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MEMS主要包括微型機構、微型傳(chuan) 感器、微型執行器和相應的處理電路等幾部分,它是在融合多種微細加工技術,並應用現代信息技術的最新成果的基礎上發展起來的高科技前沿學科。
MEMS 技術的發展開辟了一個(ge) 全新的技術領域和產(chan) 業(ye) ,采用MEMS技術製作的微傳(chuan) 感器、微執行器、微型構件、微機械光學器件、真空微電子器件、電力電子器件等在航 空、航天、汽車、生物醫學、環境監控、軍(jun) 事以及幾乎人們(men) 所接觸到的所有領域中都有著十分廣闊的應用前景。MEMS技術正發展成為(wei) 一個(ge) 巨大的產(chan) 業(ye) ,就象近 20年來微電子產(chan) 業(ye) 和計算機產(chan) 業(ye) 給人類帶來的巨大變化一樣,MEMS也正在孕育一場深刻的技術變革並對人類社會(hui) 產(chan) 生新一輪的影響。目前MEMS市場的主導 產(chan) 品為(wei) 壓力傳(chuan) 感器、加速度計、微陀螺儀(yi) 、墨水噴咀和硬盤驅動頭等。大多數工業(ye) 觀察家預測,未來5年MEMS器件的銷售額將呈迅速增長之勢,年平均增加率約 為(wei) 18%,因此對對機械電子工程、精密機械及儀(yi) 器、半導體(ti) 物理等學科的發展提供了極好的機遇和嚴(yan) 峻的挑戰。
微機電係統MEMS是一種全新的必須同時考慮多種物理場混合作用的研發領域,相對於(yu) 傳(chuan) 統的機械,它們(men) 的尺寸更小,最大的不超過一個(ge) 厘米,甚至僅(jin) 僅(jin) 為(wei) 幾個(ge) 微米,其厚度就更加微小。采用以矽為(wei) 主的材料,電氣性能優(you) 良,矽材料的強度、硬度和楊氏模量與(yu) 鐵相當,密度與(yu) 鋁類似,熱傳(chuan) 導率接近鉬和鎢。采用與(yu) 集成電路 (IC)類似的生成技術,可大量利用IC生產(chan) 中的成熟技術、工藝 ,進行大批量、低成本生產(chan) ,使性價(jia) 比相對於(yu) 傳(chuan) 統“機械”製造技術大幅度提高。
完整的MEMS是由微傳(chuan) 感器、微執行器、信號處理和控製電路、通訊接口和電源等部件組成的一體(ti) 化的微型器件係統。其目標是把信息的獲取、處理和執行集成在一起,組成具有多功能的微型係統,集成於(yu) 大尺寸係統中,從(cong) 而大幅度地提高係統的自動化、智能化和可靠性水平。
MEMS芯片外的封裝級設計考慮
MEMS器件的封裝形式是把基於(yu) MEMS的係統方案推向市場的關(guan) 鍵因素。研究發現,當今基於(yu) MEMS的典型產(chan) 品中,封裝成本幾乎占去了所有物料和組裝成 本的20%~40%。由於(yu) 生產(chan) 因素的影響,使得封裝之後的測試成本比器件級的測試成本更高,這就使MEMS產(chan) 品的封裝選擇和設計更加重要。
MEMS器件設計團隊在開始每項設計前,以及貫穿在整個(ge) 設計流程中都必須對封裝策略和如何折中進行考慮和給與(yu) 極大的關(guan) 注。許多MEMS產(chan) 品供應商都會(hui) 把產(chan) 品封裝作為(wei) 進行市場競爭(zheng) 的主要產(chan) 品差異和競爭(zheng) 優(you) 勢。
MEMS封裝選擇規則
設計MEMS器件的封裝往往比設計普通集成電路的封裝更加複雜,這是因為(wei) 工程師常常要遵循一些額外的設計約束,以及滿足工作在嚴(yan) 酷環境條件下的需求。器件應該能夠在這樣的嚴(yan) 苛環境下與(yu) 被測量的介質非常明顯地區別開來。這些介質可能是像幹燥空氣一樣溫和,或者像血液、散熱器輻射等一樣嚴(yan) 苛。其他的介質還包括進行測量時的環境,例如,衝(chong) 擊、震動、溫度變化、潮濕和EMI/RFI等。
