MEMS技术的最新发展和MEMS传感器
作业2：叙述MEMS技术的最新发展并介绍几种MEMS传感器
MEMS(Micro-Electro-Mechanical Systems)是微机电系统的缩写。MEMS是美国的叫法，在日本被称为微机械，在欧洲被称为微系统，MEMS就是在一个硅基板上集成了机械和电子元器件的微小机构。在代工厂中，通过对电子部分使用半导体工艺和对机械部分使用微机械工艺将其或者直接蚀刻到一片晶圆中，或者增加新的结构层来制作MEMS产品。作为纳米科技的一个分支，MEMS被称为电子产品设计中的“明星”。目前MEMS加工技术又被广泛应用于微流控芯片与合成生物学等领域，从而进行生物化学等实验室技术流程的芯片集成化。
MEMS主要包括微型机构、微型传感器、微型执行器和相应的处理电路等几部分，它是在融合多种微细加工技术，并应用现代信息技术的最新成果的基础上发展起来的高科技前沿学科。
MEMS技术的发展开辟了一个全新的技术领域和产业，采用MEMS技术制作的微传感器、微执行器、微型构件、微机械光学器件、真空微电子器件、电力电子器件等在航空、航天、汽车、生物医学、环境监控、军事以及几乎人们所接触到的所有领域中都有着十分广阔的应用前景。MEMS技术正发展成为一个巨大的产业，就象近20年来微电子产业和计算机产业给人类带来的巨大变化一样，MEMS也正在孕育一场深刻的技术变革并对人类社会产生新一轮的影响。目前MEMS市场的主导产品为压力传感器、加速度计、微陀螺仪、墨水喷咀和硬盘驱动头等。大多数工业观察家预测，未来5年MEMS器件的销售额将呈迅速增长之势，年平均增加率约为18%，因此对对机械电子工程、精密机械及仪器、半导体物理等学科的发展提供了极好的机遇和严峻的挑战。
MEMS第一轮商业化浪潮始于20世纪70年代末80年代初，当时用大型蚀刻硅片结构和背蚀刻膜片制作压力传感器。由于薄硅片振动膜在压力下变形，会影响其表面的压敏电阻走线，这种变化可以把压力转换成电信号。后来的电路则包括电容感应移动质量加速计，用于触发汽车安全气囊和定位陀螺仪。
第二轮商业化出现于20世纪90年代，主要围绕着PC和信息技术的兴起。TI公司根据静电驱动斜微镜阵列推出了投影仪，而热式喷墨打印头现在仍然大行其道。
第三轮商业化可以说出现于世纪之交，微光学器件通过全光开关及相关器件而成为光纤通讯的补充。尽管该市场现在萧条，但微光学器件从长期看来将是MEMS一个增长强劲的领域。
目前MEMS产业呈现的新趋势是产品应用的扩展，其开始向工业、医疗、测试仪器等新领域扩张。推动第四轮商业化的其它应用包括一些面向射频无源元件、在硅片上制作的音频、生物和神经元探针，以及所谓的'片上实验室'生化药品开发系统和微型药品输送系统的静态和移动器件。
MEMS传感器已经存在几十年了，并成功的渗透到一些大规模应用的市场，如医疗压力传感器和安全汽囊加速度计等。尽管取得了这些成功，但MEMS传感器很大程度上还是局限于这些零散的应用。受到汽车电子和消费类电子市场的驱动，这种状况在下一个十年中有望得到改变。
MEMS传感器正在当今的两大热门产品中起到不可或缺的作用。使用测量物理运动从而提供运动感知能力的MEMS加速度计，任天堂公司的Wii无线游戏机允许使用者通过运动和点击互相沟通和在屏幕上处理一些需求，其原理是将运动（例如挥舞胳膊模仿网球球拍的运动）转化为屏幕上的游戏行为。在2006年5
