深入講解MEMS技術及其應用

什麼是 MEMS 裝置及其應用？

MEMS（微機電系統）裝置主要用於汽車和消費性電子產業。未來，它們預計將在醫療、工業和航空航太市場中變得更加普遍。 MEMS到底是什麼？其特點是什麼？設計和製造 MEMS 裝置有哪些挑戰？本文將回答這些問題。

什麼是微機電系統？

微機電系統（MEMS），在歐洲也稱為微系統，在日本也稱為微型機械，是一類具有微小尺寸和獨特製造工藝的裝置。 MEMS元件的特徵長度範圍為1毫米到1微米——1微米比人類頭髮的直徑小得多。

MEMS 通常使用常見機械零件和工具的微觀對應物。這些可能包括通道、孔、懸臂、膜、空腔和其他結構。然而，MEMS 製造本質上並不是機械製造。相反，MEMS 設備是使用類似於積體電路 (IC) 中使用的批量處理微製造技術來生產的。

如今，許多產品都採用了 MEMS 技術，包括微型熱交換器、噴墨列印頭、用於高清投影機的微鏡陣列、壓力感測器和紅外線探測器。

為什麼我們需要 MEMS？

「他們告訴我一種指甲蓋大小的微型馬達。他們告訴我，市場上有一種設備，可以透過它在針尖上書寫。但這沒什麼——這是我要暫停的最小的一步。在這之下，是一個小得驚人的世界。當他們回顧 2000 年時，他們會想知道為什麼直到 1960 年才有人認真開始朝這個方向努力。
— Richard Feynman，“There's Plenty of Room at the Bottom”，於 29 年 1959 月 XNUMX 日在加州理工學院舉行的美國物理學會會議上發表。

理查德·費曼（Richard Feynman）在他著名的演講“底部有足夠的空間”中描述了我們如何在針尖上寫下整個大英百科全書。但我們可能會問：為什麼我們需要以如此小的規模創建這些物件？

MEMS 裝置可以執行許多與大型裝置相同的任務，同時具有多種獨特的優勢。其中最明顯的就是小型化。如前所述，MEMS 裝置足夠小，可以使用類似於積體電路產業中使用的批量製造流程進行大量生產。這種大規模製造大大降低了大規模生產的成本。此外，MEMS 裝置的製造通常需要非常少量的材料，這進一步降低了成本。

除了更具成本效益外，MEMS 裝置還可以應用於大型替代品無法應用的領域。例如，在智慧型手機、相機、安全氣囊控制單元或類似的輕便設備中，不可能使用傳統的金屬球和彈簧來設計加速度計。然而，透過將尺寸縮小幾個數量級，MEMS 裝置可以用於傳統感測器無法適應的應用。

MEMS 技術的另一個優點是易於整合。由於 MEMS 使用與 ASIC（專用積體電路）類似的製造工藝，因此 MEMS 結構可以更輕鬆地與微電子整合。雖然將 MEMS 與 CMOS（互補金屬氧化物半導體）結構整合到真正整合的裝置中具有挑戰性，但這一目標正在逐漸實現。許多製造商正在使用混合方法來創建具有成本效益且商業上成功的 MEMS 產品。

德州儀器 (TI) 的數位微鏡裝置 (DMD) 就是一個例子，它是其 DLP®（數位光處理）技術的核心，廣泛應用於商業和教育投影機以及數位影院。每個 16 微米微鏡均由其與其底層 CMOS 儲存單元之間的電位差進行靜電驅動。灰階影像是透過鏡子的開/關狀態創建的，並且透過三晶片系統（每種原色一個）或帶有色輪或 RGB LED 光源的單晶片系統添加顏色。

也許 MEMS 技術最令人著迷的特點之一是設計人員如何利用如此小尺度的獨特物理特性。稍後將進一步探討這一點。

微機電系統的應用

由於種種原因，許多MEMS產品取得了巨大的商業成功，許多裝置現已廣泛應用。汽車產業是MEMS技術的主要驅動力之一。例如，基於MEMS的振動結構陀螺儀是一種新型且經濟實惠的設備，目前用於防鎖死煞車系統或電子穩定控制系統。 Murata 的 SCX 系列 MEMS 加速計、陀螺儀和傾斜計感測器以及將這些功能整合到單一晶片中的感測器支援高精度汽車應用。自 1990 年代以來，基於 MEMS 的安全氣囊感測器已經取代了幾乎所有汽車中的機械碰撞感測器。圖 2 顯示了簡化的 MEMS 加速度計，類似於碰撞感測器中使用的加速度計。帶有連接到一個或多個固定點的質量塊的懸臂充當彈簧。當感測器沿著樑的軸加速時，梁移動一定的距離，可以透過樑的「齒」和外部固定導體之間的電容變化來測量該距離。