首先,MEMS器件的封裝必須能夠和環境進行相互影響。例如,壓力傳(chuan) 感器的壓力輸入、血液處理器件的流體(ti) 入口等。MEMS器件的封裝也必須滿足其他一些機械和散熱裕量要求。作為(wei) MEMS器件的輸出,可能是機械電機或壓力的變化,因此,封裝的機械寄生現象就有可能與(yu) 器件的功能相互影響和幹擾。
例如,在壓阻傳(chuan) 感器內(nei) ,封裝應力就會(hui) 影響傳(chuan) 感器的輸出。當封裝中不同材料混合使用時,它們(men) 的膨脹和收縮係數不同,因此,這些變化引起的應力就附加在傳(chuan) 感器的壓力值中。在光學MEMS器件中,由於(yu) 衝(chong) 擊、震動或熱膨脹等原因而產(chan) 生的封裝應力會(hui) 使光器件和光纖之間的對準發生偏移。在高精度加速度計和陀螺儀(yi) 中,封裝需要和MEMS芯片隔離以優(you) 化性能。
MEMS產(chan) 品應用
1.任天堂的Wii
搭載運動傳(chuan) 感器(Motion sensor)的 Wii 手柄采用了ST的3軸加速度傳(chuan) 感器。
2.Guitar Hero: World Tour
遊戲吉他中使用了飛思卡爾公司的MMA7360L三軸加速計
3.iphoness
iphoness將使用MEMS陀螺儀(yi) ,iphoness可以在很多應用中使用該技術,比如保齡球、高爾夫等運動遊戲。
另外,該項技術還可以將iphoness和桌麵PC遊戲結合在一起。任天堂和索尼都已經使用該項技術做為(wei) 和其它係統相連的遊戲控製器,蘋果也已經將iphoness用作Mac筆記本的遙控設備,因此,我們(men) 可能很快就可以看到蘋果將iphoness用作PC上的遊戲控製設備。
4.奧林巴斯數碼相機 u1050SW
奧林巴斯新近推出一款數碼相機,使用者可通過敲擊LCD顯示屏或機身外殼來改變設置、拍照和查 看拍攝的照片。例如,當使用者在滑雪坡道上拍照時,無需脫下手套即可操作相機。另外,該款隸屬“u-SW”係列的編號“u1050SW”的相機,具有增強 的防水、防塵和防撞擊特點。
5.MEMS麥克風
國內(nei) 主要的MEMS麥克風生產(chan) 廠家有:山東(dong) 歌爾聲學、蘇州敏芯(Suzhou MEMSensing Microsystems)、深圳瑞聲(AAC Acoustic Technologies )
6.GPS輔助導航
MEMS壓力傳(chuan) 感器可以使GPS導航更精確,Sensor Platforms公司和其它供應商都在開發集成有MEMS航位推算功能的係統,這樣你的導航係統就可以跟隨你進入建築物內(nei) (甚至是地鐵)而不迷路。其它 的開發者在開發把GPS、相機、MEMS傳(chuan) 感器集成在一個(ge) 平台,這樣導航係統不但知道使用者身處何處,還知道使用者看到些什麽(me) ,這樣屏幕上的數據交互以確 定你尋找的建築物。
7.噴墨打印機的噴墨頭
明基電通(BenQ)日前發表新一代應用微機電(MEMS)整合之噴墨單芯片產(chan) 品,這是該公司自2005年起執行工業(ye) 局前瞻應用主導性新產(chan) 品計劃的研究成果,隨著新一代產(chan) 品的開發完成,明基希望能藉此開拓更多打印機ODM代工的商業(ye) 機會(hui) 。
8.玩具
玩具也裝配有MEMS器件。在其動作傳(chuan) 感遊戲杆之外,Jakks Pacific最近推出了一係列帶有動作傳(chuan) 感的加速度計的低價(jia) 玩具,例如,仙女玩具組合中的帶有動作傳(chuan) 感的魔杖。
9.硬盤跌落保護
10.MEMS微型投影儀(yi)