月，任天堂和ADI宣布将ADI的ADXL330 iMEMS加速度计整合到任天堂的Wii 游戏控制台中。加速度计帮助任天堂把视频游戏提升到一个新的水平。这种产品的全球销售量预计将在2007年底前达到一千万台，任天堂目前正在开足马力以满足汹涌而来的需求。
MEMS加速度计——数年来被用于汽车中起到模拟安全气囊展开动作的传感器的作用——同样被用于苹果公司的iPhone中，通过对旋转时运动的感知，iPhone可以自动地改变其显示格式，以便消费者能够以合适的水平和垂直视角看到完整的页面或者数字图片。当然iPhone并不是第一个采用加速度计来提升用户体验的手机，但是，正是iPhone把MEMS带到了大众消费品中。
然而，MEMS传感器在诸如医疗保健、航空航天和工业等市场也找到了用武之地。根据预测，下一个十年的关键推动力正是汽车和消费类电子市场。当供应商努力取得在消费类电子市场中的主导地位时，一场激烈的争夺战已经在进行之中了。
汽车市场
MEMS传感器在汽车工业中的主要应用是压力和惯性，这两个领域预期在未来的十年内都会蓬勃成长。
胎压传感器，美国国会在TREAD Act法案的引言中强制命令为所有的交通车辆安装压力传感器，要求传感器在侦测到轮胎充气不足时，在二十分钟内向司机发出警告。在2008年生产的所有模型车、小型货车、卡车和运动型车（SUVs）上都将具备这项功能。欧盟正在制定一项政策，强制在所有的汽车上安装胎压传感器，并且这一法案预期将在2-3年内实施。这一领域预计将以30.7%的年综合增长率成长，从而在2012年创造526.7百万美元的市场。
其它压力传感器，Frost & Sullivan预计2012年汽车中使用的其它传感器市场规模可达700百万美金。单位出货量成长率达12.8%，考虑到单位产品售价的下跌，会轻微影响到增长率。这一领域的压力传感器主要用于引擎管理、液压制动以及排气循环系统等。欧盟气体排放标准（Euro emission norms）（它对汽车尾气排放作出了严格规定）在新兴经济体的执行预期也会推动MEMS传感器的应用，因为正是燃料价格的上升增加了燃料节约型车辆的销售。
惯性传感器，加速度计在汽车中的应用包括了安全汽囊、倾翻侦测、电子动态控制系统、导航、安全系统和灵活性背负系统。陀螺仪应用于稳定性控制系统，抗倾翻系统和GPS导航系统。
推动MEMS传感器在汽车市场应用的关键增长动力之一是电子动态控制系统，这些系统使用三种传感器——陀螺仪、加速度计和转向角辩向器——来侦测司机意图与车辆实际动作之间的差异。一旦出现意外，系统将介入对车辆的控制。
目前在德国、瑞典、法国等国家稳定控制系统已经成为新车的标准，因此欧洲目前在这方面领先全球。预计其它国家的汽车制造商在客户需要和竞争的双重推动下也会跟随这一标准，包括电子动态控制系统（ESC）成为大部分新车型的标准配置。再者，如果欧盟通过一项法律要求在每一辆机动车上必须安装这些系统，那么市场的增长将更具爆发性。
美国市场对ESC系统的采用受到两个因素的驱动，一是美国全国公路交通安全管理局（the NationaHighway Traffic Safety Administratio，NHTSA)正在鼓励汽车制造商采用安全控制系统并且正在探索强制安装这项系统的可能性。第二，汽车制造商正在把安全作为竞争优势。Frost &Sullivan预测到2012年全球ESC系统市
场规模将达3400万美元，如果要求强制安装这些系统的管理办法得以通过，这个数字还可能提前实现。
