5分钟带你了解什么是MEMS

　　或许MEMS技术的一个最有趣特性是设计师得以展示在如此小规模的物理域中发掘物理独特性的能力——这一主题随后将再次谈及。

　　图2：简化的MEMS加速度计

　　MEMS现状

　　基于各种原因，许多MEMS产品在商业上取得了巨大成功，其中许多器件已经获得广泛应用。汽车工业是MEMS技术的主要驱动力之一。例如MEMS振动结构陀螺仪，是一款新的相当便宜的设备，目前用于汽车防滑或电子稳定控制系统中。村田电子的SCX系列MEMS加速度计、陀螺仪和倾斜仪，以及将这些功能集成在一个单芯片中可助力特定的汽车应用---因为它们的精度要求可能会非常高。基于MEMS的气囊传感器自上世纪90年代起在几乎所有汽车中已经普遍取代了机械式碰撞传感器。图2显示了一个简化的MEMS加速度计示例，同碰撞传感器中使用的类似。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18×14×8.8毫米(4x4元件类型)。

　　当然，当前的MEMS技术不限于单个传感器器件，考虑一下人的感官：单只眼带给我们颜色、运动和(一些)位置信息，而两只眼睛将带来双眼视觉，改善立体感知。事实上，我们的许多感知体验需要感官的组合，这样的感知才是最终有意义的。我们的思路是，通过将传感数据组合起来，可以弥补单个感官器官的弱点和缺点，并达到某种程度上最佳的环境理解。在人类领域，这就是所谓的“多通道整合”;而在电子领域，这就是所谓的传感器融合。传感器融合，特别是当它涉及到MEMS时，是移动设备中传感器技术的一个重要的进展。许多制造商已经开始提供完整的解决方案，如飞思卡尔面向Win8的12轴Xtrinsic传感器平台。该平台集成了3轴加速度计，3轴磁力计，压力传感器，3轴陀螺仪，环境光传感器，并带有一个ColdFire + MCU，以提供一个完全硬件解决方案——还打包提供专用的传感器融合软件。

　　随着MEMS器件的优势获得认可，MEMS市场步伐也在持续加快。据YoleDéveloppement2012年MEMS产业报告中所述，在接下来6年，MEMS“将继续保持平稳、持续的两位数增长”，2017年全球市场价值将达到210亿美元。

　　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。