MEMS 產(chǎn)品
一 MEMS定義
MEMS，Micro-Electro-Mechanical System，微機(jī)電系統(tǒng)，利用集成電路及微加工技術(shù)把微結(jié)構(gòu)、微傳感器、微執(zhí)行器等制造在一塊或者多塊芯片上，融合機(jī)、電、光、磁以及其他相關(guān)技術(shù)群微一體的，可以活動(dòng)和控制的微型集成系統(tǒng)。
MEMS具有微型化，集成化和批量生產(chǎn)等三個(gè)基本特征。
微型化： MEMS器件體積小，其特征尺寸介于1um~10mm之間。如圖1 所示。小體積帶來質(zhì)量輕，耗能低，慣性小，諧振頻率高（數(shù)千赫茲至數(shù)千兆赫茲）和響應(yīng)時(shí)間短等各方面的優(yōu)勢。圖1 MEMS 特征尺寸分布
集成化：可以把不同的功能、不同敏感方向或致動(dòng)方向的多個(gè)傳感器或執(zhí)行器集成于一體?；蛐纬晌鞲衅麝嚵校?zhí)行器陣列，甚至可以通過微電子工藝和微制造工藝的兼容化，實(shí)現(xiàn)傳感器、執(zhí)行器、信號(hào)處理和控制電路的單片集成，形成復(fù)雜的微系統(tǒng)。圖2 MEMS 麥克風(fēng)集成封裝系統(tǒng)
批量生產(chǎn)：用源于半導(dǎo)體工藝的微制造加工工藝再一片沉底上可同時(shí)批量制造成百上千個(gè)微型機(jī)電器件，從而大大降低了生產(chǎn)成本。圖2 6軸加速度傳感器與壓力傳感器集成器件
相對于微電子，微系統(tǒng)包括很多不同的材料，利用LIGA（Lithographie，Galvanoformung和Abformung即光刻、電鑄和注塑的縮寫）工藝制作的微系統(tǒng)中，聚合物和金屬材料是常用的。
相對微電子，微系統(tǒng)設(shè)計(jì)要面向大量的各種各樣的功能，微電子僅限于電子功能設(shè)計(jì)。很多微系統(tǒng)包括可動(dòng)部分。集成電路主要是2維結(jié)構(gòu)，而微系統(tǒng)大部分包括復(fù)雜的三維幾何圖形。微電子需要與化境絕緣，然而，微系統(tǒng)一些敏感元件要與工作介質(zhì)接觸。微電子的制造和封裝，有封裝有規(guī)范成文的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，微系統(tǒng)的生產(chǎn)制造于此還有相當(dāng)大的距離。
典型的微系統(tǒng)組成示意圖,微傳感器將外界信息(聲、光、熱、力等)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)并傳遞給微信號(hào)控制處理電路,經(jīng)過信號(hào)轉(zhuǎn)換(包括數(shù)/模轉(zhuǎn)換)、處理、分析、決策后,將指令傳遞給微執(zhí)行器,微執(zhí)行器根據(jù)指令對外界發(fā)生響應(yīng)、操作、顯示或通信等作用。微傳感器可以將物理量轉(zhuǎn)化為電學(xué)信號(hào),微控制電路可以進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)換、放大、計(jì)算等處理,微執(zhí)行器則根據(jù)指令自動(dòng)完成人們所需要的操作,上述過程消耗的電能由微能源器提供,這樣就形成具有感知、決策、通信和反應(yīng)控制能力的智能集成微系統(tǒng)。
圖3 典型的微系統(tǒng)組成示意圖
二 MEMS 產(chǎn)品分類
MEMS產(chǎn)品從微器件的角度分為傳感器、執(zhí)行器和微結(jié)構(gòu)件三類。所謂傳感器，就是將外部感應(yīng)的物理量轉(zhuǎn)換為電信號(hào)；而執(zhí)行器正好相反，將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的物理量如運(yùn)動(dòng)、聲波等。傳感器又分為慣性類、環(huán)境類、光學(xué)類、壓力、聲學(xué)等幾類；執(zhí)行器分為光學(xué)類、微流體類、射頻類、微結(jié)構(gòu)類、微揚(yáng)聲器等幾類，具體見下表
表1 MEMS傳感器與執(zhí)行器分類
微傳感器：基于MEMS工藝的，能把被測量物理量轉(zhuǎn)換成微電信號(hào)輸出的器件，通常由敏感元件和傳輸元件組成。如下圖3圖3 MEMS微傳感器原理框圖
微執(zhí)行器能把電信號(hào)（電能）轉(zhuǎn)換為機(jī)械能等其它形式能量輸出的器件，通常由致動(dòng)元件和傳輸元件組成。圖3 MEMS微執(zhí)行器原理框圖
