MEMS技術(shù)的發(fā)展和MEMS傳感器

作業(yè)2:敘述MEMS技術(shù)的最新發(fā)展并介紹幾種MEMS傳感器MEMS(Micro-Electro-MechanicalSystems是微機(jī)電系統(tǒng)的縮寫。MEMS是美國的叫法,在日本被稱為微機(jī)械,在歐洲被稱為微系統(tǒng),MEMS就是在一個硅基板上集成了機(jī)械和電子元器件的微小機(jī)構(gòu)。在代工廠中,通過對電子部分使用半導(dǎo)體工藝和對機(jī)械部分使用微機(jī)械工藝將其或者直接蝕刻到一片晶圓中,或者增加新的結(jié)構(gòu)層來制作MEMS產(chǎn)品。作為納米科技的一個分支,MEMS被稱為電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的“明星”。目前MEMS加工技術(shù)又被廣泛應(yīng)用于微流控芯片與合成生物學(xué)等領(lǐng)域,從而進(jìn)行生物化學(xué)等實(shí)驗(yàn)室技術(shù)流程的芯片集成化。MEMS主要包括微型機(jī)構(gòu)、微型傳感器、微型執(zhí)行器和相應(yīng)的處理電路等幾部分,它是在融合多種微細(xì)加工技術(shù),并應(yīng)用現(xiàn)代信息技術(shù)的最新成果的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的高科技前沿學(xué)科。MEMS技術(shù)的發(fā)展開辟了一個全新的技術(shù)領(lǐng)域和產(chǎn)業(yè),采用MEMS技術(shù)制作的微傳感器、微執(zhí)行器、微型構(gòu)件、微機(jī)械光學(xué)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(yī)學(xué)、環(huán)境監(jiān)控、軍事以及幾乎人們所接觸到的所有領(lǐng)域中都有著十分廣闊的應(yīng)用前景。MEMS技術(shù)正發(fā)展成為一個巨大的產(chǎn)業(yè),就象近20年來微電子產(chǎn)業(yè)和計(jì)算機(jī)產(chǎn)業(yè)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(shù)變革并對人類社會產(chǎn)生新一輪的影響。目前MEMS市場的主導(dǎo)產(chǎn)品為壓力傳感器、加速度計(jì)、微陀螺儀、墨水噴咀和硬盤驅(qū)動頭等。大多數(shù)工業(yè)觀察家預(yù)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(jī)械電子工程、精密機(jī)械及儀器、半導(dǎo)體物理等學(xué)科的發(fā)展提供了極好的機(jī)遇和嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。MEMS207080年代初,,其表面的壓敏電阻走線,容感應(yīng)移動質(zhì)量加速計(jì),用于觸發(fā)汽車安全氣囊和定位陀螺儀。2090年代,PC公司根據(jù)靜電驅(qū)動斜微鏡陣列推出了投影儀,第三輪商業(yè)化可以說出現(xiàn)于世紀(jì)之交,成為光纖通訊的補(bǔ)充。盡管該市場現(xiàn)在蕭條,MEMS一個增長強(qiáng)勁的領(lǐng)域。目前MEMS產(chǎn)業(yè)呈現(xiàn)的新趨勢是產(chǎn)品應(yīng)用的擴(kuò)展,其開始向工業(yè)、醫(yī)療、測試儀器等新領(lǐng)域擴(kuò)張。推動第四輪商業(yè)化的其它應(yīng)用包括一些面向射頻無源元件、在硅片上制作的音頻、生物和神經(jīng)元探針,以及所謂的'片上實(shí)驗(yàn)室'生化藥品開發(fā)系統(tǒng)和微型藥品輸送系統(tǒng)的靜態(tài)和移動器件。MEMS傳感器已經(jīng)存在幾十年了,并成功的滲透到一些大規(guī)模應(yīng)用的市場,療壓力傳感器和安全汽囊加速度計(jì)等。盡管取得了這些成功,MEMS,這種狀況在下一個十年中有望得到改變。MEMS傳感器正在當(dāng)今的兩大熱門產(chǎn)品中起到不可或缺的作用。使用測量物理運(yùn)動從而提供運(yùn)動感知能力的MEMS加速度計(jì),任天堂公司的Wii無線游戲機(jī)允許使用者通過運(yùn)動和點(diǎn)擊互相溝通和在屏幕上處理一些需求,其原理是將運(yùn)動(例如揮舞胳膊模仿網(wǎng)球球拍的運(yùn)動轉(zhuǎn)化為屏幕上的游戲行為。