MEMS——一個智能而完整的微機(jī)械

作者：Erik Emanuelli

編譯：梟梟

電子信息時代，無論是工業(yè)應(yīng)用還是消費(fèi)應(yīng)用，主要都是朝著嵌入式的方向發(fā)展，因此低成本、小型、電池供電和多功能的解決方案是未來電子應(yīng)用發(fā)展的主流。

這種類型的解決方案需要一種新的人與電子設(shè)備之間的接口模式，這種模式顯然更接近人類的通信模式，而不是機(jī)器的通信模式。這種需求不是源自“想將機(jī)器帶入人類通信水平”，而是源自我們強(qiáng)烈需要小型化，以及需要解決多應(yīng)用下，信息高復(fù)雜性下的兼容性需求。

在這種微電子應(yīng)用技術(shù)革新的情況下，傳感器和執(zhí)行器作為基本部件，在連接信息的物理性質(zhì)和機(jī)器中以邏輯形式表示的抽象信息方面發(fā)揮著非常重要的作用。微系統(tǒng)就是對這種創(chuàng)新需求的技術(shù)回答。

微系統(tǒng)是六十年代開始在實(shí)驗(yàn)室里研究的結(jié)果，然后轉(zhuǎn)入工業(yè)領(lǐng)域。

四十年后的今天，我們每天都在不知不覺中與這項(xiàng)技術(shù)的產(chǎn)品進(jìn)行互動。MEMS(微機(jī)電系統(tǒng))器件，如加速度計(jì)、陀螺儀等，在電子行業(yè)的各個領(lǐng)域都有很多應(yīng)用，既有成熟的，也有新興的；MEMS壓力傳感器應(yīng)用于汽車領(lǐng)域/消費(fèi)電子領(lǐng)域；MEMS在打印機(jī)頭領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，在視頻投影儀中應(yīng)用的微鏡領(lǐng)域占主導(dǎo)地位等等。

MEMS——創(chuàng)新的傳感器技術(shù)

傳感器在經(jīng)過多年與自動化世界密切相關(guān)的發(fā)展之后，近年來已經(jīng)在其他領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用中扮演了創(chuàng)新技術(shù)的角色。

例如，通信世界和整個消費(fèi)領(lǐng)域都是吸引創(chuàng)新傳感器技術(shù)的的應(yīng)用領(lǐng)域。專注于創(chuàng)新傳感器技術(shù)的公司IST,已經(jīng)使其傳感器更高效，而且比過去更加通用和小型化。

在過去的二十年里，傳感器技術(shù)的發(fā)展是非常迅速的，但只是在最近幾年才將最創(chuàng)新的技術(shù)發(fā)揮出來。越來越明顯的嵌入式實(shí)現(xiàn)應(yīng)用的趨勢，推動了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界研究在傳感領(lǐng)域的創(chuàng)新解決方案。智能傳感器和基于MEMS技術(shù)的傳感器是最有趣的，因?yàn)槌颂岣咝阅埽鼈冞€大大擴(kuò)展了應(yīng)用領(lǐng)域。

除了經(jīng)典的方法（計(jì)數(shù)、間接、插值等），先進(jìn)的傳感器技術(shù)，特別是所謂的自適應(yīng)技術(shù)，允許創(chuàng)建具有物理世界接口的應(yīng)用，能夠支持特別困難的功能條件，而不會顯著影響最終應(yīng)用的成本和尺寸。

另一種非常有趣的傳感器技術(shù)是射頻或無線技術(shù)。其中一個解決方案是基于表面聲波的。這些設(shè)備除了能夠通過傳輸數(shù)字(ID號)來識別自己外，還能夠傳輸物理測量值(溫度、壓力、濕度、加速度等)，而不需要電源。該傳感器由一個Saw（表面聲波）應(yīng)答器和一個無線電收發(fā)器組成。Saw收發(fā)器接收射頻脈沖，并以射頻信號被動響應(yīng)。Saw傳感器的響應(yīng)方式(振幅、頻率、相位和延遲)與被詢問時進(jìn)行的測量直接相關(guān)。

傳感器創(chuàng)新的另一個方面是網(wǎng)絡(luò)管理。特別是無線網(wǎng)絡(luò)管理受到傳感器和微控制器制造商的關(guān)注，因?yàn)檫@兩種設(shè)備都需要在其內(nèi)部集成這一功能，從而使傳感器在工業(yè)和消費(fèi)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。

