一文阅尽“霸屏”电子产品的MEMS及其工作原理

/铰链的尺寸从而微镜倾斜特定角度，将入射光线向特定角度反射。大量微镜可以形成一个阵列从而进行大面积的反射。锚/铰链的尺寸控制可以通过许多方式实现，一种简单的方式便是通过加热使其热膨胀，当不同想同一个微镜的不同锚/铰链通入不同电流时，可以使它们产生不同形变，从而向指定角度倾斜。TI采用的是静电驱动方式，通入电，产生静电力来倾斜微镜。

　　图15 微镜的SEM示意图

　　图16 微镜结构示意图

　　德州仪器的数字微镜器件（DMD），广泛应用于商用或教学用投影机单元以及数字影院中。每16平方微米微镜使用其与其下的CMOS存储单元之间的电势进行静电致动。灰度图像是由脉冲宽度调制的反射镜的开启和关闭状态之间产生的。颜色通过使用三芯片方案（每一基色对应一个芯片），或通过一个单芯片以及一个色环或RGB LED光源来加入。采用后者技术的设计通过色环的旋转与DLP芯片同步，以连续快速的方式显示每种颜色，让观众看到一个完整光谱的图像 （5分钟带你了解什么是MEMS）。

　　TI有一个非常非常具体生动的视频介绍该产品，你可以在这个视频中看到整个微镜阵列如何对光进行不同角度的折射。

　　图17. 微镜反射光线示意图

　　MEMS 加速度计

　　加速度传感器是最早广泛应用的MEMS之一。MEMS，作为一个机械结构为主的技术，可以通过设计使一个部件（图X中橙色部件）相对底座substrate产生位移（这也是绝大部分MEMS的工作原理），这个部件称为质量块（proof mass）。质量块通过锚anchor，铰链hinge，或弹簧spring与底座连接。绿色部分固定在底座。当感应到加速度时，质量块相对底座产生位移。通过一些换能技术可以将位移转换为电能，如果采用电容式传感结构（电容的大小受到两极板重叠面积或间距影响），电容大小的变化可以产生电流信号供其信号处理单元采样。通过梳齿结构可以极大地扩大传感面积，提高测量精度，降低信号处理难度。加速度计还可以通过压阻式、力平衡式和谐振式等方式实现。

　　图18 MEMS加速度计结构示意图

　　图19 MEMS加速度计中位移与电容变化示意图

　　汽车碰撞后，传感器的proof mass产生相对位移，信号处理单元采集该位移产生的电信号，触发气囊。更直观的效果可以观看视频。

　　图20. 汽车碰撞后加速度计的输出变化。

　　打印喷嘴

　　一种设计精巧的打印喷嘴如下图所示。两个不同大小的加热元件产生大小不一的气泡从而将墨水喷出。具体过程为：1，左侧加热元件小于右侧加热元件，通入相同电流时，左侧产生更多热量，形成更大气泡。左侧气泡首先扩大，从而隔绝左右侧液体，保持右侧液体高压力使其喷射。喷射后气泡破裂，液体重新填充该腔体。

　　图21. 采用气泡膨胀的喷墨式MEMS

　　图22. HP生产的喷墨式MEMS相关产品

　　开关/继电器

　　MEMS继电器与开关。其优势是体积小（密度高，采用微工艺批量制造从而降低成本），速度快，有望取代带部分传统电磁式继电器，并且可以直接与集成电路IC集成，极大地提高产品可靠性。其尺寸微小，接近于固态开关，而电路通断采用与机械接触（也有部分产品采用其他通断方式），其优势劣势基本上介于固态开关与传统机械开关之间。MEMS继电器与开关一般含有一个可移动悬臂梁，主要采用静电致动原理，当提高触点两端电压时，吸引力增加，引起悬臂梁向另一个触电移动，当移动至总行程的1/3时，开关将自动吸合（称之为pull in现象）。

　　图23. MEMS开关断合示意图

　　生物试验类

　　MEMS器件由于其尺寸接近生物细胞，因此可以直接对其进行操作（链接）。

　　图24. MEMS操作细胞示意图

　　NEMS（纳机电系统）

　　NEMS（Nanoelectromechanical systems， 纳机电系统）与MEMS类似，主要区别在于NEMS尺度/重量更小，谐振频率高，可以达到极高测量精度（小尺寸效应），比MEMS更高的表面体积比可以提高表面传感器的敏感程度，（表面效应），且具有利用量子效应探索新型测量手段的潜力。

　　首个NEMS器件由IBM在2000年展示， 如图25所示。器件为一个 32X32的二维悬臂梁（2D cantilever array）。该器件采用表面微加工技术加工而成（MEMS中采用应用较多的有体加工技术，当然MEMS也采用了不少表面微加工技术，关于微加工技术将会在之后的专题进行介绍）。该器件设计用来进行超高密度，快速数据存储，基于热机械读写技术（thermomechanical writing and readout），高聚物薄膜作为存储介质。该数据存储技术来源于AFM（原子力显微镜）技术，相比磁存储技术，基于AFM的存储技术具有更大潜力。

快速热机械写入技术（F