MEMS 产品

一 MEMS定义

MEMS，Micro-Electro-Mechanical System，微机电系统，利用集成电路及微加工技术把微结构、微传感器、微执行器等制造在一块或者多块芯片上，融合机、电、光、磁以及其他相关技术群微一体的，可以活动和控制的微型集成系统。

MEMS具有微型化，集成化和批量生产等三个基本特征。

微型化： MEMS器件体积小，其特征尺寸介于1um~10mm之间。如图1 所示。小体积带来质量轻，耗能低，惯性小，谐振频率高（数千赫兹至数千兆赫兹）和响应时间短等各方面的优势。

图1 MEMS 特征尺寸分布

集成化：可以把不同的功能、不同敏感方向或致动方向的多个传感器或执行器集成于一体。或形成微传感器阵列，微执行器阵列，甚至可以通过微电子工艺和微制造工艺的兼容化，实现传感器、执行器、信号处理和控制电路的单片集成，形成复杂的微系统。

图2 MEMS 麦克风集成封装系统

批量生产：用源于半导体工艺的微制造加工工艺再一片沉底上可同时批量制造成百上千个微型机电器件，从而大大降低了生产成本。

图2 6轴加速度传感器与压力传感器集成器件

相对于微电子，微系统包括很多不同的材料，利用LIGA（Lithographie，Galvanoformung和Abformung即光刻、电铸和注塑的缩写）工艺制作的微系统中，聚合物和金属材料是常用的。

相对微电子，微系统设计要面向大量的各种各样的功能，微电子仅限于电子功能设计。很多微系统包括可动部分。集成电路主要是2维结构，而微系统大部分包括复杂的三维几何图形。微电子需要与化境绝缘，然而，微系统一些敏感元件要与工作介质接触。微电子的制造和封装，有封装有规范成文的工业标准，微系统的生产制造于此还有相当大的距离。

典型的微系统组成示意图,微传感器将外界信息(声、光、热、力等)转换成电信号并传递给微信号控制处理电路,经过信号转换(包括数/模转换)、处理、分析、决策后,将指令传递给微执行器,微执行器根据指令对外界发生响应、操作、显示或通信等作用。微传感器可以将物理量转化为电学信号,微控制电路可以进行信号转换、放大、计算等处理,微执行器则根据指令自动完成人们所需要的操作,上述过程消耗的电能由微能源器提供,这样就形成具有感知、决策、通信和反应控制能力的智能集成微系统。

图3 典型的微系统组成示意图

二 MEMS 产品分类

MEMS产品从微器件的角度分为传感器、执行器和微结构件三类。所谓传感器，就是将外部感应的物理量转换为电信号；而执行器正好相反，将电信号转换为相应的物理量如运动、声波等。传感器又分为惯性类、环境类、光学类、压力、声学等几类；执行器分为光学类、微流体类、射频类、微结构类、微扬声器等几类，具体见下表

表1 MEMS传感器与执行器分类

微传感器：基于MEMS工艺的，能把被测量物理量转换成微电信号输出的器件，通常由敏感元件和传输元件组成。如下图3

图3 MEMS微传感器原理框图

微执行器能把电信号（电能）转换为机械能等其它形式能量输出的器件，通常由致动元件和传输元件组成。

图3 MEMS微执行器原理框图

MEMS器件以硅为主要材料。硅的强度、硬度和杨氏模量与铁相当。密度类似于铝，热传导率接近铜和钨，因此MEMS器件机械电气性能优良。它集中了当今科学技术发展的许多尖端成果。通过微型化、集成化可以探索新原理、新功能的元件和系统，将开辟一个新技术领域。

三 MEMS 传感器

3.1 静电MEMS 传感器

许多MEMS 驱动器都是利用静电力作用驱动力。在很多微型电动机和制动器的设计工作中，准确的估算静电力大小是非常重要的。

MEMS 静电驱动器利用静电吸引力实现驱动，静电驱动在小尺寸（1~10μm）时效率很高，并且容易实现精确控制，但随着距离增加，静电力以平方的速度减少，因此作用距离有限。根据驱动结构的不同，静电驱动可以分为三类：平板驱动、平面梳齿驱动和垂直梳齿驱动。

3.2 平行板之间的静电力

图1 平行板电容器

如图1 平行板电容器，根据电容的定义的电容可以表示为

（1）

，为介质材料的相对介电常数和真空中的节点常数。

根据图1 平行板电容器之间的电势能为

（2）

当极板间施加驱动电压时，静电吸引力可通过公式(3)表示

（3）

由公式可得静电吸引力与可动基板的宽和长成正比，与相对极板间距的平方成反比，与驱动电压的平方成正比。

设一个平行板电容器是由尺寸L=W=1mm（1000um）的上下两块板子组成。当两板间距为2um时，电压为100V，在空气中两个板之间的静电力为。

既当平板电极上加100V电压时产生的静电力为100mN。

当平板电极在W或者L方向发生偏移移动时在W和L方向产生的静电力根据（3）计算为

同样计算当d=2um不变，平行板在w方向发生微小偏移。

3.3 微型梳驱动

平面梳齿驱动由一组固定在衬底上的固定梳齿和一组由弹性结构支撑的可动梳齿组成，两者间隔交叉形成梳齿结构。如图2所示

图2 平面梳尺结构

其中，L 表示梳齿长度，g 表示梳齿间距，x 表示梳齿交叠长度。当在可动梳齿和固定梳齿之间施加一个驱动电压时，如图3所示，在梳齿间会产生不均匀的电场，在静电吸引力作用下，可动梳齿会朝着固定梳齿运动。

图3平面梳齿驱动器的运动

如下图4 所示，设电极电压为200V，梳齿宽度为5um，两边间隙g为2um，忽略边缘效应情况下，计算动齿移动产生的静电力。

图4 单梳齿驱动器

根据式（5）

梳齿有上下两个面，由此可以得到产生的拉力为2X1.77um=3.54uN。可以看到200V的电压才产生3.54uN的力，为了使得降低电压，可以采用并列多齿的结构，如图5.

图5 多齿并列移动

随着齿的数量N的增加，设F=5uN，则可以计算

（6）

可以得到电压随着梳齿数量N的变化如下图6，梳齿数量为100个时，驱动电压为20V。

图6 驱动电压与梳齿数量的关系

当驱动电压为变化值，由谐振器的工作原理可知，施加在梳齿两端的电压包括了直流偏置电压和交流驱动电压两部分，即

（7）

式中为直流偏置电压，为交流电压。

将（7）带入到（3）得到

第一项为

为直流项目。第二项 为交流项。第三项为

二阶高频项目。二阶项目可以忽略。驱动力随着电压的变化为正弦变化，变化的频率为。如图5所示，梳齿收到一个恒定振幅值得驱动力作用下，做周期性受迫运动。