工業(yè)自動化是一個突出的業(yè)務(wù),它正朝著一個新的方向邁進(jìn)。對品種、定制產(chǎn)品和產(chǎn)品差異化的需求不斷增加,使得制造商很難批量生產(chǎn)零部件。隨后,小批量和批量生產(chǎn)會給組織帶來巨大的成本。因此,公司開始在工業(yè)自動化領(lǐng)域探索新技術(shù)和新機(jī)遇;其中一項技術(shù)就是微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)。
繼機(jī)電一體化之后,這是微型機(jī)電一體化的時代。
MEMS——先進(jìn)半導(dǎo)體技術(shù)
MEMS體現(xiàn)了一種先進(jìn)的半導(dǎo)體技術(shù),它包括單個芯片上的移動元件和電子元件。它致力于將集成電路(IC)制造技術(shù)(如互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)、BiCMOS(雙極結(jié)晶體管和CMOS技術(shù)的集成)與創(chuàng)新的硅微加工444結(jié)合在一起。MEMS制造技術(shù)包括體積微機(jī)械加工,包括對基底材料進(jìn)行部分蝕刻或使用化學(xué)物質(zhì)去除基底形成結(jié)構(gòu),以及表面微機(jī)械加工,其中材料沉積在基底上并形成結(jié)構(gòu)。
MEMS技術(shù)提供的可靠性、可擴(kuò)展性、靈敏度和成本效益高的解決方案為工業(yè)自動化領(lǐng)域提供了大量的MEMS應(yīng)用機(jī)會。
壓力傳感器和慣性傳感器(如加速度計和陀螺儀)是影響工業(yè)自動化領(lǐng)域的MEMS傳感器類型。例如,硅微機(jī)械壓力傳感器在工業(yè)過程控制、汽車測試、液壓和氣動監(jiān)控/控制等工業(yè)應(yīng)用中都有應(yīng)用。壓力傳感器的其他廣泛應(yīng)用包括冰箱狀態(tài)監(jiān)測、制冷劑回收、HVAC風(fēng)機(jī)控制或可變風(fēng)量測量、壓力逐漸升高檢測、泄漏和壓降檢測以及許多其他工業(yè)過程控制應(yīng)用。
工業(yè)微型機(jī)電一體化時代
MEMS技術(shù)對工業(yè)機(jī)器人尤其有利,因為該技術(shù)可以應(yīng)用于觸覺傳感器、導(dǎo)航或接近傳感器。
由于商業(yè)可行性較低的趨勢以及某些非MEMS近距離傳感技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域的根深蒂固,在將MEMS技術(shù)應(yīng)用于制造接近或位置傳感器方面的研究受到限制。然而,MEMS技術(shù)允許開發(fā)或生產(chǎn)成本較低的觸覺傳感器,使機(jī)器人能夠獲得感官信息,以便以更通用、自主的方式做出決策和執(zhí)行動作。微型化的趨勢為多傳感器在機(jī)器人、制造過程、過程控制以及生物技術(shù)和生命科學(xué)等領(lǐng)域的應(yīng)用帶來了機(jī)遇。
一方面,多傳感器提高了對多個參數(shù)進(jìn)行精確可靠測量的能力。
一個關(guān)鍵的例子是美國宇航局開發(fā)的高溫氣體傳感器陣列,也稱為電子鼻。該鼻傳感器陣列采用MEMS技術(shù)制造,由多個傳感器組成,適用于高溫環(huán)境。該陣列由摻雜氮氧化物靈敏度的氧化錫傳感器、基于碳化硅的碳?xì)浠衔飩鞲衅骱脱鮽鞲衅鹘M成。傳感器的工作原理不同,分別是電阻、二極管和電化學(xué)電池,每個傳感器對環(huán)境中的個別氣體有著截然不同的響應(yīng)。鼻陣適用于高溫環(huán)境,可以監(jiān)測化學(xué)物質(zhì)。由于多傳感器具有提供大量數(shù)據(jù)或信息的能力,可以提供更好的系統(tǒng)性能,因此,多傳感器的發(fā)展趨勢越來越明顯。
另一方面,MEMS濕度傳感器在制造業(yè)具有潛力,主要用于不同行業(yè)的暖通空調(diào)系統(tǒng)。
如因工業(yè)自動化市場的直接應(yīng)用受到限制,Hygrometric Inc.參與制造基于水蒸氣的MEMS濕度傳感器。還有MEMS制造的熱電堆是紅外(IR)傳感器,用于測量各種工業(yè)應(yīng)用中的溫度變化,如表面溫度監(jiān)測和包裝(如食品和車輛)的溫度控制。這種裝置也在紅外氣體測量儀器中,反過來又被用于傳感二氧化碳,用于建筑物的按需通風(fēng)。
基于MEMS的熱電堆紅外傳感器可以通過硅的體刻蝕來制作一種具有低熱導(dǎo)率的薄膜。MEMS熱電堆徑向安裝在薄膜上。當(dāng)芯片暴露在紅外輻射下時,熱電堆測量薄膜中心和外圍之間的溫差。
除了已有的市場之外,MEMS還在幾個有希望的領(lǐng)域得到應(yīng)用。
比如總部位于加州的集成微機(jī)械公司(integrated micromachines Inc.)開發(fā)了超小型硅微繼電器和微型開關(guān),它們被用于高端工業(yè)應(yīng)用。再比如,德州儀器公司正在使用微機(jī)械元件制造平板顯示器。以及桑迪亞國家實(shí)驗室演說家和其他機(jī)構(gòu)的研究人員正在努力開發(fā)微型發(fā)動機(jī)的機(jī)會。研究和開發(fā)的重點(diǎn)也正在轉(zhuǎn)向大型陣列或MEMS傳感器網(wǎng)絡(luò),而不僅僅是單個MEMS器件。
