快速读懂MEMS（微机电系统）

传感发烧友

2020-04-10

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摘要这是一个微型（即非常小的）电气和机械系统。

　　我一直很欣赏一个真正能提供参考的名称，在这个方面，术语“微机电系统”（MEMS）不会让人失望——它是一个简洁的定义，而且是一个名称。

　　那么MEMS是什么意思呢？

　　MEMS是指使机械结构小型化并与电路完全集成的技术，从而形成实际上更像一个系统的单个物理设备，其中“系统”表示机械组件和电气组件正在协同工作以实现所需的功能功能。因此，这是一个微型（即非常小的）电气和机械系统。

　　机械到电气到（微型）机械

　　通常认为机械组件和系统的技术先进性不如主要基于电气现象的同类解决方案，但是这并不意味着机械方法普遍不如后者。例如，机械继电器比提供类似功能的基于晶体管的设备要早得多，但是机械继电器仍被广泛使用。

　　然而，与集成电路中的电子部件相比，典型的机械设备将始终具有笨重的缺点。给定应用程序的空间限制可能导致人们偏爱或要求使用电气组件，即使机械实现会导致更简单或更高性能的设计。

　　MEMS技术代表了这一难题的概念上直接的解决方案：如果我们修改机械设备，使其不仅非常小，而且与集成电路制造工艺完全兼容，我们可以在一定程度上“兼具两者的优点”世界。”

　　这是一个物理的齿轮和链条。这台机器的运动和功能与齿轮和链条的运动和功能一样。但是，链中的链节长约50 µm，即小于人发的直径。图片由桑迪亚国家实验室提供。

　　什么是MEMS？

　　MEMS技术在概念上很简单，提出微观机械装置的想法比实际制造要容易得多。

　　我们用动词“ to machine”来描述将一块金属变成机械部件（例如齿轮或皮带轮）的工作。在MEMS世界中，等效术语是“微机”。MEMS设备中的微小机械结构是通过使用专业技术对硅（或另一种基板材料）进行物理修饰而制造的，对此我几乎一无所知。然后，将这些硅机械结构与硅集成电路结合起来，并将得到的机电系统封装在包装中，并作为单个设备出售。

　　正如英国拉夫堡大学（Loughborough University）在MEMS上发表的论文中所解释的那样，MEMS设备利用了微机械结构，传感器和致动器。传感器使MEMS能够检测热，机械，磁，电磁或化学变化，这些变化可以通过电子电路转换为可用数据，执行器可以产生物理变化，而不是简单地对其进行测量。

　　MEMS器件示例

　　我们来看一个MEMS器件的功能和内部结构的示例。

　　微机械悬臂开关梁。图片由Analog Devices提供。

　　该图形传达了微机械悬臂开关梁的物理结构。有四个开关梁，每个开关梁有五个触点（使用多个触点是一种降低通态电阻的技术）。开关梁由施加的电压致动。

　　图片由Analog Devices提供。

　　在这里，我们看到了MEMS开关（在右侧）和相关的驱动器电路（在左侧），它们相互连接并容纳在QFN封装中。驱动器电路允许典型的数字设备（例如微控制器）有效地控制开关，因为它会执行生成斜坡的高压致动信号所需的一切操作，从而促进有效且可靠的开关操作。

　　MEMS应用：何时使用MEMS器件？

　　MEMS技术可以被结合到各种各样的电子部件中。生产这些组件的公司大概会认为MEMS实施优于MEMS版本问世之前所使用的实施方式。很难验证足够多的这些主张来证明按照“ MEMS器件比非MEMS器件具有明显更好的性能”这样的概括说法是合理的。但是，我的总体印象是，在许多情况下，MEMS确实是向前迈出的重要一步，如果性能或易于实现是您设计中的优先事项，那么我将首先关注MEMS器件。

　　在电气工程领域，MEMS技术已被分为四个产品类别：

　　音讯

　　感测器

　　开关

　　震荡器

　　可能有些不常见的产品不属于这些类别之一。如果您知道我忽略的某些内容，请随时在评论中告知我们。

　　音讯：在音频领域，我们有MEMS麦克风和MEMS扬声器。下图传达了MEMS麦克风的基本特性。