e-works数字化企业网  »  文章频道  »  产品创新数字化(PLM)  »  CAD

MEMS及其应用

2008/10/15    来源:e-works    特约撰稿人:朱全敏      
关键字:MEMS  微型机电  系统  
本文介绍了微电子机械系统MEMS,说明了形状记忆合金SMA,述说了MEMS的开发。
    一、MEMS简介
   
    中学时很喜欢物理:光学力学电学热学。上大学选系时先考虑物理系的,怕应用少太艰
   
    深就中庸一下去了"信息物理系"。该系大一时改名成了电子系,我大四时选了声学专业。读了四年感觉电子这门手艺不太直观,比如你可以说电压电流在变,但又看不到听不到摸不到"电子门",而只能用想象的或者用仪表去测。顺便就换了专业去机械系,一是因为机械的东西"动"得直观,二是因为比电子系好申请。硕士念的是应用力学方向,论文做结构撞击振动分析。读博士时先通过了资格考试包括固体力学,流体力学,控制,和制造四门。选方向时想学一门可以放在手上的做真东西的手艺,于是发现一个好玩意儿"微电子机械系统",英文叫MEMS。就是用半导体集成电路的制造方式在硅晶片上造出微小的而且关键是还会动的电子机械结构,可以实现很多不同的功能。对此大感兴趣,可以结合我电子和机械的背景,还可以学超静室半导体加工流程,岂不很好?我跨系找了个电子系导师做一个电热驱动双稳态电路保护继电器的项目。他正好找了一个机械系设计方向的教授合作,于是我就有了两个导师。其实之前找博导的时侯从没考虑过设计方向,因为觉得中国学生更擅长分析而不是"摸不着边"的设计,后来才发现设计是既需要创意,也必须有很好分析能力的一门手艺。
   
    毕业时高科技行业不景气,没找到MEMS的活儿,去了一个做电路保护器件的成熟公司。在那里两年多主要做了两个项目。一个是研发结合高电流和高电压保护,由半导体部件
   
    和导电塑胶部件组合起来的器件。这个项目要找出什么部件是适合的,怎样装配封装是好的,和测试的方法。第二个项目是做半导体电子器件的物理建模,对我来说是个全新的手艺。我的第二份和第三份也就是现在的工作都是在MEMS领域烧"风险投资"钱的新创公司。上个公司主要研发可调频射频芯片,基本器件为可变电容。我先干了些制程文件创建,器件设计画版的活儿。之后两年专攻技术核心的多层结构平度问题,包括光干涉测量,制程分析和发展,理论分析和有限元建模等。原本的设计制程问题很大,小修小补无济于事,后来找出了问题的根本和解决的方式。近一年前加入的现在这个公司是做反射小镜子阵列的,应用在投影仪上。主要做器件物理方面的测试和计算,包括与器件封装,粘性,成品率,可靠性,电驱动设计等有关的工作。
   
    二、形状记忆合金
   
    先讲一下形状记忆合金:形状记忆合金(Shape Memory Alloys, SMA)是一种在加热升温后能完全消除其在较低的温度下发生的变形,恢复其变形前原始形状的合金材料。除上述形状记忆效应外,这种合金的另一个独特性质是在高温(奥氏体状态)下发生的"伪弹性"(又称"超弹性",英文 pseudoelasticity)行为,表现为这种合金能承载比一般金属大几倍甚至几十倍的可恢复应变。形状记忆合金的这些独特性质源于其内部发生的一种独特的固态相变--热弹性马氏体相变。
   
    形状记忆合金(Shape Memory Alloys,简称SMA)是一种能够记忆原有形状的智能材料。当合金在低于相变态温度下,受到一有限度的塑性变形后,可由加热的方式使其恢复到变形前的原始形状,这种特殊的现象称为形状记忆效应(Shape Memory Effect,简称SME)。而当合金在高于相变态温度下,施以一应力使其受到有限度的塑性变形(非线性弹性变形)后,可利用直接释放应力的方式使其恢复到变形前的原始形状,此种特殊的现象又称为拟弹性(Pseudo Elasticity,简称PE)或超弹性(Super Elasticity)。这两种形状记忆合金所拥有的独特性质在普通金属或合金材料上是无法发现的。
   
    三、MEMS的开发
   
    讲一下MEMS公司里整天在忙什么。当然最先是熟悉市场技术的创始人提出一个新产品的构想来满足一个广大的市场,强调一下优势,小看一下困难,最好再有专利和初级产品
   
    模型,就可能从风险投资找到钱,然后招来一大批各层次的工程师开始研发。研发主要有四种动作:设计,制造,测试,计算。要说具体些,用人来比喻是最好了。头是设计,要想想产品长什么样,功能怎样实现。左手是制造,需要把脑袋里想好的器件多快好省地做出来。具体说是要决定需要什么工序,每道工序劲道该怎样拿捏。右手是测试,把左手做好的东西拿来掂量掂量,满足功能要求吗?如果不理想,测出哪里不对需要改进。与这三者紧密相关的当然是身体,就是计算了。身体是支持头和手的根本,同时起到让头和手沟通反馈的作用,好的计算通过翻译传达数据信息指标把设计制造测试有机地结合起来。若要达到想的不着边际,做的南辕北辙,测的事倍功负的效果,最好的方法是忽视计算。计算有基于基本定律的物理模型,有对于实验的分析和计划,还可以用统计学的方法琢磨出坏器件与好器件差别的根源。
   
    MEMS研发有三个要突破的重点,如果接着用人来比喻,左腿是可靠性,右腿是成品率,鞋子是封装。只有拥有了健壮的腿和合适的鞋,新产品才能快快地跑到市场台面上,客户家里去。第一关是可靠性,就是要保证器件在这种那种条件下能工作几年不坏。动的东西总是比静的容易坏,比如会发生肌肉疲劳,皮肤磨损之类的现象。怎样防止这些现象是个难题,怎样验证问题的解决也是个难题,总不能测个几年再下定论吧。所以要发展一些加快器件变坏的方法,从而在短时间内暴露问题加以改进,并说服客户产品是可靠的。MEMS相对集成电路来说是一个年轻多样的领域,对于器件变坏的各种模式和相应加速方法的了解都不足。需要在研发产品的同时进行这些基础研究,是不容易的。第二关是封装。如果说对集成电路的封装是不用管里面是什么只要涂层泥保护就好,对MEMS就是要根据形态各异,脾气不同的花朵特别制造好相应的温室,还要开好窗口给住客有与外界互动的通道。常常造这个温室比种花还难。第三关是成品率,集成电路一般都在九成上下,MEMS就低多了。一个原因是MEMS制造要挖很多洞,洞里面的机械结构难清洁,易变形,还会粘到墙上,这就比实心的集成电路要难很多,造成不少废品。另外不管是可靠性还是封装的欠缺,又会损失不少成品。
   
    当然了,这头手身腿鞋是环环相扣的,组成一个完整的"人"。健壮和谐的"MEMS人"可以创造出物美价廉的产品。MEMS这门手艺还是很广阔很有意思的,希望以后能把它学的做的更好些。
责任编辑:童伟
本文为e-works原创投稿文章,未经e-works书面许可,任何人不得复制、转载、摘编等任何方式进行使用。如已是e-works授权合作伙伴,应在授权范围内使用。e-works内容合作伙伴申请热线:editor@e-works.net.cn tel:027-87592219/20/21。
e-works
官方微信
掌上
信息化
编辑推荐
新闻推荐
博客推荐
视频推荐