微机电系统(MEMS, Micro-Electro-Mechanical System),也叫做微电子机械系统、
微系统、
微机械等,指尺寸在几毫米乃至更小的高科技装置。
概念解析
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、作动器(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×3mm×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。
概括起来,MEMS具有以下几个基本特点,微型化、智能化、多功能、高集成度和适于大批量生产。MEMS技术的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技术是一种典型的多学科交叉的前沿性研究领域,几乎涉及到自然及
工程科学的所有领域,如电子技术、机械技术、物理学、化学、
生物医学、
材料科学、
能源科学等。其研究内容一般可以归纳为以下三个基本方面: 1.理论基础: 在当前MEMS所能达到的尺度下,
宏观世界基本的物理规律仍然起作用,但由于尺寸缩小带来的影响(Scaling Effects),许多
物理现象与宏观世界有很大区别,因此许多原来的理论基础都会发生变化,如力的
尺寸效应、微结构的
表面效应、微观摩擦机理等,因此有必要对微动力学、微流体力学、微热力学、微
摩擦学、微光学和微结构学进行深入的研究。这一方面的研究虽然受到重视,但难度较大,往往需要多学科的学者进行
基础研究。2. 技术基础研究:主要包括微机械设计、微机械材料、
微细加工、微装配与封装、
集成技术、微测量等技术基础研究。3. 微机械在各学科领域的应用研究。
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。
发展历史
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:
80年代末研制出硅静电微马达
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
系统特点
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。
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;
⑥它产生的力和积蓄的能量很小,本质上比较安全。
优势
1.大批量的并行制造过程;
3.封装集成;
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。
主要分类
传感
传感MEMS技术是指用微电子
微机械加工出来的、用
敏感元件如电容、
压电、压阻、热电耦、
谐振、隧道电流等来感受转换
电信号的器件和系统。它包括速度、压力、湿度、
加速度、气体、磁、光、声、生物、化学等各种传感器,按种类分主要有:
面阵触觉传感器、谐振力敏感传感器、微型
加速度传感器、真空微电子传感器等。传感器的发展方向是阵列化、集成化、智能化。由于传感器是人类探索自然界的触角,是各种
自动化装置的
神经元,且应用领域广泛,未来将备受世界各国的重视。
生物
生物MEMS技术是用MEMS技术制造的化学/生物微型分析和检测芯片或仪器,有一种在衬底上制造出的微型驱动泵、微
控制阀、通道网络、样品处理器、混合池、计量、增扩器、
反应器、
分离器以及
检测器等元器件并集成为多
功能芯片。可以实现样品的进样、稀释、加试剂、混合、增扩、反应、分离、检测和
后处理等分析全过程。它把传统的分析实验室功能微缩在一个芯片上。生物MEMS系统具有微型化、集成化、智能化、成本低的特点。功能上有获取
信息量大、分析效率高、系统与外部连接少、实时通信、连续检测的特点。国际上生物MEMS的研究已成为热点,不久将为生物、
化学分析系统带来一场重大的革新。
光学
随着信息技术、光通信技术的迅猛发展,MEMS发展的又一领域是与光学相结合,即综合微电子、微机械、
光电子技术等
基础技术,开发新型
光器件,称为微光机电系统(MOEMS)。它能把各种MEMS结构件与
微光学器件、光波导器件、半导体
激光器件、光电检测器件等完整地集成在一起。形成一种全新的
功能系统。MOEMS具有体积小、成本低、可批量生产、可精确驱动和控制等特点。较成功的
应用科学研究主要集中在两个方面:
一是基于MOEMS的新型显示、投影设备,主要研究如何通过反射面的
物理运动来进行光的空间调制,典型代表为数字微镜阵列芯片和光栅
光阀:二是
通信系统,主要研究通过微镜的物理运动来控制光路发生预期的改变,较成功的有光开关
调制器、
光滤波器及
复用器等光通信器件。MOEMS是综合性和学科交叉性很强的高新技术,开展这个领域的科学技术研究,可以带动大量的新概念的
功能器件开发。
射频
