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ca88MEMS传感器技术革命才刚刚开始

发布日期:2020-07-28 01:11

  最近10年,随着消费电子,尤其是智能手机和穿戴电子的发展,使MEMS传感器真正的在全球火热起来,大量的应用涌现,MEMS传感器真正“飞入寻常百姓家”。

  MEMS全称MicroElectromechanical System,译为微机电系统。MEMS最初大量用于汽车安全气囊,而后以MEMS传感器的形式被大量应用在汽车的各个领域。

  随着MEMS技术的进一步发展,以及应用终端“轻、薄、短、小”的特点,对小体积高性能的MEMS产品需求增势迅猛,消费电子、医疗等领域也大量出现了MEMS产品的身影。例如,最近火爆的做胃镜的无痛小胶囊,5G路灯,骨传感耳机,智能家居中洗衣机与晾衣架之间的智能系统,电梯维护等等。

  不过,现在,我们已经接受了低成本,高性能微机电系统(MEMS)传感器的可用性,但并非总是如此。另外,从应用范围来看,MEMS足够广,足够被全球认可,但并不会止步于此。

  例如,目前就有国外大学研究团队使用MEMS技术作为构建无法制造的设备的独特基础。该芯片上的国际方案加速器(AChIP),是一个世界性的项目,试图开发出能够产生飞秒到阿秒的电子加速器。基于硅的电子加速器的电子脉冲,具有高达1兆电子伏特(MeV)的能量,并通过硅芯片完成,但其目前所需的结构长达一英里。

  达姆施塔特工业大学加速器物理小组的工程师描述了他们如何创建微小的MEMS通道和新的电子束聚焦方法,以替代传统的电磁聚焦方法,但这种方法太弱了。

  硅制双柱结构使用基于激光的光学相位控制来聚焦电子的加速和减速区域。(图片来源:达姆施塔特工业大学)

  另一个创新的MEMS项目针对物联网(IoT)的世界。东北大学的一个团队开发了一种基于MEMS的开关,该开关在处于休眠待机模式时消耗零功率,但是在撞击红外(IR)光时会“唤醒”。该团队的等离激元增强型微机械光电开关(PMP)通过在定义的光谱带内转换极少量的光子能来激活MEMS机制,从而实现了这一目标。除去激活的IR能量后,ca88!开关会自行关闭。

  上图中,PMP的每个悬臂包括一个头部,一对用于致动的热敏双材料支脚,一对外部的用于温度和应力补偿的相同双材料支脚,以及一对连接内部和外部的隔热链腿(a)。入射在四个PMP上的入射光束的概念图,每个PMP都“调谐”到不同的红外辐射带(b)。实际制造的PMP开关“机理”的伪彩色扫描电子显微镜图像,具有等离激元吸收体,碗状接触尖端以及带有自对准Al和SiO2层的双材料腿末端的高倍放大图(c )。(图片来自东北大学/自然纳米技术)

  “MEMS最有趣的地方在于,随着200多年前的工业革命开始将能源转化为动力起,它就一直是这个革命的其中一部份。随后的重大变革分别是运算科技,以及晶体管的发明。而第三次重要的机器革命则与传感器有关。MEMS不仅是一种全新的发明,它还将实现人类社会的第三次重大变革。任何一家半导体公司现在都必须做MEMS,否则很可能被踢出这个产业。”

  从过去的历史来看,我们曾经使用相当复杂的生产制程来生产少量的MEMS产品。但这种方式显然已经产生变化,目前,电子产业已经相当成功地降低了成本,生产制程日趋成熟,而MEMS一向存在的良率问题也正步入轨道,几乎接近于传统半导体制程的指标了。

  未来,MEMS技术的发展有可能会像微电子一样,对科学技术和人类生活产生革命性的影响。

  任何技术在被采用前,都会历经一段学习曲线过程。过去仅根据价格高低来购买MEMS传感器,而今,却逐渐发现并不是所有的组件都做得一样,传感组件的功能和精密度大有不同。随着时间的演进、市场的成熟和产品组合更为丰富,这一领域将分割为一个超低成本市场和其它多个细分市场。

  传感器方面,传感器的发展方向是阵列化、集成化、智能化,它几大趋势MEMS都参与其中。由于传感器是人类探索自然界的触角,是各种自动化装置的神经元,且应用领域广泛,未来MEMS传感器将备受世界各国的重视。

  生物方面,生物MEMS系统具有微型化、集成化、智能化、成本低的特点。功能上有获取信息量大、分析效率高、系统与外部连接少、实时通信、连续检测的特点。国际上,生物MEMS的研究已成为热点,不久将为生物、化学分析系统带来一场重大的革新。

  光学方面,随着信息技术、光通信技术的迅猛发展,MEMS发展的又一领域是与光学相结合,开发新型光器件,称为微光机电系统(MOEMS)。MOEMS具有体积小、成本低、可批量生产、可精确驱动和控制等特点。较成功的应用科学研究主要集中在两个方面:一是基于MOEMS的新型显示、投影设备,主要研究如何通过反射面的物理运动来进行光的空间调制,典型代表为数字微镜阵列芯片和光栅光阀;二是通信系统,主要研究通过微镜的物理运动来控制光路发生预期的改变,较成功的有光开关调制器、光滤波器及复用器等光通信器件。MOEMS是综合性和学科交叉性很强的高新技术,开展这个领域的科学技术研究,可以带动大量的新概念的功能器件开发。

  纳米技术方面,MEMS结合纳米技术,将会实现真正的微型传感器并开发新应用,尽管这一进展可能就得花上十年的时间。再过个10年至15年后,在实验室中所看到的自组装结构将会采用真正的微型传感器,它们几乎完全不需要任何动力就能运作。