使用MEMS陀螺仪实现惯性导航（Dead Reckoning,即惯性导航技术，也称方位推估技术，让GPS断讯时仍能继续定位）的GPS系统在日本等国家被广泛采用，在这里它成为所有车辆的标准配置。日本市场见证了GPS导航系统在2002-2004年期间的巨大增长，当丰田等主要的汽车制造商向市场推出信息通讯业务和服务时刺激了销售增长。然而，交通基础设施的不足以及导航系统的高昂成本被认为抑制了这一市场的增长。
消费类电子
MEMS传感器首次在消费电子世界扮演重要的角色源于美国德州仪器公司开发了DMD（数字镜面显示），该产品位于德州仪器公司开发的用于投影电视的DLP系统的核心位置。这项伟大的工作最初由Larry Hornbeck于1987年展开，DMD实际上是一个由多达200万个安装在铰链上的微型铝镜组成的矩阵。这些微镜的尺寸不足人类头发丝的五分之一。在德州仪器公司最新一代的DLP芯片中，DMD被用于产生高清电视革命所需的展现立体效果（3-D）的向左和向右的视角。
相机
自从上世纪90年代后期，MEMS传感器已经被用于摄录像机和数码相机中来增强图像的稳定性。随着上述数码产品的尺寸越来越小以及像素越来越高，由于手的抖动，图片变得越来越容易模糊。为了解决这一问题，由ADI、InvenSense、意法半导体以及其他公司开发的MEMS陀螺仪测量相机的运动轨迹并向微控制器发送信号，微控制器直接控制镜头或者图像传感器进行微小的线性运动从而补偿意外的相机抖动。
笔记本电脑
为了防止由于硬盘损坏带来的信息丢失，MEMS运动传感器正作为一项保护措施在笔记本电脑中得到应用。一个位于母板上的MEMS加速度计探测到能够导致严重损坏的震动或者坠落时，其能够在一秒中之内向驱动器的读/写磁头发送信号使其暂时停止工作，直至电脑恢复稳定。目前，IBM、东芝和苹果公司都已经把加速度计整合到了他们的高端笔记本电脑模型中。把大容量的硬盘驱动器整合到外形小巧的电子产品的趋势正在推动这个产业的参与者把加速度计作为一个预防数据丢失的手段。
麦克风
与目前广泛使用的电介质电容器麦克风相比，MEMS麦克风更耐热，并且对抖动和震动有更强的免疫能力。Knowles Acoustics公司是首家将硅MEMS麦克风推向市场的公司。英飞凌公司则提供两芯片的解决方案，包括MEMS芯片和ASIC(特定应用集成电路)，两者同时封装在一起。
2007年早些时候，Akustica公司宣布推出全球最小的模拟麦克风。这个单芯片的1毫米麦克风使用MEMS横隔膜和片上模拟电路，能够直接贴在印制电路板上。MEMS麦克风的小尺寸使其适合用于手机、PDA和手持终端产品。
移动电话
移动电话不仅仅被用来通话，还可作为音乐播放器、数码相机和游戏设备。移动的手持终端制造商正在为他们的产品寻求增加新的功能，以期与竞争对手形成差异化。
在移动电话中加速度计被用来增加图像稳定性、震动侦测、菜单导航、文本滚动、游戏控制、静音模式下的激活、摇动拨号以及其它功能。例如，索尼爱立信W910i，当用户晃动电话时，运用加速度计来改变音调；或者通过一个振动让用户知道音轨已经发生变化。
在过去的三、四年中，象三菱、三星和LG等制造商已经把加速度计整合到他们的高端手机中，但是这些手机被严格局限在日本和韩国市场销售。但是最近的发展，包括iPhone的发展，已经改变了这个趋势。
MEMS陀螺仪具备给消费类电子产品增值的潜力，主要通过增加图像稳定性、提供步行导航以及改进的用户界面等。
消费类电子市场也并不是没有挑战，由于很短的产品生命周期，制造商不得不持续的研发新品以提供独特的功能。这些供应商通常依赖传感器供应商提供合适的解决方案为他们的产品增加独特的功能，而不是仅仅需要传感器。考虑到这一点，传感器制造商就需要与OEM电子厂商协同工作以帮助他们设计从而把传感器整合到电子设备中。
