MEMS技术的特点和应用场景

毫无疑问,MEMS会不断有新的应用领域,MEMS产品因其功能丰富、尺寸小、性能特征独特和成本低的优势在市场中极具竞争力。与传统机电系统相比,MEMS不仅是将体积缩小,而且在材料特性、加工、成本和检测等方面有很大的不同,具有以下几个特点。

①尺寸小型化。

典型MEMS器件的长度尺寸通常在1 mm～1 cm 范围内(MEMS器件阵列或整个系统的尺寸可能会更大)。小尺寸可以带来柔性支撑、高谐振频率、高灵敏度和低热惯性等许多优势,例如,微机械设备的传热速度通常很快。小型化意味着MEMS器件可以非插入式地集成到关键系统中。从实际应用的角度来看,更小的器件尺寸既可以在每个晶元上集成更多的器件,又可以实现更大的规模经济。

②制造材料性能优良。

MEMS器件以硅为主要材料,硅的强度、硬度和杨氏模量与铁相当,密度类似于铝,热传导率接近铜和钨,因此MEMS器件的机械电气性能优良。硅的物质特性有一定的优点,单晶体的硅遵守胡克定律,几乎没有弹性滞后的现象,因此几乎不耗能,其运动特性非常可靠。此外,硅不易折断,因此非常可靠,其使用周期可以达到上兆次。地球表层硅的含量为2%,几乎取之不尽,因此MEMS产品在经济性方面更具竞争力。

③可以进行高精度、低成本的批量制造。

MEMS技术可以高精度地加工小尺寸的二维或三维微结构,而传统机械加工技术不能重复地、高效地或低成本地加工这些微结构。结合光刻技术,MEMS技术可用于加工独特的三维结构,采用传统的机械加工或制造技术制造这些结构难度大且低效。现代光刻系统和光刻技术可以很好地定义结构,整片工艺的一致性好,批量制造的重复性也非常好。若单个MEMS传感器芯片面积为5 mm×5 mm,则一个直径为20 cm 的硅片可切割出约1 000个MEMS传感器芯片,这样分摊到每个芯片上的制造成本则可大幅度降低。(www.xing528.com)

④采用微电子集成。

MEMS最独特的特点之一是可以将机械传感器和执行器、处理电路、控制电路同时集成在同一块芯片上。这种集成方式称为单片集成,即应用整片衬底的加工流程,将不同部件集成在单片衬底上。

⑤涉及多学科。

MEMS涉及物理学、电子工程、化学、材料工程、机械工程、医学、信息工程及生物工程等多种学科和工程技术,并集约了当今科学技术发展的许多尖端成果。

⑥方便扩展。

由于MEMS技术采用模块设计,因此设备运营商在增加系统容量时只需要直接增加器件/系统数量,而不需要预先计算所需要的器件/系统数量,这对于运营商是非常方便的。