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技術概述

MEMS傳感器

微機電系統(MEMS, Micro-Electro-Mechanical System)是一種先進的制造技術平臺。它是以半導體制造技術為基礎發展起來的。MEMS技術采用了半導體技術中的光刻、腐蝕、薄膜等一系列的現有技術和材料,因此從制造技術本身來講,MEMS中基本的制造技術是成熟的。但MEMS更側重于超精密機械加工,并要涉及微電子、材料、力學、化學、機械學諸多學科領域。它的學科面也擴大到微尺度下的力、電、光、磁、聲、表面等物理學的各分支。

微機電系統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展極其迅速,被認為是繼微電子之后又一個對國民經濟和軍事具有重大影響的技術領域,將成為21世紀新的國民經濟增長點和提高軍事能力的重要技術途徑。

微機電系統的優點是:體積小、重量輕、功耗低、耐用性好、價格低廉、性能穩定等優點。微機電系統的出現和發展是科學創新思維的結果,使微觀尺度制造技術的演進與革命。微機電系統是當前交叉學科的重要研究領域,涉及電子工程、材料工程、機械工程、信息工程等多項科學技術工程,將是未來國民經濟和軍事科研領域的新增長點。
MEMS(微機電系統)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用在汽車的各個領域,隨著MEMS技術的進一步發展,以及應用終端“輕、薄、短、小”的特點,對小體積高性能的MEMS產品需求增勢迅猛,消費電子、醫療等領域也大量出現了MEMS產品的身影。

MEMS制造工藝是下至納米尺度,上至毫米尺度微結構加工工藝的通稱。廣義上的MEMS制造工藝,方式十分豐富,幾乎涉及了各種現代加工技術。起源于半導體和微電子工藝,以光刻、外延、薄膜淀積、氧化、擴散、注入、濺射、蒸鍍、刻蝕、劃片和封裝等為基本工藝步驟來制造復雜三維形體的微加工技術。

MEMS的特點


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

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

3.批量生產: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。批量生產可大大降低生產成本。

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行器集成于一體,或形成微傳感器陣列、微執行器陣列,甚至把多種功能的器件集成在一起,形成復雜的微系統。微傳感器、微執行器和微電子器件的集成可制造出可靠性、穩定性很高的MEMS。

5.多學科交叉:MEMS涉及電子、機械、材料、制造、信息與自動控制、物理、化學和生物等多種學科,并集約了當今科學技術發展的許多尖端成果。

MEMS發展的目標在于,通過微型化、集成化來探索新原理、新功能的元件和系統,開辟一個新技術領域和產業。MEMS可以完成大尺寸機電系統所不能完成的任務,也可嵌入大尺寸系統中,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實用化,對工農業、信息、環境、生物工程、醫療、空間技術、國防和科學發展產生重大影響。

主要分類

  • 傳感
    傳感MEMS技術指用微電子微機械加工出來的、用敏感元件如電容、壓電、壓阻、熱電耦、諧振、隧道電流等來感受轉換電信號的器件和系統。它包括速度、壓力、濕度、加速度、氣體、磁、光、聲、生物、化學等各種傳感器,按種類分主要有:面陣觸覺傳感器、諧振力敏感傳感器、微型加速度傳感器、真空微電子傳感器等。傳感器的發展方向是陣列化、集成化、智能化。由傳感器是人類探索自然界的觸角,是各種自動化裝置的神經元,且應用領域廣泛,未來將備受世界各國的重視。

  • 生物
    生物MEMS技術是用MEMS技術制造的化學/生物微型分析和檢測芯片或儀器,有一種在襯底上制造出的微型驅動泵、微控制閥、通道網絡、樣品處理器、混合池、計量、增擴器、反應器、分離器以及檢測器等元器件并集成為多功能芯片。可以實現樣品的進樣、稀釋、加試劑、混合、增擴、反應、分離、檢測和后處理等分析全過程。它把傳統的分析實驗室功能微縮在一個芯片上。生物MEMS系統有微型化、集成化、智能化、成本低的特點。功能上有獲取信息量大、分析效率高、系統與外部連接少、實時通信、連續檢測的特點。國際上生物MEMS的研究已成為熱點,不久將為生物、化學分析系統帶來一場重大的革新。

  • 光學
    MEMS光學掃描儀

    隨著信息技術、光通信技術的迅猛發展,MEMS發展的又一領域是與光學相結合,即綜合微電子、微機械、光電子技術等基礎技術,開發新型光器件,稱為微光機電系統(MOEMS)。它能把各種MEMS結構件與微光學器件、光波導器件、半導體激光器件、光電檢測器件等完整地集成在一起。形成一種全新的功能系統。MOEMS具有體積小、成本低、可批量生產、可精確驅動和控制等特點。較成功的應用科學研究主要集中在兩個方面:

    一是基于MOEMS的新型顯示、投影設備,主要研究如何通過反射面的物理運動來進行光的空間調制,典型代表為數字微鏡陣列芯片和光柵光閥:二是通信系統,主要研究通過微鏡的物理運動來控制光路發生預期的改變,較成功的有光開關調制器、光濾波器及復用器等光通信器件。

    MOEMS是綜合性和學科交叉性很強的高新技術,開展這個領域的科學技術研究,可以帶動大量的新概念的功能器件開發。

  • 射頻
    射頻MEMS技術傳統上分為固定的和可動的兩類。固定的MEMS器件包括本體微機械加工傳輸線、濾波器和耦合器,可動MEMS器件包括開關、調諧器和可變電容。按技術層面又分為由微機械開關、可變電容器和電感諧振器組成的基本器件層面;由移相器、濾波器和VCO等組成的組件層面;由單片接收機、變波束雷達、相控陣雷達天線組成的應用系統層面。

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