在2006年5月,任天堂和ADI宣布將ADI的ADXL330iMEMS加速度計(jì)整合到任天堂的Wii游戲控制臺中。加速度計(jì)幫助任天堂把視頻游戲提升到一個新的水平。這種產(chǎn)品的全球銷售量預(yù)計(jì)將在2007年底前達(dá)到一千萬臺,任天堂目前正在開足馬力以滿足洶涌而來的需求。MEMS加速度計(jì)——數(shù)年來被用于汽車中起到模擬安全氣囊展開動作的傳感器的作用——同樣被用于蘋果公司的iPhone中,通過對旋轉(zhuǎn)時運(yùn)動的感知,iPhone可以自動地改變其顯示格式,以便消費(fèi)者能夠以合適的水平和垂直視角看到完整的頁面或者數(shù)字圖片。當(dāng)然iPhone并不是第一個采用加速度計(jì)來提升用戶體驗(yàn)的手機(jī),但是,正是iPhone把MEMS帶到了大眾消費(fèi)品中。然而,MEMS傳感器在諸如醫(yī)療保健、航空航天和工業(yè)等市場也找到了用武之地。根據(jù)預(yù)測,下一個十年的關(guān)鍵推動力正是汽車和消費(fèi)類電子市場。當(dāng)供應(yīng)商努力取得在消費(fèi)類電子市場中的主導(dǎo)地位時,一場激烈的爭奪戰(zhàn)已經(jīng)在進(jìn)行之中了。汽車市場MEMS傳感器在汽車工業(yè)中的主要應(yīng)用是壓力和慣性,的十年內(nèi)都會蓬勃成長。胎壓傳感器,TREADAct法案的引言中強(qiáng)制命令為所有的交通車輛安裝壓力傳感器,要求傳感器在偵測到輪胎充氣不足時,2008年生產(chǎn)的所有模型車、小型貨車、卡車和運(yùn)動型車(SUVs,,并且這一法案預(yù)期將在2-3年內(nèi)實(shí)施。這一領(lǐng)域預(yù)計(jì)將以30.7%的年綜合增長率成長,從而在2012年創(chuàng)造526.7百萬美元的市場。其它壓力傳感器,Frost&Sullivan預(yù)計(jì)2012年汽車中使用的其它傳感器市場規(guī)70012.8%,,會(Euroemissionnorms(MEMS傳感器的應(yīng)用,慣性傳感器,GPS導(dǎo)航系統(tǒng)。MEMS,————,,成為大部分新車型的標(biāo)準(zhǔn)配置。再者,如果歐盟通過一項(xiàng)法律要求在每一輛機(jī)動車上必須安裝這些系統(tǒng),美國市場對ESC系統(tǒng)的采用受到兩個因素的驅(qū)動,一是美國全國公路交通安全管理局(theNationaHighwayTrafficSafetyAdministratio,NHTSA正在鼓勵汽車制造商采用安全控制系統(tǒng)并且正在探索強(qiáng)制安裝這項(xiàng)系統(tǒng)的可能性。第二,汽車制造商正在把安全作為競爭優(yōu)勢。Frost&Sullivan預(yù)測到2012年全球ESC系統(tǒng)市場規(guī)模將達(dá)3400萬美元,如果要求強(qiáng)制安裝這些系統(tǒng)的管理辦法得以通過,這個數(shù)字還可能提前實(shí)現(xiàn)。MEMS(DeadReckoning,即慣性導(dǎo)航技術(shù),GPSGPS,在這GPS2002-2004年期間的巨大增長,,一市場的增長。消費(fèi)類電子MEMS傳感器首次在消費(fèi)電子世界扮演重要的角色源于美國德州儀器公司開發(fā)了DMD(數(shù)字鏡面顯示,該產(chǎn)品位于德州儀器公司開發(fā)的用于投影電視的DLP系統(tǒng)的核心位置。這項(xiàng)偉大的工作最初由LarryHornbeck于1987年展開,DMD實(shí)際上是一個由多達(dá)200萬個安裝在鉸鏈上的微型鋁鏡組成的矩陣。這些微鏡的尺寸不足人類頭發(fā)絲的五分之一。在德州儀器公司最新一代的DLP芯片中,DMD被用于產(chǎn)生高清電視革命所需的展現(xiàn)立體效果(3-D的向左和向右的視角。相機(jī)自從上世紀(jì)90年代后期,MEMS傳感器已經(jīng)被用于攝錄像機(jī)和數(shù)碼相機(jī)中來增強(qiáng)圖像的穩(wěn)定性。隨著上述數(shù)碼產(chǎn)品的尺寸越來越小以及像素越來越高,由于手的抖動,圖片變得越來越容易模糊。為了解決這一問題,由ADI、InvenSense、意法半導(dǎo)體以及其他公司開發(fā)的MEMS陀螺儀測量相機(jī)的運(yùn)動軌跡并向微控制器發(fā)送信號,微控制器直接控制鏡頭或者圖像傳感器進(jìn)行微小的線性運(yùn)動從而補(bǔ)償意外的相機(jī)抖動。