微機電系統
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微機電系統（英語：Microelectromechanical Systems，縮寫為 MEMS）是將微電子技術與機械工程融合到一起的一種工業技術，它的操作範圍在微米尺度內。微機電系統由尺寸為1至100微米（0.001至0.1毫米）的部件組成，一般微機電裝置的通常尺寸在20微米到一毫米之間。微機電系統在日本稱微機械（micromachines），在歐洲稱微系統技術（Micro Systems Technology，MST）。
比微機電系統更小，在納米範圍的類似技術稱為奈機電系統（nanoelectromechanical systems，NEMS）。
微機電系統與分子納米技術或分子電子學的超前概念不同。它們內部通常包含一個微處理器和若干取得外界資訊的微型感測器。[1]相比大尺寸的機械裝置，由於MEMS的大表面積與體積比，MEMS在設計時需要考慮環境電磁作用（例如靜電荷和磁矩）和流體動力學（例如表面張力和粘度）。 MEMS技術與分子納米技術或分子電子學的區別在於後者還必須考慮表面化學。
微機電系統的實現得力於用來製造電子裝置的半導體加工技術，並加以改造，使微機電系統可以應用到實際上。這些加工方式包含了微米等級的模塑成型（molding）、鍍層（plating）、濕法蝕刻（氫氧化鉀，四甲基氫氧化銨）和乾法蝕刻（RIE和DRIE）、放電加工（EDM），和其他一些能夠製造微小型裝置的加工方式。
微機電系統應用的一個知名實例是在蘋果公司的手提通訊裝置中，該公司較新的手機用MEMS振盪器取代以往的石英晶體振盪器產生時脈訊號，但由於氦原子會滲入MEMS集成電路的封裝內，改變MEMS振盪電路的工作情況，因此使氦氣影響了iPhone、Apple Watch和iPad等裝置的使用，以致用戶處於不知覺氦氣洩漏環境的時候手機失效，直到離開氦氣洩漏環境一段時間，氦氣消散後才恢復，此事經媒體報導後廣為人知。[2][3]
歷史
[編輯]微型機械的概念在相應的加工技術出現前就有人提出。1959年，理查德·費曼在加州理工學院舉行《底層還有大空間》演講，提出在原子尺度操縱物質的可能性以及將面臨的挑戰。1964年，西屋公司一支團隊製造出第一批微機電裝置，[4][5]叫諧振閘極電晶體（英語：resonant gate transistor）。
簡介
[編輯]微機電系統是微米大小的機械系統，其中也包括不同形狀的三維平板印刷產生的系統。這些系統的大小一般在微米到毫米之間。在這個大小範圍中日常的物理經驗往往不適用。比如由於微機電系統的面積對體積比比一般日常生活中的機械系統要大得多，其表面現象如靜電、潤濕等比體積現象如慣性或熱容量等要重要。它們一般是由類似於生產半導體的技術如表面微加工、體型微加工等技術製造的。其中包括更改的矽加工方法如壓延、電鍍、濕蝕刻、干蝕刻、放電加工等等。
生產微機電系統的公司的大小各不相同。大的公司主要集中於為汽車、生物醫學或電子工業生產大批次的便宜的系統。成功的小公司則集中於生產創新的技術。所有這些公司都致力於研究開發。隨着感測器的發展微機電系統的複雜性和效率不斷提高。
常見應用有：
- 在噴墨印表機里作為壓電元件
- 在汽車裏作為加速規來控制碰撞時安全氣囊防護系統的施用
- 在汽車裏作為陀螺來測定汽車傾斜，控制動態穩定控制系統
- 在輪胎里作為壓力感測器，在醫學上測量血壓
- 數碼微鏡晶片
- 微型麥克風陣列
- MEMS微型投影儀
- 在電腦網絡中充當光交換系統，這是一個與智能灰塵技術的融合
設計微機電系統最重要的工具是有限元分析。
技術
[編輯]微機電系統有多種原材料和製造技術，選擇條件是系統的應用、市場等等。
矽
[編輯]矽是用來製造集成電路的主要原材料。由於在電子工業中已經有許多實用矽製造極小的結構的經驗，矽也是微機電系統非常常用的原材料。矽的物質特性也有一定的優點。單晶體的矽遵守虎克定律，幾乎沒有彈性滯後的現象，因此幾乎不耗能，其運動特性非常可靠。此外矽不易折斷，因此非常可靠，其使用周期可以達到上兆次。一般微機電系統的生產方式是在基質上堆積物質層，然後使用平板印刷和蝕刻的方法來讓它形成各種需要的結構。
表面微加工
[編輯]深層蝕刻
[編輯]深層蝕刻如深層反應離子蝕刻技術蝕刻到晶片內部的犧牲層，犧牲層在蝕刻完成後溶解掉，本來埋在晶片內部的結構就可自由運動。
體型微加工
[編輯]體型微加工與深層蝕刻類似，是另一種去除矽的方法。一般體型微加工使用鹼性溶液如氫氧化鉀來腐蝕平板印刷後留下來的矽。這些鹼溶液腐蝕時的相對各向異性非常強，沿一定的晶體方向的腐蝕速度比其它的高一千倍。這樣的過程往往用來腐蝕v狀的溝。假如選擇的原材料的晶向足夠精確的話這樣的溝的邊可以非常平。
高分子材料
[編輯]雖然電子工業對矽加工的經驗是非常豐富和寶貴的，並提供了很大的經濟性，但是純的矽依然是非常昂貴的。高分子材料非常便宜，而且其效能各種各樣。使用注射成形、壓花、立體光固化成形等技術也可以使用高分子材料製造微機電系統，這樣的系統尤其有利於微液體應用，比如可攜測血裝置等。
金屬
[編輯]金屬也可以用來製造微機電系統。雖然比起矽來金屬缺乏其良好的機械特性，但是在金屬的適用範圍內它非常可靠。
研究和開發
[編輯]MEMS研究人員使用一系列的工程軟件工具來測試他們設計的仿真度和原型。MEMS設計經常用到有限元素分析。對動態力，熱度等等的仿真可用ANSYS，COMSOL、IntelliSuite和CoventorWare-ANALYZER等軟件實現。其他軟件，比如ConvertorWare-ARCHITECT和MEMS-PRO用來開發更適合加工製造的產品佈局，甚至用來仿真嵌入型的MEMS系統。當原型機開發完成後，研究人員能夠用各種儀器比如激光多普勒掃描振動計，顯微鏡，頻閃觀測儀等來測試它們。
參考文獻
[編輯]- ^ Waldner, Jean-Baptiste. Nanocomputers and Swarm Intelligence. London: ISTE John Wiley & Sons. 2008: 205. ISBN 1-84821-009-4.
- ^ 氦气泄露导致苹果设备故障. www.solidot.org. [2018-11-23]. （原始內容存檔於2021-11-20）.
- ^ iPhones are Allergic to Helium. iFixit. [2018-11-23]. （原始內容存檔於2019-06-06） （美國英語）.
- ^ Electromechanical monolithic resonator,US patent 3614677 （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）, Filed April 29, 1966; Issued October 1971
- ^ Wilfinger, R.J.; Bardell, P.H.; Chhabra, D.S. The resonistor a frequency selective device utilizing the mechanical resonance of a substrate (PDF). IBM J. 1968, 12: 113–8.
