MEMS技术及其应用详解

感器中使用的类似。一个带有一定质量块的悬臂梁连接到一个或多个固定点以作为弹簧。当传感器沿梁的轴线加速时，该梁会移动一段距离，这段距离可以通过梁的"牙齿"与外部固定导体之间的电容变化来测量。

　　许多商用和工业用喷墨打印机使用基于MEMS技术的打印机喷头，保持这些墨滴并在需要时精确地放下这些墨滴——这一技术被称为按需投放（DoD）。墨滴放置在横跨压电材料（比如 lead zirconateTItanate，）组成的元件中，通过施加的电压来进行挤压。这增加了打印头墨水室的压力，通过施力形成一个非常小量（相对压缩）的墨水，并从喷嘴中喷出。

　　图3：基于MEMS按需投放的打印机头

　　与此同时，其它一些MEMS技术才刚开始大规模进入市场。微机械继电器（MMR），比如欧姆龙开发的，这种继电器更快，更高效，其集成度前所未有。欧姆龙发挥了自己的微机电系统专业优势，为市场带来新款温度传感器：D6T非接触式MEMS温度传感器。该D6TMEMS制作过程中集成了ASIC和热电堆元件，所以这种小型化的非接触式温度传感器大小仅为18&TImes;14×8.8毫米（4x4元件类型）。

　　MEMS设计与制造

　　"有趣的是，这样小的机器会遇到什么问题。首先，如果各部分压力维持相同程度，力随面积减小而变化，这样重量以及惯性等将相对无足轻重。换句话说，材料的强度所占比重将增加。比如，随着我们减小尺寸，除非旋转速度同比增加，飞轮离心力导致的压力和膨胀才能维持相同比例。"

　　——理查德·费曼，"底部仍然存在充足的空间"

　　缩放和小型化

　　MEMS 设计和制造的介绍往往起始于对缩放和小型化的回顾。例如，如果我们问，为什么不能简单地将一个空气压缩机或吊扇收缩到跳蚤大小的规模？答案是压缩定律。跳蚤大小的吊扇与一个1000倍大的正常大小的风扇的运行方式不同，因为所涉及力之间的相互强度发生了变化。比例因子，S，有助于理解这中间发生了什么变化。

　　考虑一个矩形，其面积等于长度和宽度的乘积;如果矩形按比例因子缩小100（即长度/ 100和宽度/ 100），该矩形的面积缩小为原来（1/100）^2= 1/10000。因此，面积的比例因子是S2。同样，体积的比例因子是S3——因此随着缩放越来越小，体积的影响比表面（面积）的影响更大。

　　在一个给定的规模上，谨慎考虑不同力的比例因子可以揭示其中最相关的物理现象。表面张力的比例因子是S1，压力以及静电相关的力是S2，磁场力是S3，以及重力为S4。这就解释了水黾（或"水臭虫"）为什么可以在水面上行走，以及为何一对滚球轴承的表现与一个双星系统不同。虽然任何设计中都须要开发完整的数学模型，但比例因子有助于指导我们如何设计MEMS大小的器件。

　　子系统建模

　　由于亚毫米器件的直观性不强，模型对MEMS设计来说非常必要。一般来说，一个完整的微机电系统太过复杂，难以从整体上进行模型分析，因此，通常须要将该模型划分为多个子系统。

　　子系统建模的其中一种方式是按功能进行分类，比如传感器、作动器、微电子元件、机械结构等。集总元件建模采用了这种方法，将系统的物理部分表示为理想化特征的分离元件。电子电路以同样的方式进行建模，使用理想化的电阻、电容、二极管以及各种复杂元件。据我们了解，在可以的情况下，电路建模时电气工程师会使用大大简化的基尔霍夫电路定律，而不是使用麦克斯韦方程。

　　再次，如同电子领域一样，系统可以使用框图进行更抽象的建模。在该层次上，可以非常方便地将每个元件的物理特性放置在一边，而仅使用传递函数来描述系统。这种MEMS模型将更有利于控制理论技术，这是最高性能设计的一套重要工具。

　　设计集成

　　尽管标准IC设计通常由一系列步骤组成，但MEMS设计则截然不同；设计、布局、材料以及MEMS封装本质上是交织在一起的。正因为如此，MEMS设计比IC设计更复杂——通常要求每一个设计"阶段"同步发展。

　　MEMS封装过程可能是与CMOS设计分歧最大的地方。 MEMS封装主要是指保护设备免受环境损害，同时还提供一个对外接口以及减轻不必要的外部压力。 MEMS传感器通常须要进行应力测量，过大的应力可能因器件变形及传感器漂移而影响正常功能。

　　每个MEMS设计的封装往往是唯一的，并且必须进行专门设计。众所周知，在产业中封装成本占总成本的很大一部分——在某些情况下会超过50％。

　　MEMS封装没有统一标准，仅最近就有多种封装技术涌现，其中包括MEMS晶圆级封装（WLP）和硅通孔（TSV）技术。

　　制造

源自微电子，MEMS制造的优势在于批处理。就