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技术概述

MEMS传感器

微机电系统(MEMS, Micro-Electro-Mechanical System)是一种先进的制造技术平台。它是以半导体制造技术为基础发展起来的。MEMS技术采用了半导体技术中的光刻、腐蚀、薄膜等一系列的现有技术和材料,因此从制造技术本身来讲,MEMS中基本的制造技术是成熟的。但MEMS更侧重于超精密机械加工,并要涉及微电子、材料、力学、化学、机械学诸多学科领域。它的学科面也扩大到微尺度下的力、电、光、磁、声、表面等物理学的各分支。

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、性能稳定等优点。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。

MEMS制造工艺是下至纳米尺度,上至毫米尺度微结构加工工艺的通称。广义上的MEMS制造工艺,方式十分丰富,几乎涉及了各种现代加工技术。起源于半导体和微电子工艺,以光刻、外延、薄膜淀积、氧化、扩散、注入、溅射、蒸镀、刻蚀、划片和封装等为基本工艺步骤来制造复杂三维形体的微加工技术。

MEMS的特点


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。

主要分类

  • 传感
    传感MEMS技术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
    MEMS光学扫描仪

    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。

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