MEMS技术的发展和MEMS传感器.docx

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1、作业 2:表达 MEMS 技术的最进展并介绍几种 MEMS 传感器MEMS(Micro-Electro-Mechanical Systems 是微机电系统的缩写。 MEMS 是美 国的叫法 , 在日本被称为微机械 , 在欧洲被称为微系统 , MEMS 就是在一个硅基 板上集成了机械和电子元器件的微小机构。 在代工厂中 , 通过对电子局部使用半 导体工艺和对机械局部使用微机械工艺将其或者直接蚀刻到一片晶圆中 , 或者增 加的构造层来制作 MEMS 产品。 作为纳米科技的一个分支 , MEMS 被称为电子 产品设计中的 “明星”。目前 MEMS 加工技术又被广泛应用于微流控芯片与合 成生物学等领域

2、,从而进展生物化学等试验室技术流程的芯片集成化。MEMS 主要包括微型机构、 微型传感器、 微型执行器和相应的处理电路等几局部, 它是在融合多种微细加工技术 , 并应用现代信息技术的最成果的根底上 发 展起来的高科技前沿学科。MEMS 技术的进开放拓了一个全的技术领域和产业 , 承受 MEMS 技术制作 的微传感器、微执行器、微型构件、微机械光学器件、真空微电子器件、电力电 子器件等在航空、航天、汽车、生物医学、环境监控、军事以及几乎人们所接触 到的全部领域中都有着格外宽阔的应用前景。 MEMS 技术正进展成为一个巨大的 产业,就 象近 20 年来微电子产业和计算机产业给人类带来的巨大变化一样

3、 , MEMS 也正在孕育一场深刻的技术变革并对人类社会产生一轮的影响。目前 MEMS 市 场的主导产品为压力传感器、 加速度计、微陀螺仪、 墨水喷咀和硬盘驱 动头等。 大多数工业观看家推测 ,将来 5 年 MEMS 器件的销售额将呈快速增长 之势,年平均 增加率约为18%,因此对对机械电子工程、周密机械及仪器、半导 体物理等学科的 进展供给了极好的机遇和严峻的挑战。MEMS 第一轮商业化浪潮始于 20 世纪 70 年月末 80 年月初,当时用大型蚀 刻 硅片构造和背蚀刻膜片制作压力传感器。 由于薄硅片振动膜在压力下变形 , 会 影响 其外表的压敏电阻走线 , 这种变化可以把压力转换成电信号。

4、 后来的电路则 包括电 容感应移动质量加速计 ,用于触发汽车安全气囊和定位陀螺仪。其次轮商业化消灭于 20 世纪 90 年月 ,主要围围着 PC 和信息技术的兴起。 TI 公司依据静电驱动斜微镜阵列推出了投影仪 , 而热式喷墨打印头现在仍旧大行 其 道。第三轮商业化可以说消灭于世纪之交 , 微光学器件通过全光开关及相关器件 而成为光纤通讯的补充。尽管该市场现在萧条 ,但微光学器件从长期看来将是 MEMS 一个增长强劲的领域。目前 MEMS 产业呈现的趋势是产品应用的扩展 ,其开头向工业、医疗、 测试仪器等领域扩张。 推动第四轮商业化的其它应用包括一些面对射频无源元 件、 在硅片上制作的音频、生

5、物和神经元探针 ,以及所谓的 ” 片上试验室 ” 生化药 品开发 系统和微型药品输送系统的静态和移动器件。MEMS 传感器已经存在几十年了 ,并成功的渗透到一些大规模应用的市场 , 如医疗压力传感器和安全汽囊加速度计等。尽管取得了这些成功 ,但 MEMS 传 感器很大程度上还是局限于这些零散的应用。 受到汽车电子和消费类电子市场的 驱动 ,这种状况在下一个十年中有望得到转变。MEMS 传感器正在当今的两大热门产品中起到不行或缺的作用。 使用测量物 理运动从而供给运动感知力量的 MEMS 加速度计 , 任天堂公司的 Wii 无线玩耍机 允许使用者通过运动和点击相互沟通和在屏幕上处理一些需求 ,

