微机电系统

✍ dations ◷ 2024-09-20 06:13:51 #机电一体化,电子工程,机械工程,纳米技术

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范围内。比它更小的,在纳米范围的类似技术被称为纳机电系统(nanoelectromechanical systems,NEMS)。微机电系统在日本被称作微机械(micromachines),在欧洲被称作微系统技术(Micro Systems Technology,MST)。

微机电系统与分子纳米技术(英语:Molecular nanotechnology)或分子电子学(英语:Molecular electronics)的超前概念不同。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,而且微机电设备的尺寸通常在20微米到一毫米之间。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。相比大尺寸的机械设备,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。

微机电系统的加工技术由半导体加工技术改造而来,使其可以应用到实际当中,而后者一般用来制造电子设备。其加工方式包含了molding and 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小型设备的加工方式。

苹果公司的设备以MEMS时钟代替石英钟。氦原子会破坏MEMS集成电路,使氦气影响iPhone、Apple Watch和iPad等设备。

微型机械的概念在相应的加工技术出现之前就被提出了。1959年,理查德·费曼在加州理工学院进行题为《底层还有大空间(英语:There's Plenty of Room at the Bottom)》的演讲。费曼在演讲中提出了在原子尺度上操纵物质的可能性以及将面临的挑战。1964年,西屋公司的一支团队制造出了第一批微机电设备。这种设备名叫谐振栅极晶体管(英语:resonant gate transistor)

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小得多,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。

常见的应用有:

设计微机电系统最重要的工具是有限元分析。

微机电系统有多种原材料和制造技术,选择条件是系统的应用、市场等等。

硅是用来制造集成电路的主要原材料。由于在电子工业中已经有许多实用硅制造极小的结构的经验,硅也是微机电系统非常常用的原材料。硅的物质特性也有一定的优点。单晶体的硅遵守虎克定律,几乎没有弹性滞后的现象,因此几乎不耗能,其运动特性非常可靠。此外硅不易折断,因此非常可靠,其使用周期可以达到上兆次。一般微机电系统的生产方式是在基质上堆积物质层,然后使用平板印刷和蚀刻的方法来让它形成各种需要的结构。

表面微加工是在硅芯片上沉积多晶硅然后进行加工。

深层刻蚀如深层反应离子刻蚀技术向硅芯片内部刻蚀。刻蚀到芯片内部的一个牺牲层。这个牺牲层在刻蚀完成后被腐蚀掉,这样本来埋在芯片内部的结构就可以自由运动了。

体型微加工与深层刻蚀类似,是另一种去除硅的方法。一般体型微加工使用碱性溶液如氢氧化钾来腐蚀平板印刷后留下来的硅。这些碱溶液腐蚀时的相对各向异性非常强,沿一定的晶体方向的腐蚀速度比其它的高1000倍。这样的过程往往用来腐蚀v状的沟。假如选择的原材料的晶向足够精确的话这样的沟的边可以非常平。

虽然电子工业对硅加工的经验是非常丰富和宝贵的,并提供了很大的经济性,但是纯的硅依然是非常昂贵的。高分子材料非常便宜,而且其性能各种各样。使用注射成形、压花、立体光固化成形等技术也可以使用高分子材料制造微机电系统,这样的系统尤其有利于微液体应用,比如可携测血设备等。

金属也可以用来制造微机电系统。虽然比起硅来金属缺乏其良好的机械特性,但是在金属的适用范围内它非常可靠。

MEMS研究人员使用一系列的工程软件工具来对他们的设计进行仿真和原型测试。MEMS设计中经常用到有限元素分析。对动态力,热度等等的仿真可以通过ANSYS,COMSOL、IntelliSuite和CoventorWare-ANALYZER等软件来实现。其他软件,比如ConvertorWare-ARCHITECT和MEMS-PRO,被用来开发更适合加工制造的产品布局,甚至用来仿真嵌入型的MEMS系统。当原型机开发完成后,研究人员能够用各种仪器比如激光多普勒扫描振动计,显微镜,频闪观测仪等来对它们进行测试。

相关

  • 高尔吉亚高尔吉亚(希腊文:Γοργίας,约公元前487年-前376年),希腊诡辩学派学者、前苏格拉底时期的哲学家及修辞学家,原居于西西里伦蒂尼。与普罗塔哥拉同为首批诡辩学者。他最为人所
  • 620110 数学 120 信息科学与系统科学 130 力学 140 物理学 150 化学 160 天文学 170 地球科学 180 生物学210 农学 220 林学 230 畜牧、兽医科学 240 水产学310 
  • 玛丽·萨普玛丽·萨普(英语:Marie Tharp,1920年7月30日-2006年8月23日),美国女性地质学家、海洋学家。她与布鲁斯·希森(英语:Bruce C. Heezen)合作绘制了世界上第一幅科学性的全球海底地形图。
  • 罗加诺公约洛迦诺公约(Locarno Treaties),又译罗加诺公约,是在1925年10月5日至16日欧洲多国在瑞士洛迦诺商议的七项协议,在同年12月1日于英国伦敦签署,隔年9月14日于日内瓦批准生效。一战中
  • 釜山航空釜山航空(韩语:에어부산,英语:Air Busan)是韩国的一家低成本航空公司,总部位于韩国釜山的釜山镇区,为韩亚航空的子公司。于2007年9月8日成立,隔年10月27日首航,当时的名称是釜山国际
  • 伯纳德·巴鲁克伯纳德·巴鲁克(英语:Bernard Mannes Baruch 1870年8月19日-1965年6月20日)美国金融家、股票投资商、慈善家、政治家。曾在美国总统伍德罗·威尔逊和富兰克林·罗斯福手下担任
  • 托 (消歧义)托可以指:
  • 吉米·法伦詹姆斯·汤玛斯·「吉米」·法伦(英语:James Thomas "Jimmy" Fallon,1974年9月19日-),美国电视节目主持人、喜剧演员、演员、歌手、作家和制片人。他目前主持“吉米·法伦的今夜秀
  • 王忠 (哈达部长)王忠(?-1552年),一作王中,本名旺济外兰(满语:ᠸᠠᠩᠵᡠ ᠸᠠᡳᠯᠠᠨ,转写:),明朝塔山左卫都督克什纳次子,早年其父被族人所杀,遂率部南下至开原哈达河一带定居,成为当地部长,其后杀死北关
  • 基督的最后诱惑《基督的最后诱惑》(希腊语:;罗马化:;英语: 或 )是希腊作家尼可斯·卡赞扎基斯所写的一部历史小说,于1955年出版,英文版则于1960年出版,由平民生活开始讲述耶稣基督的一生。基督的最后