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1、MEMS-微机电系统,通信与信息系统 1000201034 周获,主要内容,MEMS-基础简介MEMS-生活和军事上的应用MEMS-未来的发展趋势和难题,MEMS技术基础,MEMS (Micro Electromechanical System，即微电子机械系统) 是指集微型传感器、执行器以及信号处理和控制电路、接口电路、通信和电源于一体的微型机电系统。概括起来，MEMS具有以下几个基本特点，微型化、智能化、多功能、高集成度和适于大批量生产。,MEMS技术基础,MEMS技术的目标是通过系统的微型化、集成化来探索具有新原理、新功能的元件和系统。MEMS技术是一种典型的多学科交叉的前沿性研究领域，
2、几乎涉及到自然及工程科学的所有领域，如电子技术、机械技术、物理学化学、生物医学、材料科学、能源科学等。,MEMS一般是由微传感器、微执行器、信号处理和控制电路、通讯接口和电源等部件组成的一体化的微型器件系统。其目标是把信息的获取、处理和执行集成在一起，组成具有多功能的微型系统，集成于大尺寸系统中，从而大幅度地提高系统的自动化、智能化和可靠性水平。,MEMS的三次发展浪潮,MEMS技术的第一次商业应用浪潮始于20世纪90年代早期，汽车安全气囊系统开始大量采用MEMS加速度计； MEMS技术的第二次商业应用浪潮始于21世纪，主要是由消费类产品推动的。期间，MEMS技术被大量应用，产品种类逐渐增多，
3、相关技术被应用到各行各业。第二代技术和产品取代了前者，并很快成为主流。据统计，汽车传感器市场在2009年规模就达到了25亿美元。2004至2009年间，全球汽车传感器市场的年复合增长率已经达到了9%左右； 而今，第三次MEMS应用浪潮正在逼近，越来越多的MEMS加速度计和陀螺仪等器件将被用于更多更新的技术领域。,MEMS公司,MEMS产品是由一些美国和亚洲公司开发的，包括意法半导体（ST）、Analog Devices公司（ADI）惠普公司（HP）、德州仪器公司（TI），以及Memsic公司。下文将介绍各个制造商及其主要MEMS产品的现况。,MEMS-ST,意法半导体公司是最大的MEMS制造商
4、之一，提供单轴和多轴陀螺仪的广泛选择，各种满量程区间，适用于数位相机和数位录像机的影像稳定，以及提高游戏应用中的用户体验。ST公司还提供3轴陀螺仪，能精确地测量沿三个正交轴的角速度。另外，ST还用下一代微电机声学器件扩展了自己的产品组合。创新的MEMS麦克风采用了Omron的传感器技术，能够大幅地提高声音质量，有出色的可靠性、健壮性，同时对现有/新兴音频应用都有很好的成本效益，如手机、无线设备以及手持游戏机等。关键是，MEMS麦克风可以做得比最小的驻极体电容式麦克风（electrets condenser microphone）还要小，而对温度变化、机械振动和电磁干扰更不敏感。,点击播放,ME
5、MS-ADI,亚德诺半导体-ADI（Analog Devices）公司是业界广泛认可的数据转换和信号处理技术全球领先的供应商，拥有遍布世界各地的60,000客户，涵盖了全部类型的电子设备制造商和高性能模拟集成电路（IC）制造商，ADI的产品广泛用于模拟信号和数字信号处理领域。 最近，ADI与英飞凌科技公司商定共同发展下一代的汽车气囊安全系统。这个合作也将加速先进气囊系统的发展，为安全系统供应商和OEM商（代工）提供一个完整的设计平台从而实现一种可靠、具成本效益和易于使用的先进气囊方案。,MEMS传感器,微传感器是一种基于半导体工艺技术的新一代传感器器件，它应用新的工作机制和物化效应，采用与标准
6、半导体工艺兼容的材料，用微细加工技术制备而成。 MEMS传感器的集成度更高，输出的信号便于设计时的系统连接和使用；体积更小，适合消费电子产品的各种外形的设计；功耗更低，可以满足各种便携式产品的低功耗要求；性价比更高，有效地满足了消费电子产品的性能要求。 微传感器：传感器种类很多，主要包括机械类、磁学类、热学类、化学类、生物学类等等，每一类中又包含有很多种。 下面以iPhone4为例简单介绍几种MEMS传感器,iPhone 4 MEMS传感器技术,影像传感器简单说就是相机镜头，由于只牵涉到微光学与微电子，没有机械成份在里头，即便加入马达、机械驱动的镜头，这类的机械零件也过大，不到微的地步，所以此
