MEMS,什么是MEMS

MEMS,什么是MEMS

MEMS（Micro Electromechanical System，即微電子機(jī)械系統(tǒng)）是指集微型傳感器、執(zhí)行器以及信號(hào)處理和控制電路、接口電路、通信和電源于一體的微型機(jī)電系統(tǒng)。

MEMS技術(shù)的目標(biāo)是通過系統(tǒng)的微型化、集成化來探索具有新原理、新功能的元件和系統(tǒng)。MEMS技術(shù)是一種典型的多學(xué)科交叉的前沿性研究領(lǐng)域，幾乎涉及到自然及工程科學(xué)的所有領(lǐng)域，如電子技術(shù)、機(jī)械技術(shù)、物理學(xué)、化學(xué)、生物醫(yī)學(xué)、材料科學(xué)、能源科學(xué)等。

微機(jī)電系統(tǒng)MEMS(Micro-Electro-Mechanical Systems)是一種全新的必須同時(shí)考慮多種物理場(chǎng)混合作用的研發(fā)領(lǐng)域，相對(duì)于傳統(tǒng)的機(jī)械，它們的尺寸更小，最大的不超過一個(gè)厘米，甚至僅僅為幾個(gè)微米，其厚度就更加微小。采用以硅為主的材料，電氣性能優(yōu)良，硅材料的強(qiáng)度、硬度和楊氏模量與鐵相當(dāng)，密度與鋁類似，熱傳導(dǎo)率接近鉬和鎢。采用與集成電路（IC）類似的生成技術(shù)，可大量利用IC生產(chǎn)中的成熟技術(shù)、工藝 ，進(jìn)行大批量、低成本生產(chǎn)，使性價(jià)比相對(duì)于傳統(tǒng)“機(jī)械”制造技術(shù)大幅度提高。

完整的MEMS是由微傳感器、微執(zhí)行器、信號(hào)處理和控制電路、通訊接口和電源等部件組成的一體化的微型器件系統(tǒng)。其目標(biāo)是把信息的獲取、處理和執(zhí)行集成在一起，組成具有多功能的微型系統(tǒng)，集成于大尺寸系統(tǒng)中，從而大幅度地提高系統(tǒng)的自動(dòng)化、智能化和可靠性水平。

沿著系統(tǒng)及產(chǎn)品小型化、智能化、集成化的發(fā)展方向，可以預(yù)見：MEMS會(huì)給人類社會(huì)帶來另一次技術(shù)革命，它將對(duì)21世紀(jì)的科學(xué)技術(shù)、生產(chǎn)方式和人類生產(chǎn)質(zhì)量產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響，是關(guān)系到國(guó)家科技發(fā)展、國(guó)防安全和經(jīng)濟(jì)繁榮的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。

制造商正在不斷完善手持式裝置，提供體積更小而功能更多的產(chǎn)品。但矛盾之處在于，隨著技術(shù)的改進(jìn)，價(jià)格往往也會(huì)出現(xiàn)飆升，所以這就導(dǎo)致一個(gè)問題：制造商不得不面對(duì)相互矛盾的要求——在讓產(chǎn)品功能超群的同時(shí)降低其成本。

解決這一難題的方法之一是采用微機(jī)電系統(tǒng)，更流行的說法是MEMS，它使得制造商能將一件產(chǎn)品的所有功能集成到單個(gè)芯片上。MEMS對(duì)消費(fèi)電子產(chǎn)品的終極影響不僅包括成本的降低、而且也包括在不犧牲性能的情況下實(shí)現(xiàn)尺寸和重量的減小。事實(shí)上，大多數(shù)消費(fèi)類電子產(chǎn)品所用MEMS元件的性能比已經(jīng)出現(xiàn)的同類技術(shù)大有提高。雖然MEMS過去只限于汽車、工業(yè)和醫(yī)療應(yīng)用，但據(jù)調(diào)查公司估計(jì)：“MEMS消費(fèi)類電子產(chǎn)品的銷售額將在2005年前達(dá)到15億美元”。

手持式設(shè)備制造商正在逐漸意識(shí)到MEMS的價(jià)值以及這種技術(shù)所帶來的好處——大批量、低成本、小尺寸，而且開始轉(zhuǎn)向成功的MEMS公司，其所實(shí)現(xiàn)的成本削減幅度之大，將影響整個(gè)消費(fèi)類電子世界，而不僅是高端裝置。

MEMS特點(diǎn)

微型化：MEMS器件體積小、重量輕、耗能低、慣性小、諧振頻率高、響應(yīng)時(shí)間短；

集成化：可以把不同功能、不同敏感方向和致動(dòng)方向的多個(gè)傳感器或執(zhí)行器集成于一體，形成微傳感器陣列或微執(zhí)行器陣列，甚至可以把多種器件集成在一起以形成更為復(fù)雜的微系統(tǒng)。微傳感器、微執(zhí)行器和IC集成在一起可以制造出高可靠性和高穩(wěn)定性的智能化MEMS；

多學(xué)科交叉：MEMS的制造涉及電子、機(jī)械、材料、信息與自動(dòng)控制、物理、化學(xué)和生物等多種學(xué)科，同時(shí)MEMS也為上述學(xué)科的進(jìn)一步研究和發(fā)展提供了有力的工具。

MEMS 的廣泛應(yīng)用

跟上發(fā)展步伐

正在日益流行的MEMS應(yīng)用是步程計(jì)，它用于測(cè)量人行走時(shí)的速度或距離。將在z軸方向上的機(jī)械平移運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為電脈沖是MEMS器件的作用所在。這些脈沖饋入一個(gè)峰值檢測(cè)器電路，該電路隨后在每個(gè)脈沖作用下觸發(fā)一次計(jì)數(shù)。精心設(shè)計(jì)峰值檢測(cè)算法則能根據(jù)所選用的加速度計(jì)情況來獲得最優(yōu)的測(cè)量效果。

