5分鐘帶你了解什么是MEMS

　　或許MEMS技術(shù)的一個(gè)最有趣特性是設(shè)計(jì)師得以展示在如此小規(guī)模的物理域中發(fā)掘物理獨(dú)特性的能力——這一主題隨后將再次談及。

　　圖2：簡化的MEMS加速度計(jì)

　　MEMS現(xiàn)狀

　　基于各種原因，許多MEMS產(chǎn)品在商業(yè)上取得了巨大成功，其中許多器件已經(jīng)獲得廣泛應(yīng)用。汽車工業(yè)是MEMS技術(shù)的主要驅(qū)動力之一。例如MEMS振動結(jié)構(gòu)陀螺儀，是一款新的相當(dāng)便宜的設(shè)備，目前用于汽車防滑或電子穩(wěn)定控制系統(tǒng)中。村田電子的SCX系列MEMS加速度計(jì)、陀螺儀和傾斜儀，以及將這些功能集成在一個(gè)單芯片中可助力特定的汽車應(yīng)用---因?yàn)樗鼈兊木纫罂赡軙浅８?。基于MEMS的氣囊傳感器自上世紀(jì)90年代起在幾乎所有汽車中已經(jīng)普遍取代了機(jī)械式碰撞傳感器。圖2顯示了一個(gè)簡化的MEMS加速度計(jì)示例，同碰撞傳感器中使用的類似。一個(gè)帶有一定質(zhì)量塊的懸臂梁連接到一個(gè)或多個(gè)固定點(diǎn)以作為彈簧。當(dāng)傳感器沿梁的軸線加速時(shí)，該梁會移動一段距離，這段距離可以通過梁的“牙齒”與外部固定導(dǎo)體之間的電容變化來測量。

　　許多商用和工業(yè)用噴墨打印機(jī)使用基于MEMS技術(shù)的打印機(jī)噴頭，保持這些墨滴并在需要時(shí)精確地放下這些墨滴——這一技術(shù)被稱為按需投放(DoD)。墨滴放置在橫跨壓電材料(比如 lead zirconatetitanate，)組成的元件中，通過施加的電壓來進(jìn)行擠壓。這增加了打印頭墨水室的壓力，通過施力形成一個(gè)非常小量(相對壓縮)的墨水，并從噴嘴中噴出。

　　圖3：基于MEMS按需投放的打印機(jī)頭

　　與此同時(shí)，其它一些MEMS技術(shù)才剛開始大規(guī)模進(jìn)入市場。微機(jī)械繼電器(MMR)，比如歐姆龍開發(fā)的，這種繼電器更快，更高效，其集成度前所未有。歐姆龍發(fā)揮了自己的微機(jī)電系統(tǒng)專業(yè)優(yōu)勢，為市場帶來新款溫度傳感器：D6T非接觸式MEMS溫度傳感器。該D6TMEMS制作過程中集成了ASIC和熱電堆元件，所以這種小型化的非接觸式溫度傳感器大小僅為18×14×8.8毫米(4x4元件類型)。

　　當(dāng)然，當(dāng)前的MEMS技術(shù)不限于單個(gè)傳感器器件，考慮一下人的感官：單只眼帶給我們顏色、運(yùn)動和(一些)位置信息，而兩只眼睛將帶來雙眼視覺，改善立體感知。事實(shí)上，我們的許多感知體驗(yàn)需要感官的組合，這樣的感知才是最終有意義的。我們的思路是，通過將傳感數(shù)據(jù)組合起來，可以彌補(bǔ)單個(gè)感官器官的弱點(diǎn)和缺點(diǎn)，并達(dá)到某種程度上最佳的環(huán)境理解。在人類領(lǐng)域，這就是所謂的“多通道整合”;而在電子領(lǐng)域，這就是所謂的傳感器融合。傳感器融合，特別是當(dāng)它涉及到MEMS時(shí)，是移動設(shè)備中傳感器技術(shù)的一個(gè)重要的進(jìn)展。許多制造商已經(jīng)開始提供完整的解決方案，如飛思卡爾面向Win8的12軸Xtrinsic傳感器平臺。該平臺集成了3軸加速度計(jì)，3軸磁力計(jì)，壓力傳感器，3軸陀螺儀，環(huán)境光傳感器，并帶有一個(gè)ColdFire + MCU，以提供一個(gè)完全硬件解決方案——還打包提供專用的傳感器融合軟件。

　　隨著MEMS器件的優(yōu)勢獲得認(rèn)可，MEMS市場步伐也在持續(xù)加快。據(jù)YoleDéveloppement2012年MEMS產(chǎn)業(yè)報(bào)告中所述，在接下來6年，MEMS“將繼續(xù)保持平穩(wěn)、持續(xù)的兩位數(shù)增長”，2017年全球市場價(jià)值將達(dá)到210億美元。

　　MEMS設(shè)計(jì)與制造

　　“有趣的是，這樣小的機(jī)器會遇到什么問題。首先，如果各部分壓力維持相同程度，力隨面積減小而變化，這樣重量以及慣性等將相對無足輕重。換句話說，材料的強(qiáng)度所占比重將增加。比如，隨著我們減小尺寸，除非旋轉(zhuǎn)速度同比增加，飛輪離心力導(dǎo)致的壓力和膨脹才能維持相同比例?！?/p>

　　——理查德·費(fèi)曼，“底部仍然存在充足的空間”

　　縮放和小型化

　　MEMS 設(shè)計(jì)和制造的介紹往往起始于對縮放和小型化的回顧。例如，如果我們問，為什么不能簡單地將一個(gè)空氣壓縮機(jī)或吊扇收縮到跳蚤大小的規(guī)模?答案是壓縮定律。跳蚤大小的吊扇與一個(gè)1000倍大的正常大小的風(fēng)扇的運(yùn)行方式不同，因?yàn)樗婕傲χg的相互強(qiáng)度發(fā)生了變化。比例因子，S，有助于理解這中間發(fā)生了什么變化。

　　考慮一個(gè)矩形，其面積等于長度和寬度的乘積;如果矩形按比例因子縮小100(即長度/ 100和寬度/ 100)，該矩形的面積縮小為原來(1/100)^2= 1/10000。因此，面積的比例因子是S2。同樣，體積的比例因子是S3——因此隨著縮放越來越小，體積的影響比表面(面積)的影響更大。

　　在一個(gè)給定的規(guī)模上，謹(jǐn)慎考慮不同力的比例因子可以揭示其中最相關(guān)的物理現(xiàn)象。表面張力的比例因子是S1，壓力以及靜電相關(guān)的力是S2，磁場力是S3，以及重力為S4。這就解釋了水黽(或“水臭蟲”)為什么可以在水面上行走，以及為何一對滾球軸承的表現(xiàn)與一個(gè)雙星系統(tǒng)不同。雖然任何設(shè)計(jì)中都須要開發(fā)完整的數(shù)學(xué)模型，但比例因子有助于指導(dǎo)我們?nèi)绾卧O(shè)計(jì)MEMS大小的器件。