论文部分内容阅读
摘 要：随着社会科技的高速发展，电子通信产业因其广泛的应用和高含量的技术引领着社会其它行业的发展。MEMS的应用能够有效的主数据传递的效率和质量，输出和检验实验结果数据，具有广阔的应用前景。本文首先从MEMS的研究性质、主要特征入手，对MEMS通信的应用状况进行解读，最后提出发展MEMS的基本设想，希望能对相关人士有所裨益。
关键词：MEMS技术；电子通信；产业；应用
中图分类号：TH-39 文献标识码：A 文章编号：1004-7344（2018）15-0263-02
1 引 言
MEMS（微机电系统，MicroElectro-MechanicalSystem）技术是指可批量生产的，集微传感器、微执行器、微运动机构、信号探测电路以及控制执行电路，甚至于电源、接口和通信于一体的微型制造工艺。MEMS技术具有集成程度高、微型化突出、制造成本低和适宜大批量生产的特点，采用该技术设计制造的各种设备器件，尺寸量级小，内部缺陷少，材料强度、耐冲击性和可承受冲击的性能也大为提高。机械传感器的劣势逐渐明显，作为MEMS技术的重要分支，MEMS传感器将逐步取代其地位，占据传感器的应用市场，与传统传感器相比，它在减小体积、降低成本、制轻重量、提高可靠性、便于集成并适用于批量化制造等方面的优点比较突出，受到各个世界大国的高度重视。
2 MEMS技术概述
微机电系统技术是建立在微米/纳米技术（micro/nanotechnology）基础上的21世纪前沿技术，是指对微米/纳米材料进行设计、加工、制造、测量和控制的微电子技术和微加工技术（包括硅体微加工、硅表面微加工、LIGA和晶片键合等技术相结合的制造工艺），将机械（运动）构件（装置）、光学系统、发音系统、电控系统、无线驱动、化学分析、计算系统等系统级芯片集成为一个整体单元的微型系统（各种性能优异、价格低廉、微型化的传感器、执行器、驱动器和微系统）。MEMS是一門新型综合学科，学科交叉现象极其明显，将对未来人类生活产生革命性的影响，主要涉及微加工技术，材料物理与化学、精密光学、电子学，生物学、机械学/固体声波理论，热流理论等。对MEMS的研究主要包括理论基础研究、制造工艺研究及应用研究3类。理论研究主要是研究微尺寸效应、微摩擦、微构件的机械效应以及微机械、微传感器、微执行器等的设计原理和控制研究等；制造工艺研究包括微材料性能、微加工工艺技术、微器件的集成和装配以及微测量技术等；应用研究主要是将所研究的成果，如微型电机、微型阀、微型传感器以及各种专用微型机械投入使用。
3 MEMS特征
MEMS器件的特征长度是1mm～1μm，相比之下头发的直径大约是50μm。MEMS可以看作互补式金属氧化物半导体（ComplementaryMetalOxideSemiconductor，CMOS）集成电路的扩展。如果将CMOS比喻为人的大脑和神经网络，那么MEMS就是大脑智慧的“手臂”，为这信息系统提供了获取信号的微传感器和执行命令的微执行器。MEMS的快速发展是基于MEMS之前已经相当成熟的微电子技术、集成电路技术及其加工工艺。MEMS往往会采用常见的机械零件和工具所对应微观模拟元件，例如它们可能包含通道、孔、悬臂、膜、腔以及其他结构。然而，MEMS器件加工技术并非机械式。相反，它们采用类似于集成电路批处理式的微制造技术。批量制造能显著降低大规模生产的成本。若单个MEMS传感器芯片面积为5mm×5mm，则一个8英寸（直径20cm）硅片（wafer）可切割出约1000个MEMS传感器芯片，分摊到每个芯片的成本则可大幅度降低。因此，MEMS商业化的工程除了提高产品本身性能、可靠性外，还有很多工作集中于扩大加工硅片半径（切割出更多芯片），减少工艺步骤总数，以及尽可能地缩传感器大小。3MEMS与通信/移动设备在智能手机中，iPhone5采用了4个MEMS传感器，三星GalaxyS4手机采用了8个MEMS传感器。