隨著計算機(jī)輔助設(shè)計工具和軟件的滲透,MEMS器件的設(shè)計軟件市場也得到了發(fā)展。
例如,Coventor提供了MEMS設(shè)計軟件,可以在三維空間中提供MEMS器件的精確模型。
MEMS的關(guān)鍵技術(shù)驅(qū)動因素
成本:最初采用MEMS技術(shù)的主要驅(qū)動因素是成本。
MEMS技術(shù)具有降低成本的巨大潛力,因為它可以很容易批量制造。例如,模擬設(shè)備公司的制造方法已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化,每年能運(yùn)送數(shù)百萬個加速計。與傳統(tǒng)的傳感器制造相比,該工藝流程簡化,且所需的勞動力更少。多用戶MEMS工藝(MUMPS)是一種標(biāo)準(zhǔn)化的表面微機(jī)械加工技術(shù),它是利用MEMSCAP中的多晶硅來制造MEMS器件的最廉價的制造技術(shù)之一。硅是制造MEMS器件的主要材料,它可以使MEMS制造非常經(jīng)濟(jì)高效,因此利潤非常可觀。
靈敏度提高:MEMS傳感器比傳統(tǒng)傳感器更敏感。
這是MEMS傳感器優(yōu)于傳統(tǒng)傳感器的主要原因,尤其是在高精度和高精度的應(yīng)用中。
小尺寸優(yōu)勢:緊湊是電子或機(jī)械設(shè)備市場的主流趨勢。
MEMS技術(shù)提供了在小面積內(nèi)填充更多MEMS組件的能力,這可以降低特定產(chǎn)品的整體尺寸。具有多種功能的MEMS組件可以增強(qiáng)產(chǎn)品的能力,例如工業(yè)機(jī)器人。
MEMS發(fā)展的主要技術(shù)路障
MEMS技術(shù)需要大量的初始投資。
由于在某些工業(yè)自動化應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的體積需求,企業(yè)可能不愿意對MEMS進(jìn)行大規(guī)模投資。
MEMS技術(shù)也具有特殊的應(yīng)用,因此存在著非常少量的標(biāo)準(zhǔn)化MEMS工藝。
例如,壓力傳感器、加速度計、噴墨打印機(jī)、顯示器和所有其他類型的MEMS都采用不同的工藝模塊。因此,在設(shè)計、包裝、測試和工具開發(fā)方面缺乏協(xié)同或合作。
最終,定制工藝在MEMS市場中最為普遍。
盡管壓力傳感器和加速度計標(biāo)準(zhǔn)化工藝的發(fā)展正在開辟新的可能性,但高水平的知識產(chǎn)權(quán)阻礙了新MEMS器件的標(biāo)準(zhǔn)化。
封裝技術(shù)仍然是MEMS傳感器成功商業(yè)化的核心技術(shù)障礙。
隨著MEMS技術(shù)的應(yīng)用日益特殊,MEMS器件的封裝對于特定應(yīng)用的封裝將是一個重大挑戰(zhàn)。
MEMS傳感器滲入廣泛應(yīng)用,推動工業(yè)自動化發(fā)展
工業(yè)自動化是一個成熟的市場,有著成熟的流程。它也比大宗商品型傳感器的更高的體積市場對價格敏感;而且大多數(shù)工藝都是一次性投資。工業(yè)自動化目前并不傾向于成為基于MEMS的傳感器和執(zhí)行器的大容量市場。由于MEMS器件的制造需要大量的初始投資,因此可以將精力集中在應(yīng)用領(lǐng)域,因為在這些領(lǐng)域,如消費(fèi)電子等需求量較大,以平衡投資成本。
因此,尋求大批量應(yīng)用的MEMS公司可能傾向于不專注于工業(yè)自動化,因為它可能無法產(chǎn)生某些其他細(xì)分市場的產(chǎn)量。然而,工業(yè)自動化領(lǐng)域可以為MEMS開發(fā)人員和供應(yīng)商提供機(jī)會,以創(chuàng)造和提供更高價值的基于MEMS的傳感器和驅(qū)動裝置,與用于更高價格敏感、更高容量應(yīng)用的MEMS設(shè)備相比,這些傳感器和驅(qū)動裝置的價格可能更高。
MEMS傳感器的壓力、流量、加速度/振動/傾斜、角速度等參數(shù)在一定程度上影響著工業(yè)自動化技術(shù)領(lǐng)域。
目前,基于MEMS的傳感器技術(shù)在這一領(lǐng)域的滲透往往局限于過程監(jiān)控應(yīng)用、工業(yè)安全、機(jī)械監(jiān)控,在裝配線制造應(yīng)用中也有一定程度的應(yīng)用。然而,隨著工業(yè)領(lǐng)域向智能化、分布式以及無線監(jiān)控方向發(fā)展,MEMS技術(shù)在這一領(lǐng)域可能發(fā)揮著越來越重要的作用。MEMS支持的小型化和微機(jī)電一體化的趨勢正在推動工業(yè)應(yīng)用的組件、設(shè)備、系統(tǒng)和子系統(tǒng)的發(fā)展。
然而,集中研究和發(fā)展努力,解決各種技術(shù)和科學(xué)問題,將有助于在其他領(lǐng)域的轉(zhuǎn)彎,并推動未來幾年工業(yè)自動化的發(fā)展。
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原文標(biāo)題:MEMS傳感器催生工業(yè)微型機(jī)電一體化時代
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