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MEMS 基礎知識
發布時間:2011-08-16 閱讀量:4900 來源:我愛方案網 作者:benchen
MEMS解釋
MEMS(Micro-Electro-Mechanical Systems)是微機電系統的縮寫。MEMS是美國的叫法,在日本被稱為微機械,在歐洲被稱為微系統。


MEMS主要包括微型機構、微型傳感器、微型執行器和相應的處理電路等幾部分,它是在融合多種微細加工技術,并應用現代信息技術的最新成果的基礎上發展起來的高科技前沿學科。
 
MEMS 技術的發展開辟了一個全新的技術領域和產業,采用MEMS技術制作的微傳感器、微執行器、微型構件、微機械光學器件、真空微電子器件、電力電子器件等在航 空、航天、汽車、生物醫學、環境監控、軍事以及幾乎人們所接觸到的所有領域中都有著十分廣闊的應用前景。MEMS技術正發展成為一個巨大的產業,就象近 20年來微電子產業和計算機產業給人類帶來的巨大變化一樣,MEMS也正在孕育一場深刻的技術變革并對人類社會產生新一輪的影響。目前MEMS市場的主導 產品為壓力傳感器、加速度計、微陀螺儀、墨水噴咀和硬盤驅動頭等。大多數工業觀察家預測,未來5年MEMS器件的銷售額將呈迅速增長之勢,年平均增加率約 為18%,因此對對機械電子工程、精密機械及儀器、半導體物理等學科的發展提供了極好的機遇和嚴峻的挑戰。

微機電系統MEMS是一種全新的必須同時考慮多種物理場混合作用的研發領域,相對于傳統的機械,它們的尺寸更小,最大的不超過一個厘米,甚至僅僅為幾個微米,其厚度就更加微小。采用以硅為主的材料,電氣性能優良,硅材料的強度、硬度和楊氏模量與鐵相當,密度與鋁類似,熱傳導率接近鉬和鎢。采用與集成電路 (IC)類似的生成技術,可大量利用IC生產中的成熟技術、工藝 ,進行大批量、低成本生產,使性價比相對于傳統“機械”制造技術大幅度提高。

完整的MEMS是由微傳感器、微執行器、信號處理和控制電路、通訊接口和電源等部件組成的一體化的微型器件系統。其目標是把信息的獲取、處理和執行集成在一起,組成具有多功能的微型系統,集成于大尺寸系統中,從而大幅度地提高系統的自動化、智能化和可靠性水平。

MEMS芯片外的封裝級設計考慮
MEMS器件的封裝形式是把基于MEMS的系統方案推向市場的關鍵因素。研究發現,當今基于MEMS的典型產品中,封裝成本幾乎占去了所有物料和組裝成 本的20%~40%。由于生產因素的影響,使得封裝之后的測試成本比器件級的測試成本更高,這就使MEMS產品的封裝選擇和設計更加重要。

MEMS器件設計團隊在開始每項設計前,以及貫穿在整個設計流程中都必須對封裝策略和如何折中進行考慮和給與極大的關注。許多MEMS產品供應商都會把產品封裝作為進行市場競爭的主要產品差異和競爭優勢。

MEMS封裝選擇規則
設計MEMS器件的封裝往往比設計普通集成電路的封裝更加復雜,這是因為工程師常常要遵循一些額外的設計約束,以及滿足工作在嚴酷環境條件下的需求。器件應該能夠在這樣的嚴苛環境下與被測量的介質非常明顯地區別開來。這些介質可能是像干燥空氣一樣溫和,或者像血液、散熱器輻射等一樣嚴苛。其他的介質還包括進行測量時的環境,例如,沖擊、震動、溫度變化、潮濕和EMI/RFI等。

首先,MEMS器件的封裝必須能夠和環境進行相互影響。例如,壓力傳感器的壓力輸入、血液處理器件的流體入口等。MEMS器件的封裝也必須滿足其他一些機械和散熱裕量要求。作為MEMS器件的輸出,可能是機械電機或壓力的變化,因此,封裝的機械寄生現象就有可能與器件的功能相互影響和干擾。
例如,在壓阻傳感器內,封裝應力就會影響傳感器的輸出。當封裝中不同材料混合使用時,它們的膨脹和收縮系數不同,因此,這些變化引起的應力就附加在傳感器的壓力值中。在光學MEMS器件中,由于沖擊、震動或熱膨脹等原因而產生的封裝應力會使光器件和光纖之間的對準發生偏移。在高精度加速度計和陀螺儀中,封裝需要和MEMS芯片隔離以優化性能。
 

 



MEMS產品應用
1.任天堂的Wii
搭載運動傳感器(Motion sensor)的 Wii 手柄采用了ST的3軸加速度傳感器。
2.Guitar Hero: World Tour
游戲吉他中使用了飛思卡爾公司的MMA7360L三軸加速計
3.iPhone
iPhone將使用MEMS陀螺儀,iPhone可以在很多應用中使用該技術,比如保齡球、高爾夫等運動游戲。
另外,該項技術還可以將iPhone和桌面PC游戲結合在一起。任天堂和索尼都已經使用該項技術做為和其它系統相連的游戲控制器,蘋果也已經將iPhone用作Mac筆記本的遙控設備,因此,我們可能很快就可以看到蘋果將iPhone用作PC上的游戲控制設備。
4.奧林巴斯數碼相機 u1050SW
奧林巴斯新近推出一款數碼相機,使用者可通過敲擊LCD顯示屏或機身外殼來改變設置、拍照和查 看拍攝的照片。例如,當使用者在滑雪坡道上拍照時,無需脫下手套即可操作相機。另外,該款隸屬“u-SW”系列的編號“u1050SW”的相機,具有增強 的防水、防塵和防撞擊特點。
5.MEMS麥克風
國內主要的MEMS麥克風生產廠家有:山東歌爾聲學、蘇州敏芯(Suzhou MEMSensing Microsystems)、深圳瑞聲(AAC Acoustic Technologies )
6.GPS輔助導航
MEMS壓力傳感器可以使GPS導航更精確,Sensor Platforms公司和其它供應商都在開發集成有MEMS航位推算功能的系統,這樣你的導航系統就可以跟隨你進入建筑物內(甚至是地鐵)而不迷路。其它 的開發者在開發把GPS、相機、MEMS傳感器集成在一個平臺,這樣導航系統不但知道使用者身處何處,還知道使用者看到些什么,這樣屏幕上的數據交互以確 定你尋找的建筑物。
7.噴墨打印機的噴墨頭
明基電通(BenQ)日前發表新一代應用微機電(MEMS)整合之噴墨單芯片產品,這是該公司自2005年起執行工業局前瞻應用主導性新產品計劃的研究成果,隨著新一代產品的開發完成,明基希望能藉此開拓更多打印機ODM代工的商業機會。
8.玩具
玩具也裝配有MEMS器件。在其動作傳感游戲桿之外,Jakks Pacific最近推出了一系列帶有動作傳感的加速度計的低價玩具,例如,仙女玩具組合中的帶有動作傳感的魔杖。
9.硬盤跌落保護
10.MEMS微型投影儀

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