手提电脑、手机、便携媒体播放器和移动终端设备内的硬盘驱动器坠落保护功能，是MEMS运动传感器在消费电子市场的具有重要历史意义的代表性应用。在手提电脑内的三轴加速计可以监测加速度，因为具有特定的功能和数据处理电路，它能够检测到硬盘驱动器的意外摔落事故，并及时命令读写头缩回到安全位置，以防电脑最终摔落在地板上时损坏读写头。
健身和健康监测是MEMS传感器的另一类具有代表性的应用。计步表或计步器是利用三轴MEMS传感器实现健身和健康监测功能的代表性应用，在特定的情况下，计步器的传感器能够精确地测定在步行和跑步过程中作用在系统上的加速度，通过处理加速度数据，计步器显示用户走过的步数和速度，以及在身体运动过程中所消耗掉的热量。
在另一项应用中，MEMS传感器可以用于设计一种老人急救设备。当老人意外摔倒时，这个设备可以检测到摔倒动作，自动发出一个报警信号，请求紧急救援。通过MEMS传感器和GP S模块，可以估算到需要救助的受伤老人所在位置，并在网络上传送位置信息。在不久的将来，这些仪器商用化后，将会给不断增长的老龄化人群提供一个更安全的生活环境。
如今，能够检测运动、方向和手势的MEMS传感器正推动运动传感技术向手机、游戏机、便携媒体播放器等市场扩展。游戏机是运动跟踪和手势识别应用的突出代表，微型运动传感器能够捕捉到玩家任何细微的动作，并将其转化成游戏动作。MEMS技术让玩家动起来：玩家陶醉于真实的游戏体验，通过不同的动作融入到游戏中，例如，模仿一场真实的网球赛、一场引人入胜高尔夫球赛、一场紧张的拳击赛或轻松的钓鱼比赛的动作。MEMS技术在手机和PDA中的使用率正在提高，目前市场上采用MEMS加速计的手机越来越多。手机中的MEMS加速计使人机界面变得更简单、更直观，通过手的动作就可以操作界面功能，全面增强了用户的使用体验，有了这些能够识别人类手势的设备，用户不必再阅读冗长、复杂的用户手册。
根据终端设备的指向，MEMS传感器可以把图像、视频和网页(无论是人物肖
像还是风景画面)进行旋转。通过上下左右倾斜手机，还可以查看手机菜单；只要轻轻击打手机机身，就可以在屏幕上选中不同的图标，所有这些智能功能离不开新一代MEMS器件内嵌的先进数字技术。有了MEMS加速计，只要把设备向某一方向倾斜，就能在小屏幕上详细查看地图，显示放大的图像。MEMS还能检测到用户抖动手机和MP3播放器的动作，这个简单的手势可以让播放器跳到下一首歌或返回到上一首歌。低功耗的MEMS运动传感器还可用作先进的节能技术，当手机没有关闭放在饭桌上时，MEMS传感器将会把耗电大的模块(如显示器背光板和GPS模块)全部关闭，以降低手机和便携导航仪的能耗。只要碰触一下机身，又可以打开全部功能。
同样地，无论何时，把手机正面向下反放在桌子上，手机设置就会切换到静音模式；只要碰触一下机身，就可以关闭静音功能。MEMS运动控制技术折射出了未来手机的样子：只有数量很少的按键，不再有普通的键盘。向手机输入信息时，用户在空中书写数字和字母，MEMS传感器识别这些动作，手机软件将这些动作还原成数字和字母；软件还可以把用户预定的动作变成特殊的自定义功能。MEMS加速计与陀螺仪配合使用，可以把更先进的选择功能变为现实，例如：能够在空中操作的三维鼠标和遥控器。在这些设备中，传感器检测到用户的手势，将其转换成PC屏幕上的光标移动或机顶盒和电视机的频道和功能选择。