MEMS技术发展现状及发展趋势

MEMS技术发展现状及发展趋势MEMS系统在工业、信息通信、国防、航空航天、航海、医疗、生物工程、农业、环境和家庭服务等领域有着潜在的巨大应用前景，它将成为本世纪最重要的科技领域和主要的支柱技术之一。目前对MEMS的需求产业主要来自于汽车工业、通信网络信息业、军事装备应用、生物医学工程；而按专业MEMS分四大类：生物MEMS技术、光学、MEMS技术、射频MEMS技术、传感MEMS技术。1.总述1.1生物MEMS技术生物MEMS系统具有微型化、集成化、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，具有实时通信、连续检测的特点。国际上生物MEMS的研究已成为热点，在不久将为生物、分析化学分析系统带来一场重大的革新。CardioMEMS公司采用MEMS技术制成心血管微传感器可测量动脉的压力，该传感器就像汽车里的EZPass设备(一种在高速公路入口无需停车即可完成付费的自动感应装置)一样工作，本身不带电源，读取信息时在外面用一个感应棒启动传感器即可得到此人动脉的所有相关数据。利用MEMS还能制作出智能型外科器械，减少手术风险和时间，缩短病人康复时间，降低治疗的费用。Verimetra公司正在利用MEMS把现有手术器械转变成智能型手术器械，可用于多种场合，包括小手术、肿瘤、神经、牙科和胎儿心脏手术等。药物注入是生物医学MEMS另一个可能有巨幅增长潜力的领域，MicroChipd公司正在开发的一种药物注入系统利用了硅片或聚合物微芯片，其上带有成千上万个微型贮液囊，里面充满药物、试剂及其它药品。这些微芯片能够向人体注入药物，使止痛剂、荷尔蒙以及类固醇之类的注入方式发生革命性的变化。类似这样的生物医学新进展还将催生出新型器械，如便携式掌上型透析机等。1.2光学MEMS技术随着信息技术、光信息技术的迅猛发展，MEMS发展的又一领域是与光学结合。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机构件与微光学器件、光波导器件、半导体激光器、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。目前较成功的应用科学研究主要集中在两方面：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进行光的空间调制，典型代表为新型投影仪、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、关调制器、光滤波器及复用器等光通信器件图1基于MEMS的多端口无阻赛全光交叉连接器（OXC）图2一个848x600数字微镜器件图3三个镜片有效地反射光线来投影一个数字形象1.3射频MEMS技术目前最熟悉的应用就是无线通信领域，诸如手机、无线接入、全球定位系统和蓝牙技术。其中最成熟的MEMS器件当属开关。在日本，欧姆龙公司首先开发上市MEMS开关产品，随后有日本村田制作所，松下网络开发本部及日本三菱电机公司都相继开发了高频RFMEMS的开关。中国在MEMS方面也进行了大量的工作，对悬臂式RFMEMS开关进行了设计和研制。对RFMEMS开关驱动电压进行了分析和研究。MEMS开关制造商TeraVictaTechnologies公司将推出号称世界上最快的MEMS开关。这种单极双掷开关适用于数字电视、卫星通信和定向雷达等领域。在此之前，该公司已经推出了7GHz的MEMS开关，用于自动测试设备(ATE)和RF无线领域。1.4传感MEMS技术传感MEMS技术是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、热电偶、谐振、隧道电流等等来感受转换电信号的器件和系统。包括：速度、压力、湿度、加速度、气体、磁、光、声、生物、化学等等各种传感器。现阶段各类传MEMS感器技术已经大量的应用到了各个领域。苹果公司颇有想象力地使用MEMS加速计来支持iPhone显示器横向与纵向画面的自动切换，取得了巨大的成功，从而刺激了智能手机用于探测运动的MEMS应用的激增。