MEMS器件及其应用

MEMS器件及其应用摘要：MEMS技术是一门新兴的技术,是多种学科交叉融舍的前沿高技术，近年来越来越受到世界各国的重视。本文将重点介绍MEMS传感器、MEMS光开关两种典型的MEMS器件及其应用。关键词：MEMS；MEMS传感器；MEMS光开关0引言MEMS技术的开发始于20世纪60年代，其迅速发展是在20世纪80年代末期。由半导体工业中的微细加工技术与机械工业中的微型机械加工技术结合而产生并逐渐发展起来的微电子机械系统(MEMS：MicroelectroMechanicalSystem)是微米、纳米电子学的重要领域，是一项极具发展前景的军民两用高技术。微电子技术的发展，不仅使计算机与信息技术等领域面貌一新，而且在许多领域引发了一场微小型化的革命［1］。MEMS器件和系统具有体积小、重量轻、功耗低、机械电子合一等优点，因此在航空、航天、汽车、生物医学等诸多领域有着十分广阔的应用前景。它研究的主要内容包括微型传感器、微型执行器和复杂的微系统。MEMS器件种类繁多，几乎无法列出所有的MEMS器件⑵。本文将重点介绍MEMS传感器、MEMS光开关两种典型的MEMS器件。1MEMS传感器MEMS传感器微型传感器是MEMS最重要的组成部分。1962年第一个硅微型压力传感器的问世开创了MEMS技术的先河，并一直是推动MEMS技术不断进步的动力，同时MEMS技术的应用又使传感器的性能提高了几个数量级。MEMS传感器是采用微电子和微机械加工技术制造出来的新型传感器。它具有体积小、质量轻、成本低、功耗低、可靠性高、技术附加值高，适于批量化生产、易于集成和实现智能化等特点⑶。MEMS传感器的应用MEMS传感器目前主要应用在航空航天、汽车、消费电子等领域。航空航天领域中的MEMS传感器主要有五种用途：①提供有关航天器的工作信息，起故障诊断的作用；②判断各分系统间工作的协调性，验证设计方案；③提供全系统自检所需信息，给指挥员决策提供依据：④提供各分系统、整机内部检测参数，验证设计的正确性。⑤监测飞行器内外部的环境，为飞行员航天员提供所需的生存条件，保障正常飞行参数⑷。在汽车应用中，用到越来越多的MEMS传感器，包括安全气囊中的汽车安全气囊感应器、悬架控制、翻滚等。另外，还包括汽车MEMS压力传感器和轮胎气压自动监测系统，MEMS压力传感器适合于任何类型的轮胎，在轮胎胎壁埋设一小块感压力敏芯片，自动测量轮胎气压、温度、转速和其它一些数据，并用特定的代码发送出来。还有汽车导航中的GPS信号补偿、气缸内压力测量等等大多数汽车子系统中⑸。消费电子领域中，任天堂公司曾在Wii无线游戏机中使用MEMS器件，允许使用者通过运动和点击互相沟通和在屏幕上处理一些需求，其原理是将运动(例如挥舞胳膊模仿网球球拍的运动)转化为屏幕上的游戏行为。早前，任天堂和ADI宣布将ADI的ADXL33OiMEMS加速度计整合到任天堂的Wii游戏控制台中。加速度计帮助任天堂把视频游戏提升到一个新的水平。iPhone4上用到的MEMS传感器大致有以下几种。影像传感器：简单说就是相机镜头，由于只牵涉到微光学与微电子，没有机械成份在里头，即便加入马达、机械驱动的镜头。磁阻传感器：简单讲就是感测地磁。感应地磁就是指南针原理，将这种地磁感应电子化、数字化，就称为数字指南针(DigitalCompass)。磁阻传感器目前没有被视为热门的MEMS组件，有些MEMS组件会追加整合磁阻感测能力。声波传感器：学名声波传感器，俗名麦克风iPhone4为了强化声音质量，使用2组麦克风与相关运算来达到降噪(降低噪音)的效果，这种技术称为数组麦克风(ArrayMIC)。加速度传感器：俗称加速规、G-Sensor，可以感应物体的加速度性。事实上加速度传感器的实现方式也是许多种，MEMS只是手法之一，用MEMS实现加速度传感器确实是目前的趋势。加速度传感器一般有“X、Y两轴”与“X、Y、Z三轴”两种，两轴多用于车、船等平面移动为多，三轴多用于飞弹、飞机等飞行物。而不用多说，Wii遥控器也是用三轴，iPhone可以感应实体翻转而自动对应翻转画面，靠的就是这个传感器。