6、其原理是将运动 例如挥舞胳膊仿照网球球拍的运动转化为屏幕上的玩耍行为。在2023 年 5月,任天堂和 ADI 宣布将 ADI 的 ADXL330 iMEMS 加速度计整合到任天堂的 Wii 玩耍掌握台中。 加速度计帮助任天堂把视频玩耍提升到一个的水平。 这种 产品 的全球销售量估量将在 2023 年底前到达一千万台 ,任天堂目前正在开足马力以 满足汹涌而来的需求。MEMS 加速度计 数年来被用于汽车中起到模拟安全气囊开放动作的传感 器的作用 同样被用于苹果公司的 iPhone 中,通过对旋转时运动的感知 , iPhone 可以自动地转变其显示格式 , 以便消费者能够以适宜的水平和垂直视角看 到

7、完整的 页面 或者数字图片。固然 iPhone 并不是第一个承受加速度计来提升用 户体验的手 机,但是,正是 iPhone 把 MEMS 带到了群众消费品中。然而, MEMS 传感器在诸如医疗保健、 航空航天和工业等市场也找到了用武 之地。 依据推测 , 下一个十年的关键推动力正是汽车和消费类电子市场。当供给商努力取得在消费类电子市场中的主导地位时 , 一场剧烈的争夺战已经在进展之 中了。汽车市场MEMS 传感器在汽车工业中的主要应用是压力和惯性 , 这两个领域预期在未 来的十年内都会蓬勃成长。胎压传感器 , 美国国会在 TREAD Act 法案的引言中强制命令为全部的交通车 辆安装压力传感器

8、 , 要求传感器在侦测到轮胎充气缺乏时 , 在二格外钟内向司机 发 出警告。在 2023 年生产的全部模型车、小型货车、卡车和运动型车 (SUVs 上都将 具备这项功能。 欧盟正在制定一项政策 , 强制在全部的汽车上安装胎压传 感器,并 且这一法案预期将在 2-3 年内实施。这一领域估量将以 30.7%的年综合 增长率成长 , 从而在2023 年制造 526.7 百万美元的市场。其它压力传感器 , Frost & Sullivan 估量 2023 年汽车中使用的其它传感器市场 规模可达 700 百万美金。单位出货量成长率达 12.8%,考虑到单位产品售价的下 跌 , 会稍微影响到增长率。 这一

9、领域的压力传感器主要用于引擎治理、 液压制动 以及 排气循环系统等。 欧盟气体排放标准 (Euro emission norms (它对汽车尾气 排放作 出了严格规定在兴经济体的执行预期也会推动 MEMS 传感器的应用 , 由于正是燃 料价格的上升增加了燃料节约型车辆的销售。惯性传感器 , 加速度计在汽车中的应用包括了安全汽囊、 倾翻侦测、 电子动 态掌握系统、 导航、 安全系统和敏捷性背负系统。 陀螺仪应用于稳定性掌握系统 , 抗倾翻系统和 GPS 导航系统。推动 MEMS 传感器在汽车市场应用的关键增长动力之一是电子动态掌握系 统, 这些系统使用三种传感器 陀螺仪、加速度计和转向角辩向器

10、来侦测 司 机意图与车辆实际动作之间的差异。 一旦消灭意外 , 系统将介入对车辆的掌握。 目 前在德国、 瑞典、 法国等国家稳定掌握系统已经成为车的标准 , 因此欧 洲目前 在这方面领先全球。 估量其它国家的汽车制造商在客户需要和竞争的双重 推动下 也会跟随这一标准 ,包括电子动态掌握系统 (ESC 成为大局部车型的 标准配置。 再者, 假设欧盟通过一项法律要求在每一辆机动车上必需安装这些系 统,那么市场的 增长将更具爆发性。美国市场对 ESC 系统的承受受到两个因素的驱动 , 一是美国全国大路交通安 全治理局 (the NationaHighway Traffic Safety Admini

11、stratio, NHTSA 正在鼓舞汽车 制 造商承受安全掌握系统并且正在探究强制安装这项系统的可能性。 其次, 汽车 制造 商正在把安全作为竞争优势。 Frost &Sullivan 推测到 2023 年全球 ESC 系统市场规模将达 3400 万美元 ,假设要求强制安装这些系统的治理方法得以通过 ,这 个数字还可能提前实现。使用 MEMS 陀螺仪实现惯性导航 (Dead Reckoning,即惯性导航技术 , 也称方 位推估技术 ,让 GPS 断讯时仍能连续定位的 GPS 系统在日本等国家被广泛采 用 ,在这里它成为全部车辆的标准配置。日 本市场见证了 GPS 导航系统在 2023-20