筆記本電腦為了防止由于硬盤損壞帶來的信息丟失,MEMSMEMS/麥克風(fēng)與目前廣泛使用的電介質(zhì)電容器麥克風(fēng)相比,MEMS麥克風(fēng)更耐熱,并且對抖動和震動有更強(qiáng)的免疫能力。KnowlesAcoustics公司是首家將硅MEMS麥克風(fēng)推向市場的公司。英飛凌公司則提供兩芯片的解決方案,包括MEMS芯片和ASIC(特定應(yīng)用集成電路,兩者同時封裝在一起。2007年早些時候,Akustica1MEMS橫隔膜和片上模擬電路,MEMSPDA和手持終端產(chǎn)品。移動電話移動電話不僅僅被用來通話,還可作為音樂播放器、數(shù)碼相機(jī)和游戲設(shè)備。移動的手持終端制造商正在為他們的產(chǎn)品尋求增加新的功能,以期與競爭對手形成差異化。滾動、游戲控制、靜音模式下的激活、搖動撥號以及其它功能。例如,,,運(yùn)用加速度計(jì)來改變音調(diào);道音軌已經(jīng)發(fā)生變化。在過去的三、四年中,象三菱、三星和LG等制造商已經(jīng)把加速度計(jì)整合到他們的高端手機(jī)中,但是這些手機(jī)被嚴(yán)格局限在日本和韓國市場銷售。但是最近的發(fā)展,包括iPhone的發(fā)展,已經(jīng)改變了這個趨勢。MEMS陀螺儀具備給消費(fèi)類電子產(chǎn)品增值的潛力,主要通過增加圖像穩(wěn)定性、提供步行導(dǎo)航以及改進(jìn)的用戶界面等。消費(fèi)類電子市場也并不是沒有挑戰(zhàn),由于很短的產(chǎn)品生命周期,制造商不得不持,OEM是MEMS運(yùn)動傳感器在消費(fèi)電子市場的具有重要?dú)v史意義的代表性應(yīng)用。在手提電腦內(nèi)的三軸加速計(jì)可以監(jiān)測加速度,因?yàn)榫哂刑囟ǖ墓δ芎蛿?shù)據(jù)處理電路,它能夠檢測到硬盤驅(qū)動器的意外摔落事故,并及時命令讀寫頭縮回到安全位置,電腦最終摔落在地板上時損壞讀寫頭。健身和健康監(jiān)測是MEMS傳感器的另一類具有代表性的應(yīng)用。計(jì)步表或計(jì)步器是利用三軸MEMS傳感器實(shí)現(xiàn)健身和健康監(jiān)測功能的代表性應(yīng)用,在特定的情況下,計(jì)步器的傳感器能夠精確地測定在步行和跑步過程中作用在系統(tǒng)上的加速度,通過處理加速度數(shù)據(jù),計(jì)步器顯示用戶走過的步數(shù)和速度,以及在身體運(yùn)動過程中所消耗掉的熱量。在另一項(xiàng)應(yīng)用中,MEMS傳感器可以用于設(shè)計(jì)一種老人急救設(shè)備。當(dāng)老人意外摔倒時,這個設(shè)備可以檢測到摔倒動作,自動發(fā)出一個報警信號,通過MEMS傳感器和GPS模塊,可以估算到需要救助的受傷老人所在位置,,這些儀器商用化后,如今,能夠檢測運(yùn)動、方向和手勢的MEMS傳感器正推動運(yùn)動傳感技術(shù)向手機(jī)微型運(yùn)動傳感器能夠捕捉到玩家任何細(xì)微的動作,。MEMS技術(shù)讓玩家動起來:玩家陶醉于真實(shí)的游戲體驗(yàn),通過不同的動作融入到游戲中,例如,MEMSPDA,目前市場上采用MEMS加速計(jì)的手機(jī)越來越多。手機(jī)中的MEMS加速計(jì)使人機(jī),通過手的動作就可以操作界面功能,,有了這些能夠識別人類手勢的設(shè)備,戶手冊。根據(jù)終端設(shè)備的指向,MEMS傳感器可以把圖像、視頻和網(wǎng)頁(無論是人物肖像還是風(fēng)景畫面進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。通過上下左右傾斜手機(jī),還可以查看手機(jī)菜單;只要輕輕擊打手機(jī)機(jī)身,就可以在屏幕上選中不同的圖標(biāo),一代MEMS器件內(nèi)嵌的先進(jìn)數(shù)字技術(shù)。有了MEMS加速計(jì),只要把設(shè)備向某一方向傾斜,就能在小屏幕上詳細(xì)查看地圖,顯示放大的圖像。MEMS還能檢測到用戶MP3播放器的動作,回到上一首歌。低功耗的MEMS運(yùn)動傳感器還可用作先進(jìn)的節(jié)能技術(shù),,MEMS傳感器將會把耗電大的模塊(如顯示器背光板和GPS模塊全部關(guān)閉,以降低手機(jī)和便攜導(dǎo)航儀的能耗。只要碰觸一下機(jī)身,又可以打開全部功能。同樣地,無論何時,把手機(jī)正面向下反放在桌子上,手機(jī)設(shè)置就會切換到靜音模式;只要碰觸一下機(jī)身,就可以關(guān)閉靜音功能。M