如果步程計(jì)安裝到被測(cè)人的足部，當(dāng)該人跑步時(shí)，則步程計(jì)就會(huì)定期受到極大的沖擊作用。如果產(chǎn)品使用加速度計(jì)的話，如此之高的沖擊指標(biāo)會(huì)大大限制產(chǎn)品的性能。例如，有些加速度計(jì)設(shè)計(jì)在過載超過一定程度時(shí)會(huì)出現(xiàn)被稱作“粘死”的現(xiàn)象，加速度計(jì)在受到很大沖擊時(shí)將出現(xiàn)飽和，即使大過載消除后仍然保持飽和輸出。為了使其擺脫這種狀態(tài)，可能需要將電源極性顛倒過來。MEMSIC公司的加速度計(jì)以熱敏感原理來檢測(cè)加速度，因此沒有其它加速度計(jì)在大負(fù)載情況下出現(xiàn)的問題，如粘死，這是因?yàn)樗鼈兏揪蜎]有敏感質(zhì)量的緣故。

讓GPS更可靠

不管是在偏僻的小路上游覽還是簡(jiǎn)單的為汽車導(dǎo)航，手持式全球定位系統(tǒng)(GPS)都是一件安全、方便且理想的隨身裝備。

利用GPS接收機(jī)支持的人員和車輛定位系統(tǒng)可以確定位置，而且提供路線方面的引導(dǎo)。采用GPS系統(tǒng)時(shí)，信號(hào)接收并非始終是100％可靠的，但是若有基于MEMS技術(shù)的加速度計(jì)，就可以由能推算出行駛(走)距離的導(dǎo)航解算方法來彌補(bǔ)信號(hào)方面的損失。此外，在修正這些系統(tǒng)所用的3軸電子羅盤的磁偏角方面，加速度計(jì)也非常有用。加速度計(jì)可以跟蹤偏離重力方向零位基準(zhǔn)的角位移信息，獲得這些信息后，就可以修正磁偏角，這樣即使裝置不處于水平狀態(tài)，仍可以得出精確的方向讀數(shù)。

手持式GPS制造商要解決的問題之一是如何在惡劣的天氣條件下保證裝置的性能。這些系統(tǒng)在極端溫度條件下都必須可靠而且能夠耐受強(qiáng)烈的沖擊。目前的加速度計(jì)在很多情況下尚不能承受惡劣環(huán)境下所存在的強(qiáng)沖擊影響。MEMSIC公司所設(shè)計(jì)的新產(chǎn)品則實(shí)現(xiàn)了高抗沖擊性能——5萬g，因此其幾乎不可能失效。而大多數(shù)MEMS加速度計(jì)的沖擊過載耐受范圍是500g~2000g，常常會(huì)失效，因?yàn)槠骷o法在更加惡劣的環(huán)境中保持完好無損。

為游戲應(yīng)用提供更佳的控制能力

在改善電子游戲的體驗(yàn)方面，MEMS加速度計(jì)還能提供運(yùn)動(dòng)和傾斜檢測(cè)。這些游戲可以在多種平臺(tái)上運(yùn)行——包括Microsoft Xbox、Sony的Playstation、Nintendo GameCube等游戲機(jī)和Nintendo GameBoy、Palm或Pocket PC PDA等手持式裝置，以及其它膝上型和桌上型電腦，改善控制盤和操縱桿的傾斜及運(yùn)動(dòng)敏感功能。

該功能讓用戶沉浸在游戲之中，體驗(yàn)其中的樂趣。特別是玩飛行模擬類游戲時(shí)，用戶需要讓游戲控制盤或者操縱桿傾斜來使飛機(jī)轉(zhuǎn)彎——無論是操控螺旋槳式飛機(jī)還是噴氣式戰(zhàn)斗機(jī)，大多數(shù)用戶在完成大斜度轉(zhuǎn)彎時(shí)都會(huì)出現(xiàn)整個(gè)身體都傾斜的現(xiàn)象，這讓他們產(chǎn)生更為身臨其境的感覺。

像Nintendo公司的Gameboy等手持式裝置，都提供了一種靠?jī)A斜、搖擺來控制的游戲“Kirby傾斜和翻轉(zhuǎn)”。在游戲中，球形主人公Kirby要根據(jù)不斷滾擺的浮空平臺(tái)傾斜情況來滾轉(zhuǎn)，搖動(dòng)Gameboy可以幫助Kirby跳到下一個(gè)浮空平臺(tái)。在采用MotionSense公司軟、硬件的掌上型或便攜式PC PDA裝置中，也可以添加與此類似的迷宮游戲。

體育比賽類游戲也可以利用MEMS加速度計(jì)帶來的好處。裝備了MEMS加速度計(jì)及陀螺的棒球棍或者高爾夫球棍可以提供全部旋轉(zhuǎn)信息，用來精確的復(fù)現(xiàn)出擊球的動(dòng)作。

隨著MEMS價(jià)值得到證明，越來越多的消費(fèi)類電子產(chǎn)品制造商采用這項(xiàng)技術(shù)。蜂窩式器件的制造商也已經(jīng)象游戲業(yè)一樣意識(shí)到了它的重要性，特別是開發(fā)無線產(chǎn)品的廠商。隨著手持式市場(chǎng)繼續(xù)獲得爆炸性增長(zhǎng)，低成本將成為其成功的推動(dòng)因素，而該增長(zhǎng)可以通過MEMS技術(shù)的利用來獲得。

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