12、23 年期 间的巨大增长 ,当丰田等主要的汽车制造商向市场推出信息通讯 业务和效劳时刺激 了销售增长。 然而, 交通根底设施的缺乏以及导航系统的昂扬 本钱被认为抑制了这 一市场的增长。消费类电子MEMS 传感器首次在消费电子世界扮演重要的角色源于美国德州仪器公司 开 发了 DMD (数字镜面显示 , 该产品位于德州仪器公司开发的用于投影电视的 DLP 系统的核心位置。这项宏大的工作最初由 Larry Hornbeck 于 1987 年开放, DMD 实 际上是一个由多达 200 万个安装在铰链上的微型铝镜组成的矩阵。这些 微镜的尺 寸缺乏人类头发丝的五分之一。在德州仪器公司最一代的 DLP 芯

13、片 中, DMD 被 用于产生高清电视革命所需的呈现立体效果 (3-D 的向左和向右的 视角。相机自从上世纪 90 年月后期 , MEMS 传感器已经被用于摄录像机和数码相机中 来 增加图像的稳定性。 随着上述数码产品的尺寸越来越小以及像素越来越高 , 由 于手 的抖动 , 图片变得越来越简洁模糊。 为了解决这一问题 , 由 ADI 、 InvenSense、 意 法半导体以及其他公司开发的 MEMS 陀螺仪测量相机的运动轨迹并向微掌握 器发 送信号, 微掌握器直接掌握镜头或者图像传感器进展微小的线性运动从而补的相机抖动。笔记本电脑偿意外为了防止由于硬盘损坏带来的信息丧失 , MEMS 运动传

14、感器正作为一项保护 措施在笔记本电脑中得到应用。一个位于母板上的 MEMS 加速度计探测到能够 导致 严峻损坏的震惊或者坠落时 ,其能够在一秒中之内向驱动器的读 /写磁头发 送信号 使其临时停顿工作 ,直至电脑恢复稳定。目前 , IBM 、东芝和苹果公司都 已经把加 速度计整合到了他们的高端笔记本电脑模型中。 把大容量的硬盘驱动器 整合到外 形小巧的电子产品的趋势正在推动这个产业的参与者把加速度计作为 一个预防数 据丧失的手段。麦克风与目前广泛使用的电介质电容器麦克风相比 , MEMS 麦克风更耐热 , 并且对 抖 动和震惊有更强的免疫力量。 Knowles Acoustics 公司是首家将硅

15、 MEMS 麦克风 推向市场的公司。英飞凌公司则供给两芯片的解决方案 ,包括 MEMS 芯片和 ASIC( 特 定应用集成电路 ,两者同时封装在一起。2023 年早些时候 , Akustica 公司宣布推出全球最小的模拟麦克风。 这个单芯 片的 1 毫米麦克风使用 MEMS 横隔膜和片上模拟电路 ,能够直接贴在印制电路 板 上。MEMS 麦克风的小尺寸使其适合用于手机、 PDA 和手持终端产品。移动 移动 不仅仅被用来通话 ,还可作为音乐播放器、数码相机和玩耍设备。 移 动的手持终端制造商正在为他们的产品寻求增加的功能 , 以期与竞争对手形 成差 异化。在移动 中加速度计被用来增加图像稳定性、

16、 震惊侦测、 菜单导航、 文本 滚动、玩耍掌握、静音模式下的激活、摇动拨号以及其它功能。例如 ,索尼爱立 信W910i , 当用户晃动 时 , 运用加速度计来转变音调 ; 或者通过一个振动让 用户知道音轨已经发生变化。在过去的三、四年中 ,象三菱、三星和 LG 等制造商已经把加速度计整合到 他 们的高端手机中 , 但是这些手机被严格局限在日本和韩国市场销售。 但是最近 的发 展, 包括 iPhone 的进展 ,已经转变了这个趋势。MEMS 陀螺仪具备给消费类电子产品增值的潜力 ,主要通过增加图像稳定 性、 供给步行导航以及改进的用户界面等。消费类电子市场也并不是没有挑战 , 由于很短的产品生命