MEMS器件以硅為主要材料。硅的強(qiáng)度、硬度和楊氏模量與鐵相當(dāng)。密度類似于鋁，熱傳導(dǎo)率接近銅和鎢，因此MEMS器件機(jī)械電氣性能優(yōu)良。它集中了當(dāng)今科學(xué)技術(shù)發(fā)展的許多尖端成果。通過微型化、集成化可以探索新原理、新功能的元件和系統(tǒng)，將開辟一個(gè)新技術(shù)領(lǐng)域。
三 MEMS 傳感器
3.1 靜電MEMS 傳感器
許多MEMS 驅(qū)動(dòng)器都是利用靜電力作用驅(qū)動(dòng)力。在很多微型電動(dòng)機(jī)和制動(dòng)器的設(shè)計(jì)工作中，準(zhǔn)確的估算靜電力大小是非常重要的。
MEMS 靜電驅(qū)動(dòng)器利用靜電吸引力實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)，靜電驅(qū)動(dòng)在小尺寸（1~10μm）時(shí)效率很高，并且容易實(shí)現(xiàn)精確控制，但隨著距離增加，靜電力以平方的速度減少，因此作用距離有限。根據(jù)驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)的不同，靜電驅(qū)動(dòng)可以分為三類：平板驅(qū)動(dòng)、平面梳齒驅(qū)動(dòng)和垂直梳齒驅(qū)動(dòng)。
3.2 平行板之間的靜電力
圖1 平行板電容器
如圖1 平行板電容器，根據(jù)電容的定義的電容可以表示為
（1）
，為介質(zhì)材料的相對介電常數(shù)和真空中的節(jié)點(diǎn)常數(shù)。
根據(jù)圖1 平行板電容器之間的電勢能為
（2）
當(dāng)極板間施加驅(qū)動(dòng)電壓時(shí)，靜電吸引力可通過公式(3)表示
（3）
由公式可得靜電吸引力與可動(dòng)基板的寬和長成正比，與相對極板間距的平方成反比，與驅(qū)動(dòng)電壓的平方成正比。
設(shè)一個(gè)平行板電容器是由尺寸L=W=1mm（1000um）的上下兩塊板子組成。當(dāng)兩板間距為2um時(shí)，電壓為100V，在空氣中兩個(gè)板之間的靜電力為。
既當(dāng)平板電極上加100V電壓時(shí)產(chǎn)生的靜電力為100mN。
當(dāng)平板電極在W或者L方向發(fā)生偏移移動(dòng)時(shí)在W和L方向產(chǎn)生的靜電力根據(jù)（3）計(jì)算為
同樣計(jì)算當(dāng)d=2um不變，平行板在w方向發(fā)生微小偏移。
3.3 微型梳驅(qū)動(dòng)
平面梳齒驅(qū)動(dòng)由一組固定在襯底上的固定梳齒和一組由彈性結(jié)構(gòu)支撐的可動(dòng)梳齒組成，兩者間隔交叉形成梳齒結(jié)構(gòu)。如圖2所示
圖2 平面梳尺結(jié)構(gòu)
其中，L 表示梳齒長度，g 表示梳齒間距，x 表示梳齒交疊長度。當(dāng)在可動(dòng)梳齒和固定梳齒之間施加一個(gè)驅(qū)動(dòng)電壓時(shí)，如圖3所示，在梳齒間會(huì)產(chǎn)生不均勻的電場，在靜電吸引力作用下，可動(dòng)梳齒會(huì)朝著固定梳齒運(yùn)動(dòng)。
圖3平面梳齒驅(qū)動(dòng)器的運(yùn)動(dòng)
如下圖4 所示，設(shè)電極電壓為200V，梳齒寬度為5um，兩邊間隙g為2um，忽略邊緣效應(yīng)情況下，計(jì)算動(dòng)齒移動(dòng)產(chǎn)生的靜電力。
圖4 單梳齒驅(qū)動(dòng)器
根據(jù)式（5）
梳齒有上下兩個(gè)面，由此可以得到產(chǎn)生的拉力為2X1.77um=3.54uN?？梢钥吹?00V的電壓才產(chǎn)生3.54uN的力，為了使得降低電壓，可以采用并列多齒的結(jié)構(gòu)，如圖5.
圖5 多齒并列移動(dòng)
隨著齒的數(shù)量N的增加，設(shè)F=5uN，則可以計(jì)算
（6）
可以得到電壓隨著梳齒數(shù)量N的變化如下圖6，梳齒數(shù)量為100個(gè)時(shí)，驅(qū)動(dòng)電壓為20V。
圖6 驅(qū)動(dòng)電壓與梳齒數(shù)量的關(guān)系
當(dāng)驅(qū)動(dòng)電壓為變化值，由諧振器的工作原理可知，施加在梳齒兩端的電壓包括了直流偏置電壓和交流驅(qū)動(dòng)電壓兩部分，即
（7）
式中為直流偏置電壓，為交流電壓。
將（7）帶入到（3）得到
第一項(xiàng)為
為直流項(xiàng)目。第二項(xiàng) 為交流項(xiàng)。第三項(xiàng)為
二階高頻項(xiàng)目。二階項(xiàng)目可以忽略。驅(qū)動(dòng)力隨著電壓的變化為正弦變化，變化的頻率為。如圖5所示，梳齒收到一個(gè)恒定振幅值得驅(qū)動(dòng)力作用下，做周期性受迫運(yùn)動(dòng)。