iPhone6Plus使用了六轴陀螺仪&加速度（InvenSenseMPU-6700）、三轴电子罗盘（AKMAK8963C）、三轴加速度计（BoschSensortecBMA280）、磁力计、大气压力计（BoschSensortecBMP280）、指纹传感器（AuthenTec的TMDR92）、距离传感器、环境光传感器（来自AMS的TSL2581）和MEMS麦克风。iphone6s与之类似，稍微多一些MEMS器件，例如采用了4个MEMS麦克风。预计将来高端智能手机将采用数十个MEMS器件以实现多模通信、智能识别、导航/定位等功能。MEMS硬件也将成为LTE技术亮点部分，将利用MEMS天线开关和数字调谐电容器实现多频带技术。以智能手机为主的移动设备中，应用了大量传感器以增加其智能性，提高用户体验。通信系统中，大量不同频率的频带（例如不同国家间使用不同的频率，2G，3G，LTE，CDMD以及蓝牙、WiFi等不同技术使用不同的通信频率）被使用以完成通信功能，而这些频带的使用离不开频率的产生。声表面波（SurfaceAcousticWave，SAW）器件，作为一种片外（off-chip）器件，与IC集成难度较大。MEMS的SAW和体声波（BulkAcousticWave，BAW）谐振器的频率器件是手机天线双工器的中流砥柱。另一个MEMS典型例子是依靠材料属性变化的MEMS器件，例如基于相变材料的开关，加入不同电压可以使材料发生相变，分别为低阻和高阻状态。
4 MEMS技术在电子通信产业的发展趋势
随着社会经济的发展以及科技的进步，MEMS技术在通信产业中的应用也在不断地深化，其中以微型系统、微型传感器、微型执行器三个方面应用最为广泛。其中微型系统：是MEMS技术在未来发展的必然趋势，具有半集成化的优势。微型传感器：能够形成了全新压力传感器与加深传感器，有效的减少电力能源与工作时间的消耗，提高工作效率。微型执行器：能够很好地控制电子产品，并利用MEMS技术对其进行改进与完善，推出全新的电子产品，例如微型阀与微马达等，使用时具有多样化的功能类型；并且，MEMS还常应用于射频位系统生产过程中，与MIC一起集成，可以对电子数据信息进行合理的收集、整合、分析与应用，还可应用于电子零部件的批量生产过程中，有效确保电子零部件的稳定性、可靠性与安全性，从而降低其生产成本，提升电子企业营业利润。MEMS技术在微生物芯片中的应用，可以使所生产出来的微生物芯片体积与成本降低，功能应用性更强，还可对部分零部件进行有效的处理、分析与检测，推动电子行业快速发展。除此之外，随着MEMS技术在电子通讯产业当中的运用，大家逐步对在信息变化时代这一背景之下的电子通讯技术的重要影响产生了足够的认识，加强了对有关技术的探讨，这样做不仅仅能够促进社会经济的快速稳定发展，还可以提高人们的生活质量。与其他相关技术相比，运用MEMS技术所超出的产品体积能够达到尽可能小的目的.且其成本也会较低，所以，MEMS技术被当做是下个世纪最有前景的技术之一。但是，在封装这一方面，MEMS技术还有着一系列的问题存在，比如怎样可以控制成本的同时，又可以保障MEMS产品的性能，实现对于封装成本的控制，这是有关专业人员需要把控的难题所在。
5 结束语
MEMS传感器主要优点是体积小、重量轻、功耗低、可靠性高、灵敏度高、易于集成等，是微型传感器的主力军。常见的压力传感器、加速度计、陀螺、静电致动光投影显示器、DNA扩增微系统、催化传感器等，将逐渐取代传统机械传感器，在各个领域几乎都有涉及，包括消费电子产品、汽车工业，甚至航空航天、机械、化工及医药等各领域。MEMS与CMOS在各方面依然存在很大差异：①设计思路；②基底材料；③工艺步骤；④构件封装；⑤技术生命周期等。我国应充分利用现有基础，紧贴国际MEMS技术发展的大脉搏，根据国家发展战略方针，在对社会经济发展有重要影响的工业自动化、信息技术等行业，掌握与MEMS技术相关的设计、加工、测试、封装、装配和系统集成等具有自主知识产权的理论方法和关键技术。
参考文献
[1]陈江华，项 斌，王展飞，倪学文.适于MEMS加速度计读出电路带宽可调的低通滤波器[J].北京大学学报（自然科学版）网络版（预印本），2018（03）.
[2]申小萌.MEMs技术在电子通信产业中的意义初探[J].中国新通信，2016（07）：98.