MEMS——一個智能而完整的微機(jī)械

多年來，MEMS一直處于小眾應(yīng)用領(lǐng)域。但經(jīng)過20年在大學(xué)和工業(yè)研究實(shí)驗(yàn)室的發(fā)展，現(xiàn)在微電子機(jī)械系統(tǒng)與新一代傳感器一起，代表了對系統(tǒng)功能的完美補(bǔ)充，越來越多地嵌入到自然界中，并接近用戶的操作模式。

Mems技術(shù)可以將機(jī)械元件與電子電路集成在一個部件中，用于信號控制和處理。通過利用硅的優(yōu)良物理特性（更堅(jiān)固，具有更好的熱特性，其重量相當(dāng)于鋼的三分之一），除了各種微致動器外，還可以制造用于檢測機(jī)械量的微傳感器：壓力、振動、線性和角度加速度等。

此外，硅實(shí)現(xiàn)了將這些量轉(zhuǎn)化為模擬或數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的功能，這些數(shù)據(jù)可以很容易地被復(fù)雜的電子系統(tǒng)解釋。所有的設(shè)備都裝在一個微小的封裝中：一個智能而完整的微機(jī)械。

Mems器件現(xiàn)在已經(jīng)達(dá)到了必要的技術(shù)成熟度，證明了多種應(yīng)用的合理性，其中許多應(yīng)用在電子的各個領(lǐng)域都是新興的、創(chuàng)新的。

Mems技術(shù)可以同時利用硅的電氣和機(jī)械特性，因此，除了現(xiàn)在已經(jīng)整合的IT、工業(yè)和汽車應(yīng)用外，越來越多地被廣泛的消費(fèi)電子應(yīng)用所采用。測量或檢測運(yùn)動（振動、傾斜度、加速度）可以使設(shè)備更容易使用，并為電子游戲等應(yīng)用提供新的真實(shí)性和互動性。

近些年來，基于Mems的應(yīng)用不斷擴(kuò)大，主要原因是Mems傳感器的成本下降，這也得益于8英寸硅片生產(chǎn)的轉(zhuǎn)變。

在消費(fèi)電子領(lǐng)域，Mems傳感器使創(chuàng)建更直觀、更友好的人機(jī)界面成為可能。這些可能性，應(yīng)用于游戲遙控器或手機(jī)、播放器和手持電腦等消費(fèi)類產(chǎn)品，可以在低成本和深度嵌入式設(shè)備中實(shí)現(xiàn)以前難以想象的控制和交互功能。

MEMS的潛力和應(yīng)用

Mems提供的技術(shù)創(chuàng)新潛力不僅可以獲得新的概念產(chǎn)品，而且還可以將機(jī)器和用戶之間的互動模式付諸實(shí)踐，而這些模式到目前為止只在計(jì)算密集型技術(shù)中找到了解決方案，例如聲紋識別。

其次，Mems加速度計(jì)可以讓你通過運(yùn)動與機(jī)器進(jìn)行非常有效和直觀的互動，而且不會給系統(tǒng)帶來過多的計(jì)算負(fù)荷。

Mems傳感器還被應(yīng)用于數(shù)碼相機(jī)中，在拍照時對不需要的動作進(jìn)行補(bǔ)償和穩(wěn)定。

在新興的玩具市場，加速度計(jì)和陀螺儀感知運(yùn)動，使玩具知道自己在空間中的位置，然后采取相應(yīng)的行動。

在IT等附加值較高的應(yīng)用中，Mems傳感器有助于保護(hù)筆記本電腦中數(shù)據(jù)的完整性，當(dāng)筆記本電腦發(fā)生自由落體或其他異常運(yùn)動時，Mems傳感器會及時向系統(tǒng)發(fā)出停止操作的命令。在硬盤上進(jìn)行讀寫，并將讀取硬盤的磁頭移動到不損壞存儲表面的位置。

在汽車領(lǐng)域，Mems傳感器有很多應(yīng)用，包括安全氣囊傳感器、防盜報警和導(dǎo)航系統(tǒng)。在后一種情況下，它們被用于輔助導(dǎo)航系統(tǒng)中，在GPS信號暫時缺失的情況下，使用移動和行進(jìn)距離跟蹤來保持正確的定位讀數(shù)。

在工業(yè)領(lǐng)域，加速度計(jì)正忙于檢測洗衣機(jī)、洗碗機(jī)和其他新型電器中的振動，以提醒用戶注意不平衡的負(fù)載，并在故障發(fā)生前檢測機(jī)械部件的過度磨損。

對于安全系統(tǒng)，應(yīng)用涉及基于Mems加速度計(jì)的防盜設(shè)備，例如保護(hù)汽車、公文包、筆記本電腦和任何可能被偷走的設(shè)備。

編輯：hfy