電路相同，使用刻蝕、光刻等制造工藝，不需要組裝、調(diào)整;

2.進一步可以將機械可動部、電子線路、傳感器等集成到一片硅板上;

3.它很少占用地方，可以在一般的機器人到不了的狹窄場所或條件惡劣的地方使用;

4.由于工作部件的質(zhì)量小，高速動作可能;

5.由于它的尺寸很小，熱膨脹等的影響小;

6.它產(chǎn)生的力和積蓄的能量很小，本質(zhì)上比較安全。

優(yōu)勢

經(jīng)濟利益：

1.大批量的并行制造過程;

2.系統(tǒng)級集成;

3.封裝集成;

4.與IC工藝兼容。

技術(shù)利益：

1.高精度;

2.重量輕，尺寸小;

3.高效能。

微型化

MEMS器件體積小，重量輕，耗能低，慣性小，諧振頻率高，響應(yīng)時間短。MEMS系統(tǒng)與一般的機械系統(tǒng)相比，不僅體積縮小，而且在力學(xué)原理和運動學(xué)原理，材料特性、加工、測量和控制等方面都將發(fā)生變化。在MEMS系統(tǒng)中，所有的幾何變形是如此之小(分子級)，以至于結(jié)構(gòu)內(nèi)應(yīng)力與應(yīng)變之間的線性關(guān)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間的分子相互作用力引起的，而不是由于載荷壓力引起。MEMS器件以硅為主要材料。硅的強度、硬度和楊氏模量與鐵相當。密度類似于鋁，熱傳導(dǎo)率接近銅和鎢，因此MEMS器件機械電氣性能優(yōu)良。

批量生產(chǎn)

MEMS采用類似集成電路(IC)的生產(chǎn)工藝和加工過程，用硅微加工工藝在一硅片上可同時制造成百上千個微型機電裝置或完整的MEMS。使MEMS有極高的自動化程度，批量生產(chǎn)可大大降低生產(chǎn)成本;而且地球表層硅的含量為2%。幾乎取之不盡，因此MEMS產(chǎn)品在經(jīng)濟性方面更具競爭力。

集成化

MEMS可以把不同功能、不同敏感方向或制動方向的多個傳感器或

執(zhí)行器集成于一體，或形成微傳感器陣列和微執(zhí)行器陣列。甚至把多種功能的器件集成在一起，形成復(fù)雜的微系統(tǒng)。微傳感器、微執(zhí)行器和微電子器件的集成可制造出高可靠性和穩(wěn)定性的微型機電系統(tǒng)。

方便擴展

由于MEMS技術(shù)采用模塊設(shè)計，因此設(shè)備運營商在增加系統(tǒng)容量時只需要直接增加器件/系統(tǒng)數(shù)量，而不需要預(yù)先計算所需要的器件/系統(tǒng)數(shù)，這對于運營商是非常方便的。

學(xué)科交叉

集中了當今科學(xué)技術(shù)發(fā)展的許多尖端成果。通過微型化、集成化可以探索新原理、新功能的元件和系統(tǒng)，將開辟一個新技術(shù)領(lǐng)域。

應(yīng)用領(lǐng)域

1.在噴墨打印機里作為壓電元件

2.在汽車里作為加速規(guī)來控制碰撞時安全氣囊防護系統(tǒng)的施用

3.在汽車里作為陀螺來測定汽車傾斜，控制動態(tài)穩(wěn)定控制系統(tǒng)

4.在輪胎里作為壓力傳感器，在醫(yī)學(xué)上測量血壓

5.數(shù)字微鏡芯片

6.在計算機網(wǎng)絡(luò)中充當光交換系統(tǒng)，這是一個與智能灰塵技術(shù)的融合

7.設(shè)計微機電系統(tǒng)最重要的工具是有限元分析。