[3]FISCHERAC，FREDRIKF，LAPISAM，etalIntegrating MEMS and ICs[J].Microsystems &Nano engineering，2015（1）：15005～15007.
收稿日期：2018-4-24
关键词：MEMS技术；电子通信；产业；应用
中图分类号：TH-39 文献标识码：A 文章编号：1004-7344（2018）15-0263-02
1 引 言
MEMS（微机电系统，MicroElectro-MechanicalSystem）技术是指可批量生产的，集微传感器、微执行器、微运动机构、信号探测电路以及控制执行电路，甚至于电源、接口和通信于一体的微型制造工艺。MEMS技术具有集成程度高、微型化突出、制造成本低和适宜大批量生产的特点，采用该技术设计制造的各种设备器件，尺寸量级小，内部缺陷少，材料强度、耐冲击性和可承受冲击的性能也大为提高。机械传感器的劣势逐渐明显，作为MEMS技术的重要分支，MEMS传感器将逐步取代其地位，占据传感器的应用市场，与传统传感器相比，它在减小体积、降低成本、制轻重量、提高可靠性、便于集成并适用于批量化制造等方面的优点比较突出，受到各个世界大国的高度重视。
2 MEMS技术概述
微机电系统技术是建立在微米/纳米技术（micro/nanotechnology）基础上的21世纪前沿技术，是指对微米/纳米材料进行设计、加工、制造、测量和控制的微电子技术和微加工技术（包括硅体微加工、硅表面微加工、LIGA和晶片键合等技术相结合的制造工艺），将机械（运动）构件（装置）、光学系统、发音系统、电控系统、无线驱动、化学分析、计算系统等系统级芯片集成为一个整体单元的微型系统（各种性能优异、价格低廉、微型化的传感器、执行器、驱动器和微系统）。MEMS是一門新型综合学科，学科交叉现象极其明显，将对未来人类生活产生革命性的影响，主要涉及微加工技术，材料物理与化学、精密光学、电子学，生物学、机械学/固体声波理论，热流理论等。对MEMS的研究主要包括理论基础研究、制造工艺研究及应用研究3类。理论研究主要是研究微尺寸效应、微摩擦、微构件的机械效应以及微机械、微传感器、微执行器等的设计原理和控制研究等；制造工艺研究包括微材料性能、微加工工艺技术、微器件的集成和装配以及微测量技术等；应用研究主要是将所研究的成果，如微型电机、微型阀、微型传感器以及各种专用微型机械投入使用。
3 MEMS特征
MEMS器件的特征长度是1mm～1μm，相比之下头发的直径大约是50μm。MEMS可以看作互补式金属氧化物半导体（ComplementaryMetalOxideSemiconductor，CMOS）集成电路的扩展。如果将CMOS比喻为人的大脑和神经网络，那么MEMS就是大脑智慧的“手臂”，为这信息系统提供了获取信号的微传感器和执行命令的微执行器。MEMS的快速发展是基于MEMS之前已经相当成熟的微电子技术、集成电路技术及其加工工艺。MEMS往往会采用常见的机械零件和工具所对应微观模拟元件，例如它们可能包含通道、孔、悬臂、膜、腔以及其他结构。然而，MEMS器件加工技术并非机械式。相反，它们采用类似于集成电路批处理式的微制造技术。批量制造能显著降低大规模生产的成本。若单个MEMS传感器芯片面积为5mm×5mm，则一个8英寸（直径20cm）硅片（wafer）可切割出约1000个MEMS传感器芯片，分摊到每个芯片的成本则可大幅度降低。因此，MEMS商业化的工程除了提高产品本身性能、可靠性外，还有很多工作集中于扩大加工硅片半径（切割出更多芯片），减少工艺步骤总数，以及尽可能地缩传感器大小。3MEMS与通信/移动设备在智能手机中，iPhone5采用了4个MEMS传感器，三星GalaxyS4手机采用了8个MEMS传感器。iPhone6Plus使用了六轴陀螺仪&加速度（InvenSenseMPU-6700）、三轴电子罗盘（AKMAK8963C）、三轴加速度计（BoschSensortecBMA280）、磁力计、大气压力计（BoschSensortecBMP280）、指纹传感器（AuthenTec的TMDR92）、距离传感器、环境光传感器（来自AMS的TSL2581）和MEMS麦克风。