7、属于光电半导体，属于光学、光电传感器。 亮度传感器能感受光亮度并转换成可用输出信号，最简单的实现方式是用一个光敏电阻，或者，直接用影像传感器充当亮度侦测。 磁阻传感器简单讲就是感测地磁，感应地磁就是指南针原理，将这种地磁感应电子化、数字化，就称为数字指南针（Digital Compass）。因为数字指南针技术比较偏玩具性，而且用来感测地磁的磁阻传感器，很容易受环境影响（如高压电塔旁、马达旁），必须时时校正才有用。磁阻传感器目前没有被视为热门的MEMS组件，有些MEMS组件会追加整合磁阻感测能力（如ADI的产品，且目标应用是鱼雷用途），但一般而言磁阻传感器尚无迫切微型化的迹象。,iPhone 4
8、 MEMS传感器技术,近接传感器近接传感器的实现技术非常多种，可以是红外线（例如便利商店的自动门、男生公共厕所的自动冲水器）、可以是超音波、雷射等。声波传感器 加速度传感器俗称加速规、G-Sensor，可以感应物体的加速度性。加速度传感器一般有X、Y两轴与X、Y、Z三轴两种，两轴多用于车、船等平面移动为多，三轴多用于飞弹、飞机等飞行物。iPhone可以感应实体翻转而自动对应翻转画面，靠的就是这个传感器。 角加速度传感器即陀螺仪，陀螺仪实现技术有机械式与光学（红外线、雷射）式，第六项的加速度传感器比较能感测平移性，但对于物体有个轴心，进行角度性的移动，则其感应效果不如陀螺仪好，所以许多应用多半是
9、混何使用加速度传感器与陀螺仪，而iPhone 4则是率先使用陀螺仪的手机。 声波传感器俗名麦克风。是的，iPhone 4 为了强化声音质量，使用2组麦克风与相关运算来达到降噪（降低噪音）的效果，这种技术称为数组麦克风（Array MIC）点击播放,MEMS-麦克风,与传统的ECM（Electret Condenser Microphone驻极体电容麦克风）麦克风相比，MEMS麦克风具有以下优势： 1、制作工艺具有很好的重复性和一致性，从而保证每颗硅麦克风有相同的优秀表现; 2、声压电平高，且芯片内部一般有预放大电路因此灵敏度很高。 3、频响范围宽：10010KHZ 4、失真小 5、振动敏感度低
10、：1dB 6、电流消耗低：150A 7、耐潮湿环境和温度冲击。 8、耐高温，能够使用波峰焊。 9、能够经受振动、跌落、撞击等机械力和温度冲击,模拟MEMS： 麦克风将输入声音转换成输出模拟电压；数字MEMS：麦克风将输入声音转换成数字输出信号，例如脉冲宽度调制,MEMS-三轴陀螺仪,三轴陀螺仪，可以感知来自六个方向的运动，加速度，角度变化，右图常平架由支承在框架上的两个圆环组成，转子、内环和外环的三个转轴两两正交，其交点与转子的质心重合。这样，转子既不受重力矩的作用，又能在空间任意取向，因此又称为三自由度陀螺。,MEMS的应用,Biomimetic Millisystems Lab的微机械飞行
11、昆虫,Biomimetic Millisystems Lab折叠机器人,点击播放,Biomimetic Millisystems Lab 扑翼机器人,点击播放,驱动方面：由于胶囊是借助肠道的蠕动运动在消化器官内行进的，因此，没有配备马达等驱动动力源。从吞下胶囊后到完全通过小肠为止的时间约为8小时，内置的氧化银钮扣电池的容量（驱动时间）也与该时间相匹配。“由于需要消耗普通钮扣电池无法供给的数mA大电流，因此，胶囊中配备了特殊规格的电池”,MEMS-胶囊内窥镜,嵌入在外径为11mm、长度为26mm的胶囊中的摄像模块、电池、LED、无线模块以及天线这是构成“胶囊内窥镜”的元件。胶囊内窥镜是一种只需像
