微机电系统

典型微机电系统概念图
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微机电系统的特点 微机电系统实现所面临的问题 微机电系统介绍
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微机电系统的特点
MEMS是随着半导体集成电路微细加工技术和超精密机械加工技术的 发展而发展起来的。MEMS的特点是：
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。
微机电系统实现所面临的问题
微机电学是一门新兴的交叉学科。微机电系统在设计、制造和控 制等方面涉及许多科学技术领域，只有这些学科领域的专家学者通力 协作，清除一个个障碍，微机电系统才可能逐步得到应用。这里撇开 具体应用不谈，仅就微型化时所可能遇到的固有问题做些讨论。一个 微机电系统大致可看作由硬件和控制部分组成。微型化时首先要考虑 的问题如下：①物体的大小与其表面的粗糙度相同程度时，微润滑问 题；②材料强度对制造工艺及表面状态的影响很大，微材料力学问题 ；③流路很狭小时，边界层及分子运动起决定作用，由此产生的微流 体力学问题；④对自律行走微系统而言，能量供给方式问题；⑤质量 减小时，表面摩擦力引起的非线性控制问题；⑥和外界进行信息交换 或力传递时的接口问题；⑦可靠性评估时，劣化模型或加速度实验方 法的开发问题。 MEMS技术是一种典型的多学科交叉的前沿性研究领域，这一方 面的研究难度较大，往往需要多学科的学者进行基础研究。
微机电系统
微机电系统
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全称Micro Electromechanical System 微机 电系统 • MEMS(Micro Electromechanical System， 即微电子机械系统)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。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。
微机电系统介绍
微镜反射系数和表面添充因子达90%。每个微镜的转动由它下面的SRAM相 应存储单元状态决定。当存储单元为“1”状态时，微镜转到+10° , 当存储单元 为“0”状态时，微镜转到-10° 。目前，由DMD组成的大屏幕彩色投影显示设备 （DDE）已经商品化且多为高端产品，并向电视机方面拓展。
微机电系统技术基础
MEMS的技术基础可以分为以下几个方面： （1）设计与仿真技术； （2）材料与加工技术 （3）封装与装配技术 （4）测量与测试技术
（5）集成与系统技术等。
微机电系统介绍
德克萨斯微镜投影仪
作为MEMS技术实用化的成功范例之一，美国德克萨斯仪器(Texas Instruments)公司研制的彩色电视投影仪受到了人们的瞩目。该公司20世纪 80年代初就着手研究用于投影显示装置的数字驱动微镜阵列芯片(digital micromirror device, DMD),已成功地演示了利用768*576像素的DMD芯片的 彩色电视投影仪，并研制出2048×1152像素的DMD芯片样品DMD芯片利用 硅表面微加工工艺制作，其部分放大扫描电镜(SEM)像片如图8-3所示，每个 微镜的尺寸仅16μm×16μm。微镜通过支撑柱和扭曲梁悬于基片上，每个下 面都有驱动电极，在下电极与微镜间加一定的电压，静电引力使微镜倾斜， 入射光线被反射到镜头上投影到屏幕上，未加电压的微镜处的光线反射到镜 头外，高速驱动微镜使每点产生明暗，投影出图像。 DMD实际上是反射光开关矩阵，它由CMOS工艺及与其相容的金属铝微 加工技术结合集成在硅衬底上。器件分两层，底层是CMOS工艺集成的静态 随机存储器(SRAM)矩阵和相关电路，上层是铝微镜矩阵。微镜矩阵由多达 120万个可在两个方向转动的微镜组成，每个微镜面积为16μm×16μm，可偏 转± 10° 。
(a) 微镜内部构造
(b) 微镜阵列照片
图 8.3 德克萨斯仪器公司的微镜阵列
微机电系统介绍
微型超电导磁悬浮搬运系统
近年来，在MEMS领域二维自律微驱动系统的研究受到了高度重视 ，涌现出了静电型、电磁型、热膨胀型、气动型等各种形式的微机电系 统。这类微机电系统受到重视的原因在于：采用群驱动的方法能有效克 服单个微操作器驱动力不足的问题，并可在较大范围内工作。它能模仿 蚁群或动物毛发协同工作，这为微型仿生机器人群的研究提供了一条重 要途径。另外，它的每个单元若配有传感器并能按某种规则与相邻单元 通信的话，可有效减少系统中的配线及通信瓶颈,使系统易于实现并呈 现某些智能。 前述的二维电磁型微搬运系统具有驱运力大、移动范围大等优 点，但被搬运体移动中与驱动线圈阵列间有摩擦发生，这既会降低搬运 效率，也易损坏驱动器本身。为了避免摩擦引起的一系列问题，东京大 学藤田研究小组提出并试制了一种微型超电导磁悬浮搬运系统，其构造 示意图见图8-19，这里为了避免结露的影响，整个系统放置一个真空腔 内。
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。
微机电系统的特点
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。