17、周期 , 制造商不得 不 持续的研发品以供给独特的功能。 这些供给商通常依靠传感器供给商供给合 适 的解决方案为他们的产品增加独特的功能 , 而不是仅仅需要传感器。 考虑到这 一点, 传感器制造商就需要与 OEM 电子厂商协同工作以帮助他们设计从而把传 感器整合 到电子设备 中。手提电脑、 手机、 便携媒体播放器和移动终端设备内的硬盘驱动器坠落保护 功能 ,是 MEMS 运动传感器在消费电子市场的具有重要历史意义的代表性应用。在手提电脑内的三轴加速计可以监测加速度 , 由于具有特定的功能和数据处理电 路, 它能够检测到硬盘驱动器的意外摔落事故 , 并准时命令读写头缩回到安全位 置,以防 电脑最

18、终摔落在地板上时损坏读写头。健身和安康监测是 MEMS 传感器的另一类具有代表性的应用。计步表或计 步 器是利用三轴 MEMS 传感器实现健身和安康监测功能的代表性应用 ,在特定 的状况下, 计步器的传感器能够准确地测定在步行和跑步过程中作用在系统上的 加速度 ,通过处理加速度数据 , 计步器显示用户走过的步数和速度 , 以及在身体 运动过程中 所消耗掉的热量。在另一项应用中 , MEMS 传感器可以用于设计一种老人急救设备。 当老人意 外摔倒时 , 这个设备可以检测到摔倒动作 , 自动发出一个报警信号 , 恳求紧急救 援。 通过 MEMS 传感器和 GP S 模块, 可以估算到需要救助的受伤

19、老人所在位置 , 并在网 络上传送位置信息。 在不久的将来 , 这些仪器商用化后 , 将会给不断增长 的老龄化 人群供给一个更安全的生活环境。如今 ,能够检测运动、方向和手势的 MEMS 传感器正推动运动传感技术向 手机、 玩耍机、 便携媒体播放器等市场扩展。 玩耍机是运动跟踪和手势识别应用 的 突出代表 , 微型运动传感器能够捕获到玩家任何微小的动作 , 并将其转化成游 戏动 作。MEMS 技术让玩家动起来 :玩家沉醉于真实的玩耍体验 , 通过不同的动 作融入 到玩耍中 , 例如 , 仿照一场真实的网球赛、 一场引人入胜高尔夫球赛、 一 场紧急的 拳击赛或轻松的钓鱼竞赛的动作。 MEMS 技

20、术在手机和 PDA 中的使用率 正在提 高 ,目前市场上承受 MEMS 加速计的手机越来越多。手机中的 MEMS 加 速计使人 机界面变得更简洁、 更直观, 通过手的动作就可以操作界面功能 , 全面 增加了用户 的使用体验 , 有了这些能够识别人类手势的设备 , 用户不必再阅读冗 长、简单的用 户手册。依据终端设备的指向 , MEMS 传感器可以把图像、 视频和网页 无论是人物肖像还是风景画面 进展旋转。通过上下左右倾斜手机 ,还可以查看手机菜单 ;只 要轻轻击打手机机身 , 就可以在屏幕上选中不同的图标 , 全部这些智能功能离不 开 一代 MEMS 器件内嵌的先进数字技术。有了 MEMS 加

21、速计 ,只要把设备向某 一 方向倾斜 ,就能在小屏幕上具体查看地图 ,显示放大的图像。 MEMS 还能检测 到用 户抖动手机和 MP3 播放器的动作 , 这个简洁的手势可以让播放器跳到下一首 歌或 返回到上一首歌。低功耗的 MEMS 运动传感器还可用作先进的节能技术 ,当 手机没 有关闭放在饭桌上时 , MEMS 传感器将会把耗电大的模块 如显示器背光板 和 GPS 模块 全部关闭, 以降低手机和便携导航仪的能耗。 只要碰触一下机身 , 又 可以翻开 全部功能。同样地 , 无论何时 , 把手机正面对下反放在桌子上 , 手机设置就会切换到静 音模式 ;只要碰触一下机身 ,就可以关闭静音功能。 MEMS 运动掌握技术折射出 了将来 手机的样子 :只有数量很少的按键 , 不再有一般的键盘。 向手机输入信息 时,用户在 空中书写数字和字母 , MEMS 传感器识别这些动作 ,手机软件将这些 动作复原成数 字和字母 ;软件还可以把用户预定的动作变成特别的自定义功能。 MEMS 加速计与 陀螺仪协作使用 ,可以把更先进的选择功能变为现实 ,例如:能 够在空中操作的三维 鼠标和遥控器。在这些设备中 ,传感器检测到用户的手势 , 将其转换成 PC 屏幕上的 光标移动或机顶盒和电视机的频道和功能选择。