iphone6s与之类似，稍微多一些MEMS器件，例如采用了4个MEMS麦克风。预计将来高端智能手机将采用数十个MEMS器件以实现多模通信、智能识别、导航/定位等功能。MEMS硬件也将成为LTE技术亮点部分，将利用MEMS天线开关和数字调谐电容器实现多频带技术。以智能手机为主的移动设备中，应用了大量传感器以增加其智能性，提高用户体验。通信系统中，大量不同频率的频带（例如不同国家间使用不同的频率，2G，3G，LTE，CDMD以及蓝牙、WiFi等不同技术使用不同的通信频率）被使用以完成通信功能，而这些频带的使用离不开频率的产生。声表面波（SurfaceAcousticWave，SAW）器件，作为一种片外（off-chip）器件，与IC集成难度较大。MEMS的SAW和体声波（BulkAcousticWave，BAW）谐振器的频率器件是手机天线双工器的中流砥柱。另一个MEMS典型例子是依靠材料属性变化的MEMS器件，例如基于相变材料的开关，加入不同电压可以使材料发生相变，分别为低阻和高阻状态。
4 MEMS技术在电子通信产业的发展趋势
随着社会经济的发展以及科技的进步，MEMS技术在通信产业中的应用也在不断地深化，其中以微型系统、微型传感器、微型执行器三个方面应用最为广泛。其中微型系统：是MEMS技术在未来发展的必然趋势，具有半集成化的优势。微型传感器：能够形成了全新压力传感器与加深传感器，有效的减少电力能源与工作时间的消耗，提高工作效率。微型执行器：能够很好地控制电子产品，并利用MEMS技术对其进行改进与完善，推出全新的电子产品，例如微型阀与微马达等，使用时具有多样化的功能类型；并且，MEMS还常应用于射频位系统生产过程中，与MIC一起集成，可以对电子数据信息进行合理的收集、整合、分析与应用，还可应用于电子零部件的批量生产过程中，有效确保电子零部件的稳定性、可靠性与安全性，从而降低其生产成本，提升电子企业营业利润。MEMS技术在微生物芯片中的应用，可以使所生产出来的微生物芯片体积与成本降低，功能应用性更强，还可对部分零部件进行有效的处理、分析与检测，推动电子行业快速发展。除此之外，随着MEMS技术在电子通讯产业当中的运用，大家逐步对在信息变化时代这一背景之下的电子通讯技术的重要影响产生了足够的认识，加强了对有关技术的探讨，这样做不仅仅能够促进社会经济的快速稳定发展，还可以提高人们的生活质量。与其他相关技术相比，运用MEMS技术所超出的产品体积能够达到尽可能小的目的.且其成本也会较低，所以，MEMS技术被当做是下个世纪最有前景的技术之一。但是，在封装这一方面，MEMS技术还有着一系列的问题存在，比如怎样可以控制成本的同时，又可以保障MEMS产品的性能，实现对于封装成本的控制，这是有关专业人员需要把控的难题所在。
5 结束语
MEMS传感器主要优点是体积小、重量轻、功耗低、可靠性高、灵敏度高、易于集成等，是微型传感器的主力军。常见的压力传感器、加速度计、陀螺、静电致动光投影显示器、DNA扩增微系统、催化传感器等，将逐渐取代传统机械传感器，在各个领域几乎都有涉及，包括消费电子产品、汽车工业，甚至航空航天、机械、化工及医药等各领域。MEMS与CMOS在各方面依然存在很大差异：①设计思路；②基底材料；③工艺步骤；④构件封装；⑤技术生命周期等。我国应充分利用现有基础，紧贴国际MEMS技术发展的大脉搏，根据国家发展战略方针，在对社会经济发展有重要影响的工业自动化、信息技术等行业，掌握与MEMS技术相关的设计、加工、测试、封装、装配和系统集成等具有自主知识产权的理论方法和关键技术。
参考文献
[1]陈江华，项 斌，王展飞，倪学文.适于MEMS加速度计读出电路带宽可调的低通滤波器[J].北京大学学报（自然科学版）网络版（预印本），2018（03）.
[2]申小萌.MEMs技术在电子通信产业中的意义初探[J].中国新通信，2016（07）：98.
[3]FISCHERAC，FREDRIKF，LAPISAM，etalIntegrating MEMS and ICs[J].Microsystems &Nano engineering，2015（1）：15005～15007.
收稿日期：2018-4-24