角加速度传感器：iPhone4确实是率先使用陀螺仪的手机。更简单讲就是陀螺仪，陀螺仪实现技术有机械式与光学(红外线、雷射)式，第六项的加速度传感器比较能感测平移性，但对于物体有个轴心，进行角度性的移动，则其感应效果不如陀螺仪好El。2MEMS光开关MEMS光开关20世纪90年代以来，光通信得到了快速的发展,作为光通信中关键环节的光互连与光开关的地位也越来越重要，传统的以电为核心的开关已不能满足高速大容量光通信的需求，尤其是全光传输网，而将代之以全光开关。全光开关是以光为核心实现光的通断和交叉连接的系统部件,不存在光电的转换。要成为传统开关的替代者，这种新型的全光开关必须具备低损耗和高稳定的特点，而MEMS光开关具备了这些优点，而且与传输的数据速率和信号协议无关，此外MEMS光开关还具有体积小、成本低、易集成和容量大的优点W］。MEMS传感器的应用MEMS光开关主要用于光纤通信中。光纤通信在实现了高速、大容量点对点的传输后，上世纪末已进入了光纤网络时代。MEMS在光纤通信领域的应用范围十分宽广。光开关是较为重要的无源光学器件，它可在光网络系统中对光信号进行选择性开关操作。随着光信号传送业务量的快速增长，以及接入网和高速数据网大容量高速交换的需求，组建全光传输网络成为光通信技术发展的必然趋势。光交叉连接(OXC)技术是全光网络的关键技术之一。OXC系统作为全光网络不可缺少的节点设备,可以使全光网络中信息传输的光信号进行直接交换和交叉连接。它与当前应用的电交叉连接相比，省去了光-电及电-光变换过程，设备相应简化。光开关在系统通信保护、系统监测及全光交换技术中具有重要的作用。在光通信网络中直接使用光开关切换光信号可避免光-电和电-光的转换过程，从而提高光通信容量和开关速度，并可保持光波长不变。MEM光开关是一种新型机械光开关,它将微制动器、微机械机构和微光学元件集成在同一半导体衬底上，通过磁、静电效应移动或旋转微反射镜,利用这些微反射镜的二维或者三维空间运动,将光直接反射到不同的输出端。MEMS光开关既有传统机械光开关低损耗、低串扰、低偏振敏感性和高消光比的优点，又有波导开关体积小、集成度高、开关速度快的优点，目前已成为光交换器件的主流之一[10-93结论MEMS技术的发展显示出巨大的生命力，它把信息系统的微型化、多功能化、智能化和可靠性水平提高到新的高度。本文将重点介绍MEMS传感器、MEMS光开关两种典型的MEMS器件。目前MEMS器件如微型传感器、微型执行器和复杂的微系统等正在工业过程控制、通讯、计算机和机器人、环境保护和监测、人类健康、汽车、航空航天等领域得到广泛的应用。MEMS技术将成为当代科技发展的重要方向之一。参考文献张威,张大成，王阳元.MEMS概况及发展趋势[J].微纳电子技术,2002,(1):22-27.童志义，赵晓东.国内外MEMS器件现状及发展趋势[J].电子工业专用备,2002,31(4):200-206.刘凯,陈志东，邹德福等.MEMS传感器和智能传感器的发展[J].仪表技术与传感器，2007,(9):9-10.宫经宽，刘樾.MEMS传感器在航空综合电子备份仪表中的应用[J].航空精密制造技术，2009,(6):25-27.吕良.MEMS汽车传感器设计关键技术的研究[D].北京邮电大学，2011.SABATEN,SANTANDERJ.Multi-rangesiliconmicro-machinedflowsensor[J].SensorsandActuatorsA,2004,(110):282-288.徐安安.MEMS传感器的应用与发展[J].现代商贸工业,2011,(13):270-271.梁春广，徐永青，杨拥军.MEMS光开关[J].半导体学报，2001,22(12):1551-1556.梁宏军，张兴社.MEMS与MEMS光开关[J].应用光学，2005,26(1):60-62.刘梅刚，万江文.全光网络中的MEMS光开关研究新进展[J].微纳电子技术，2OO4,(5)：19-23.