射频MEMS技术传统上分为固定的和可动的两类。固定的MEMS器件包括本体微机械加工
传输线、
滤波器和
耦合器,可动的MEMS器件包括开关、
调谐器和
可变电容。按技术层面又分为由微机械开关、
可变电容器和电感
谐振器组成的基本器件层面;由
移相器、滤波器和
VCO等组成的组件层面;由单片
接收机、变波束雷达、
相控阵雷达天线组成的
应用系统层面。
随着时间的推移和技术的逐步发展,MEMS所包含的内容正在不断增加,并变得更加丰富。世界著名信息技术期刊《IEEE论文集》在1998年的MEMS专辑中将MEMS的内容归纳为:
集成传感器、微执行器和微系统。人们还把
微机械、微结构、灵巧传感器和
智能传感器归入MEMS范畴。制作MEMS的技术包括微电子技术和
微加工技术两大部分。微电子技术的主要内容有:氧化层生长、光刻
掩膜制作、光刻
选择掺杂(屏蔽扩散、
离子注入)、薄膜(层)生长、连线制作等。微加工技术的主要内容有:硅表面微加工和硅体微加工(
各向异性腐蚀、牺牲层)技术、晶片
键合技术、制作高深宽比结构的
LIGA技术等。利用微电子技术可制造集成电路和许多传感器。微加工技术很适合于制作某些
压力传感器、
加速度传感器、微泵、微阀、
微沟槽、微
反应室、微执行器、微机械等,这就能充分发挥微电子技术的优势,利用MEMS技术大批量、低成本地制造高可靠性的微小卫星。
MEMS技术是一个
新兴技术领域,主要属于
微米技术范畴。MEMS技术的发展
已经历了10多年时间,大都基于
现有技术,用由大到小的技术途径制作出来的,发展了一批新的集成器件,大大提高了器件的功能和效率,已显示出了巨大的生命力。MEMS技术的发展有可能会像微电子一样,对科学技术和人类生活产生革命性的影响,尤其对微小卫星的发展影响更加深远,必将为
大批量生产低成本高可靠性的微小卫星打开大门。
应用领域
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
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
数字微镜芯片
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
相关技术
微机电系统有多种原材料和制造技术,选择条件是系统的应用、市场等等。
硅
硅是用来制造
集成电路的主要原材料。由于在
电子工业中已经有许多实用硅制造极小的结构的经验,硅也是微机电系统非常常用的原材料。硅的物质特性也有一定的优点。
单晶体的硅遵守
胡克定律,几乎没有
弹性滞后的现象,因此几乎不耗能,其
运动特性非常可靠。此外硅不易折断,因此非常可靠,其
使用周期可以达到上兆次。一般微机电系统的
生产方式是在基质上堆积物质层,然后使用
平板印刷和蚀刻的方法来让它形成各种需要的结构。
表面微加工
深层刻蚀
深层刻蚀如深层反应离子刻蚀技术向硅芯片内部刻蚀。刻蚀到芯片内部的一个牺牲层。这个牺牲层在刻蚀完成后被腐蚀掉,这样本来埋在芯片内部的结构就可以自由运动了。
体型微加工
体型微加工与深层刻蚀类似,是另一种去除硅的方法。一般体型微加工使用
碱性溶液如
氢氧化钾来腐蚀平板印刷后留下来的硅。这些碱溶液腐蚀时的
相对各向异性非常强,沿一定的
晶体方向的腐蚀
速度比其它的高1000倍。这样的过程往往用来腐蚀v状的沟。假如选择的原材料的
晶向足够精确的话这样的沟的边可以非常平。
虽然电子工业对硅加工的经验是非常丰富和宝贵的,并提供了很大的
经济性,但是纯的硅依然是非常昂贵的。高分子材料非常便宜,而且其性能各种各样。使用注射成形、压花、立体
光固化成形等技术也可以使用高分子材料制造微机电系统,这样的系统尤其有利于微液体应用,比如可携测血装置等。
金属
金属也可以用来制造微机电系统。虽然比起硅来金属缺乏其良好的
机械特性,但是在金属的适用范围内它非常可靠。
技术基础
MEMS的技术基础可以分为以下几个方面:
(2)材料与加工技术
(3)封装与装配技术;
(4)测量与测试技术;
应用研究
人们不仅要开发各种制造MEMS的技术,更重要的是如何将MEMS技术与
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
应用领域相结合,制作出符合各领域要求的
微传感器、微执行器、微结构等MEMS器件与系统。
微机电系统在
生物医学方面的一个应用----胶囊式
内窥镜系统。胶囊式内窥镜系统在
低功耗数模
混合集成电路芯片解决方案、低功耗SOC
系统设计、射频无线启动开关、医学图像处理以及高清
数字视频的研发等方面。
微电系统在医疗器械中的应用包括
生命体征监测器械、
心血管疾病治疗器械和其他医疗器械(如
人工耳蜗、
腹腔镜抓手等)等器械设备的应用中。
大方向有三类:
RF MEMS;射频,比如relay,switch,
可变电容,
谐振器……BIO-MEMS;生物,比如
微全分析系统。POWER MEMS.微能量采集,比如微马达。