許多商業和工業噴墨印表機使用基於 MEMS 的列印頭，該列印頭可儲存墨滴並在需要時精確分配它們，這種技術稱為按需噴墨 (DoD)。將墨滴放置在壓電材料（例如鋯鈦酸鉛）上，並施加電壓來擠壓墨水。這會增加列印頭墨水室中的壓力，從噴嘴中擠出少量墨水。

同時，一些MEMS技術才剛開始大規模進入市場。微機械繼電器 (MMR) 與歐姆龍開發的繼電器一樣，速度更快、效率更高，並且具有前所未有的整合度。歐姆龍利用其在 MEMS 領域的專業知識，向市場推出了新型溫度感測器：D6T 非接觸式 MEMS 溫度感測器。 D6T MEMS 感測器將 ASIC 和熱電堆元件整合到緊湊型非接觸式溫度感測器中，尺寸僅為 18×14×8.8 mm（對於 4×4 元件類型）。

MEMS設計與製造

「小型機器遇到的問題很有趣。首先，如果各個部分的壓力保持相同，則力會隨著面積的縮小而減小，因此重量和慣性可以忽略不計。換句話說，材料的強度變得更加重要。例如，當我們減小尺寸時，除非轉速成比例增加，否則飛輪引起的離心力將需要保持相同比例的壓力和膨脹。
——理查德·費曼，“底部有足夠的空間”

縮放和小型化

MEMS 設計和製造的介紹通常從縮放和小型化的回顧開始。例如，如果我們問為什麼不能簡單地將空氣壓縮機或吊扇縮小到跳蚤大小，答案就在於壓縮定律。跳蚤大小的風扇與正常大小 1,000 倍的風扇的運作方式不同，因為所涉及的力發生了變化。比例因子 S 可以幫助我們理解在這種情況下會發生什麼。

考慮一個面積等於其長度和寬度的乘積的矩形。如果將矩形縮小 100 倍（即長和寬都除以 100），則其面積將縮小 (1/100)^2 = 1/10,000。因此，該區域的比例因子為 S²。同樣，體積的比例因子是 SXNUMX，這意味著隨著尺度的縮小，體積的影響變得比表面積的影響大得多。

在給定的尺度上，仔細考慮不同力的比例因子可以揭示最相關的物理現象。表面張力與 S1 成比例，壓力和靜電力與 S2 成比例，磁力與 S3 成比例，重力與 S⁴ 成比例。這解釋了為什麼水黽可以在水上行走，以及為什麼滾珠軸承的性能與雙星系統不同。雖然完整的數學模型對於任何設計都是必要的，但比例因子指導我們設計 MEMS 尺寸的設備。

子系統建模

由於亞毫米裝置通常不直觀，因此建模在 MEMS 設計中至關重要。一般來說，一個完整的MEMS系統太複雜，無法作為一個整體進行建模，因此該系統通常分為多個子系統。

子系統建模的一種方法是按功能分類，例如感測器、執行器、微電子元件和機械結構。集總元件建模遵循這種方法，將系統的物理部件表示為理想化的分離組件。電路以相同的方式建模，使用理想化的電阻器、電容器、二極管和各種複雜元件。在許多情況下，電氣工程師使用基爾霍夫定律而不是麥克斯韋方程式來簡化電路建模。

與電子學類似，系統可以使用框圖進行抽象建模。在這個級別，每個組件的物理屬性被擱置，僅使用傳遞函數來描述系統。這種類型的 MEMS 模型更適合控制理論，這是高性能設計的重要工具。

設計整合

標準 IC 設計通常遵循一系列步驟，而 MEMS 設計則不同。設計、佈局、材料和包裝本質上是相互交織的。因此，MEMS 設計人員必須特別擅長確保整個系統從微型一直到成品設備都能良好運作。

MEMS 設計通常涉及機械和電氣工程師。這個跨學科團隊像處理整合系統一樣處理這項任務，其中包括機械、電氣、熱、光學、流體和生物子系統的耦合。因此，MEMS 設計有時被視為一種系統整合挑戰，而不僅僅是機械或電子挑戰。

結語

MEMS 技術為各種應用提供小型化、經濟高效的解決方案，徹底改變了許多產業。從感測器和執行器到基於 MEMS 的相機，這些設備正在推動汽車、電子、醫療保健等領域的創新。隨著 MEMS 技術的不斷進步，我們可以期待各行業在設計、效率和功能方面取得進一步突破。