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什么是MEMS(微机电系统)?

微机电系统(英语:Microelectromechanical Systems,缩写为 MEMS)是将微电子技术与机械工程融合到一起的一种工业技术,它的操作范围在微米尺度内。微机电系统由尺寸为1至100微米(0.001至0.1毫米)的部件组成,一般微机电装置的通常尺寸在20微米到一毫米之间。微机电系统在日本称微机械(micromachines),在欧洲称微系统技术(Micro Systems Technology,MST)。

比微机电系统更小,在纳米范围的类似技术称为纳机电系统(nanoelectromechanical systems,NEMS)。

微机电系统与分子纳米技术或分子电子学的超前概念不同。它们内部通常包含一个微处理器和若干获取外界信息的微型传感器。相比大尺寸的机械装置,由于MEMS的大表面积与体积比,MEMS在设计时需要考虑环境电磁作用(例如静电荷和磁矩)和流体动力学(例如表面张力和粘度)。 MEMS技术与分子纳米技术或分子电子学的区别在于后者还必须考虑表面化学。

微机电系统的实现得力于用来制造电子装置的半导体加工技术,并加以改造,使微机电系统可以应用到实际上。这些加工方式包含了微米等级的模塑成型(molding)、镀层(plating)、湿法刻蚀(氢氧化钾,四甲基氢氧化铵)和干法刻蚀(RIE和DRIE)、电火花加工(EDM),和其他一些能够制造微小型装置的加工方式。

微机电系统应用的一个知名实例是在苹果公司的手提通讯装置中,该公司较新的手机用MEMS振荡器取代以往的石英晶体振荡器产生时脉讯号,但由于氦原子会渗入MEMS积体电路的封装内,改变MEMS振荡电路的工作情况,因此使氦气影响了iPhone、Apple Watch和iPad等设备的使用,以致用户处于不知觉氦气泄漏环境的时候手机失效,直到离开氦气泄漏环境一段时间,氦气消散后才恢复,此事经媒体报导后广为人知。

微机电系统是微米大小的机械系统,其中也包括不同形状的三维平板印刷产生的系统。这些系统的大小一般在微米到毫米之间。在这个大小范围中日常的物理经验往往不适用。比如由于微机电系统的面积对体积比比一般日常生活中的机械系统要大得多,其表面现象如静电、润湿等比体积现象如惯性或热容量等要重要。它们一般是由类似于生产半导体的技术如表面微加工、体型微加工等技术制造的。其中包括更改的硅加工方法如压延、电镀、湿蚀刻、干蚀刻、电火花加工等等。

生产微机电系统的公司的大小各不相同。大的公司主要集中于为汽车、生物医学或电子工业生产大批量的便宜的系统。成功的小公司则集中于生产创新的技术。所有这些公司都致力于研究开发。随着传感器的发展微机电系统的复杂性和效率不断提高。

常见应用有:

  • 在喷墨打印机里作为压电元件
  • 在汽车里作为加速规来控制碰撞时安全气囊防护系统的施用
  • 在汽车里作为陀螺来测定汽车倾斜,控制动态稳定控制系统
  • 在轮胎里作为压力传感器,在医学上测量血压
  • 数字微镜芯片
  • 微型麦克风阵列
  • MEMS微型投影仪
  • 在计算机网络中充当光交换系统,这是一个与智能灰尘技术的融合