图四为ADI公司生产的ADXL203双轴硅微加速计。此外还有应用于导航和制导领域如小型无人机的导航控制、短程战术武器制导的高精度微加速度计。LittonSiAC硅加速度计为其典型的代表（如图五所示），已广泛应用于LN-200、LN-200S、LN-300等惯性测量组合上，以及LTN-101E、LISA-200两种民用和军用飞机惯性导航系统上。图四ADXL203双轴硅微加速计图五LittonSiACTM硅加速度计2002年，ADI公司研制成功世界上第一个单片集成的商用陀螺仪产品ADXRS，如图六所示。针对导航和制导领域应用要求Litton公司2003实现了SiGy的应用，用于LN-300IMU。图六ADXRS系列硅微陀螺仪2.MEMS在手机上的应用目前手机产业被视为未来5年内MEMS器件发展的最大机遇。2003年上市的硅麦克风和FBAR/BAW滤波器已经进入发展的成熟阶段。智能手机中MEMS加速计的应用使得MEMS应用的迅猛增长，其他几种MEMS产品如陀螺仪，微自动对焦，微自动变焦等都已经开始逐渐大量应用到手机之中。2006年加速度传感器市场份额较大的几家企业，如美国飞思卡尔半导体、美国模拟器件、芬兰VTI等，几乎都是面向汽车市场，但到2008年底，主要以供应手机市场为主的意法半导体却异军突起，首次超过了上诉企业，手机大量应用MEMS器件的时代已经开始。2.1FBAR/BAW滤波器KnowlesAcoustics的MEMS麦克风自2003年上市起一直保持着良好的增长势头，AvagoTechnologies的FBAR双工器技术在WCDMA前段组件中的快速应用，都不失为MEMS器件成为功能性替代品的成功典范。2.2MEMS加速计目前市场上采用MEMS加速计的手机越来越多，使用MEMS加速度计的运动检测技术能提供许多新功能，包括增强移动电话可用性、可靠性和允许启动的新功能。

1.动作识别。用户可以用手势来完成如接听，挂断等习以为常的电话使用动作，使移动电话更加容易使用。2.环境感知。使用一只三轴加速度计测量移动电话的方位，就可以使手机进行环境感知，自动切换户外响铃还是会议振动模式。3.光标或游戏机控制。加速度计可作为控制系统光标的输入或者游戏机的输入。左右倾斜或者前后翻转移动电话可使屏幕上的光标左右上下移动。同时还引入了跳跃等动作，手机倾斜的越大，光标移动的越快，因为此时采用倾斜作为一种模拟信号进行输入。4.在我们的健康意识日益提高的社会，实际上有许多采用各种灵巧器械的运动模式，为移动电话增加一片计步器，测量用户已经走了多远并且已消耗了多少卡路里的能量。这是加速度引入手机后又一十分贴近生活应用。此外，利用加速度计还有很多先进的功能，极大的扩充了手机的使用范围。MEMS磁性传感器苹果iPhone和RIM的BlackberryStorm等畅销机型，以及三星的Omnia、HTC的Diamond和诺基亚的N95及N96，都采用了这种传感器。这些手机的共同之处是都采用具有触摸灵敏度的大显示屏，通过运动的传感器可以确定画面的显示方向。有专家指出，如果2008年事加速度计的分水岭，那么2009年就是磁性传感器的丰收年，它使得越来越多的具备GPS导航电子罗盘功能的高档手机之中。2.4MEMS数字微镜全球新型手机内置超迷你投影显示屏和图像捕捉产品领衔制造商Microvision公司已经开发出用于手机内置超小型投影仪的新型高性能MEMS扫描镜。该迷你MEMS扫描镜面积不到1mm2，尺寸相当于大头针帽大小。单扫描镜可同时沿水平和垂直方向扫描，因此能精确控制单束光快速成像，且画质清晰。3.MEMS未来发展趋势在度过经济危机的市场红灯之后，MEMS器件的发展真正开上了高速发展的绿色通道。移动电话应用对整个市场的巨大影响已经开始显现，预计到2012年底，可望几乎每个消费电子产品都至少配置一个MEMS芯片。特别基于MEMS的加速度计，在以iPhone为代表的智能手机中都必然会应用。因此，世界MEMS加速度计市场将从2007年的6500万个增长到2012年的9亿个，销售值达到13亿美元，手机用MEMS共25亿美元。期望值较大的制造商如ADI预计在未来5年内手机装赔率增长将超过50%。设计师把加速仪安装到一个高端的移动装置上，改善了用户的界面