12、药物一样口服进去、便可一处不落地拍摄体内器官状况的医疗产品,MEMS-智能隐形眼镜,意法半导体为瑞士Sensimed AG公司设计的一款内嵌无线MEMS传感器的隐形眼镜，利用一个嵌入式微型应变计连续在一段时间内（通常为24小时）监测眼睛的曲率，此外该隐形眼镜还内嵌天线、微型专用处理电路和向接收器发送测量数据的射频发射器。,内嵌MEMS传感器的智能隐形眼镜,MEMS-机器人治疗癌症,MEMS-便携终端的薄型反光镜,超小型投影仪即“微型投影仪”的目标用途是内置于手机、智能手机以及数码相机等便携终端。柯尼卡美能达光电开发出了可作为这种微型投影仪的显示元件使用的MEMS反光镜模块，模块最厚部分只有7m
13、m。该模块还配备了红色绿色和蓝色半导体激光器作为光源，可投射1024768像素的影像。,MEMS反光镜模块能提高配备投影仪功能的便携终端的设计自由度。例如，设想安装于普通的翻盖手机时，配备在主显示屏的背面，这样便可在画面的垂直方向投射影像,MEMS-美国军方HiMems；一半是昆虫一半是机器,点击播放,MEMS的发展趋势,MEMS器件最早的批量实际应用源于汽车电子产业，但随着近年来消费电子领域的创新不断涌现，消费电子已经成为MEMS最大的应用市场，市场规模超过了15亿美元，并以每年近20%的速度增长。作为MEMS传感器的第二波应用高潮，MEMS传感器在消费电子中的应用包括运动/坠落检测、导航数
14、据补偿、游戏/人机界面、电源管理、GPS增强/盲区消除速度/距离计数、其他体育和保健应用等等。其中陀螺仪是增长最快的部分，已经成为加速度计后的第二大应用产品。,点击播放,MEMS的发展趋势和难题-医学电子,医疗保健被称为MEMS的第三波应用，同时也被MEMS行业称为高价值市场随着人口老龄化和医疗保健费用的提升，各种远距离监护和高精度治疗设备将越来越多地被引入。除了上述的意法半导体为瑞士Sensimed AG公司设计的MEMS隐形眼镜成功案例之外，在生化医疗的应用中MEMS也在不断增长，在临床医疗中利用传感器和智能控制技术来进行肺结核和心脏病的治疗，实现心脏的剌激与疏通，创新应用包括Proteu
15、s Biomedical公司的革命性应用植入式电极，它能剌激心脏内不同腔体位置使它们进行同步或再同步心跳的治疗。其核心技术在于釆用芯片级封装技术，将毫米级尺寸的MEMS传感器和处理器封装系统放在人体的内部使用，而且可以维持好多年，避免了传统的必须用更多的插入导管来剌激心脏的不同位置的方案。,MEMS的发展趋势和难题-医学电子,大多数业内观察家预测，未来5年MEMS医疗器件的销售额将呈迅速增长之势，年平均增加率约为21%，因此对医疗电子产业的发展提供了极好的机遇。难题：在选择用于家庭保健电子产品的解决方案时，设计师面临的最大的问题是如何合理地平衡各方面问题，如小尺寸低功率、低成本、高可靠性、长寿
16、命和高安全性等。同时，医疗电子设备面临的另外一个障碍是如何实现远高于非医疗电子设备所要求的密封性，而全面微型化使得密封性更难实现。,MEMS的发展趋势-微光机电系统 （MOEMS）,微光机电系统（MOEMS）是近几年在微机电系统中发展起来的一支极具活力的新技术系统，它是由微光学、微电子和微机械相结合而产生的一种新型的微光学结构系统。 微光机电系统是一种可控的微光学系统，该系统中的微光学元件在微电子和微机械装置的作用下能够对光束进行汇聚、衍射和反射等控制，从而可最终实现光开关、衰减、扫描和成像等功能。该系统把微光学元件、微电子和微机械装置有机地集成在一起，能够充分发挥三者的综合性能，不仅能够使光
17、学系统微型化而降低成本，而且可实现光学元件间的自对准，更重要的是这种组合还会产生新的光学器件和装置。,MEMS的发展趋势-微光机电系统 （MOEMS）,微光机电系统以其对光束在时间和空间上的精确控制能力以及体积小、可批生产、功耗低和价格合理等优势，将广泛应用于光通信、大规模数据存储、图像显示、军用光电侦察装备、光互连计算、自主式航天交会、激光测距、激光雷达、制导、预警监视系统以及使得使用大型光学孔径的航天器实现小型化等方面。 虽然MOEMS技术发展的历史并不长，但这是一项学科交叉性和综合性都很强且极具发展潜力的高新技术。开展这个领域的科学技术研究，既可以带动一些重要的基础课题研究，又可以带动大量概念全新的功能部件开发，因此目前已经成为世界各国都看好的研究热点之一。,
