带你走进MEMS的世界(三)

在上两期的MEMS介绍篇(输入关键词MEMS1和MEMS2查看)中,我们简要地讨论了MEMS的总体概念以及MEMS在通信移动设备以及可穿戴设备中的应用。在本期中,我们将对MEMS的一些其他有趣的应用做介绍。


投影仪

投影仪所采用的MEMS微镜如图1,2所示,其中扫描电镜图则是来自于TI的Electrostatically-driven digital mirrors for projection systems。每个微镜都由若干锚anchor或铰链hinge支撑,通过改变外部激励从而控制同一个微镜的不同锚/铰链的尺寸从而微镜倾斜特定角度,将入射光线向特定角度反射。大量微镜可以形成一个阵列从而进行大面积的反射。锚/铰链的尺寸控制可以通过许多方式实现,一种简单的方式便是通过加热使其热膨胀,当不同想同一个微镜的不同锚/铰链通入不同电流时,可以使它们产生不同形变,从而向指定角度倾斜。TI采用的是静电驱动方式,通入电,产生静电力来倾斜微镜。


图1 微镜的SEM示意图


图2 微镜结构示意图


德州仪器的数字微镜器件(DMD),广泛应用于商用或教学用投影机单元以及数字影院中。每16平方微米微镜使用其与其下的CMOS存储单元之间的电势进行静电致动。灰度图像是由脉冲宽度调制的反射镜的开启和关闭状态之间产生的。颜色通过使用三芯片方案(每一基色对应一个芯片),或通过一个单芯片以及一个色环或RGB LED光源来加入。采用后者技术的设计通过色环的旋转与DLP芯片同步,以连续快速的方式显示每种颜色,让观众看到一个完整光谱的图像。


图3. 微镜反射光线示意图

MEMS 加速度计

加速度传感器是最早广泛应用的MEMS之一。MEMS,作为一个机械结构为主的技术,可以通过设计使一个部件(图4中橙色部件)相对底座substrate产生位移(这也是绝大部分MEMS的工作原理),这个部件称为质量块(proof mass)。质量块通过锚anchor,铰链hinge,或弹簧spring与底座连接。绿色部分固定在底座。当感应到加速度时,质量块相对底座产生位移。通过一些换能技术可以将位移转换为电能,如果采用电容式传感结构(电容的大小受到两极板重叠面积或间距影响),电容大小的变化可以产生电流信号供其信号处理单元采样。通过梳齿结构可以极大地扩大传感面积,提高测量精度,降低信号处理难度。加速度计还可以通过压阻式、力平衡式和谐振式等方式实现。

图4 MEMS加速度计结构示意图


图5 MEMS加速度计中位移与电容变化示意图


汽车碰撞后,传感器的proof mass产生相对位移,信号处理单元采集该位移产生的电信号,触发气囊。


图6. 汽车碰撞后加速度计的输出变化。

打印喷嘴

一种设计精巧的打印喷嘴如下图所示。两个不同大小的加热元件产生大小不一的气泡从而将墨水喷出。具体过程为:1,左侧加热元件小于右侧加热元件,通入相同电流时,左侧产生更多热量,形成更大气泡。左侧气泡首先扩大,从而隔绝左右侧液体,保持右侧液体高压力使其喷射。喷射后气泡破裂,液体重新填充该腔体。

图7. 采用气泡膨胀的喷墨式MEMS


图8. HP生产的喷墨式MEMS相关产品


开关/继电器

MEMS继电器与开关。其优势是体积小(密度高,采用微工艺批量制造从而降低成本),速度快,有望取代带部分传统电磁式继电器,并且可以直接与集成电路IC集成,极大地提高产品可靠性。其尺寸微小,接近于固态开关,而电路通断采用与机械接触(也有部分产品采用其他通断方式),其优势劣势基本上介于固态开关与传统机械开关之间。MEMS继电器与开关一般含有一个可移动悬臂梁,主要采用静电致动原理,当提高触点两端电压时,吸引力增加,引起悬臂梁向另一个触电移动,当移动至总行程的1/3时,开关将自动吸合(称之为pull in现象)。


图9. MEMS开关断合示意图

生物试验类

MEMS器件由于其尺寸接近生物细胞,因此可以直接对其进行操作。

图10. MEMS操作细胞示意图

NEMS(纳机电系统)

NEMS(Nanoelectromechanical systems, 纳机电系统)与MEMS类似,主要区别在于NEMS尺度/重量更小,谐振频率高,可以达到极高测量精度(小尺寸效应),比MEMS更高的表面体积比可以提高表面传感器的敏感程度,(表面效应),且具有利用量子效应探索新型测量手段的潜力。


首个NEMS器件由IBM在2000年展示, 如图25所示。器件为一个 32X32的二维悬臂梁(2D cantilever array)。该器件采用表面微加工技术加工而成(MEMS中采用应用较多的有体加工技术,当然MEMS也采用了不少表面微加工技术,关于微加工技术将会在之后的专题进行介绍)。该器件设计用来进行超高密度,快速数据存储,基于热机械读写技术(thermomechanical writing and readout),高聚物薄膜作为存储介质。该数据存储技术来源于AFM(原子力显微镜)技术,相比磁存储技术,基于AFM的存储技术具有更大潜力。


快速热机械写入技术(Fast thermomechanical writing)基于以下概念(图12),‘写入’时通过加热的针尖局部软化/融化下方的聚合物polymer,同时施加微小压力,形成纳米级别的刻痕,用来代表一个bit。加热时通过一个位于针尖下方的阻性平台实现。对于‘读’,施加一个固定小电流,温度将会被加热平台和存储介质的距离调制,然后通过温度变化读取bit。 而温度变化可通过热阻效应(温度变化导致材料电阻变化)或者压阻效应(材料收到压力导致形变,从而导致导致材料电阻变化)读取。


图11. IBM 二维悬臂梁NEMS扫描电镜图(SEM)其针尖小于20nm


图12.快速热机械写入技术示意图



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