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科技研发
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MEMS
 
 
 
 

现在,人类越来越注重了解自身的健康状况。以前要了解健康指标——血压的状况,我们只有到医院才能检测。而现在,在家谁都可以轻松地检测了。这就是欧姆龙的"电子血压计"所带来的便利。而最近,便于出差、旅游携带的手指式、手腕式等微型轻便的款式更是受到极大地欢迎。

现在,电子血压计已经变得像名片那样的小巧。这在很大程度上归功于微电子机械系统的应用。虽然的肉眼看不到,但在血压计里装有着世界最小的测量血压的"MEMS圧力传感器(感知气体、液体等的圧力进行测算的系统)"。

通过指头就能测量血压,单是这点就表现了该传感器体积虽小却超灵敏的特点。它的秘密就在于,使用了微电子机械系统技术并经过精细加工的"面包圈构造"。我们将以往圧力传感器的圆盘型构造改造成面包圈型圆环形构造后,使传感器感知血液压力的面积提高到原来的5倍,超微压的测定也成为了可能。并且,鉴于传统的血压计在读取血压变化时容易受外界气温的影响的缺点,欧姆龙采用了独家的静电电容方式(即读取蓄电量变化的方式)。因此,无论什么条件下都能正确地测量血压的MEMS压力传感器的由此诞生了。

*装在电子血压计上圆环形的MEMS压力传感器

以往的圆盘造型只
能感知全体的10%
采用微电子机械系统改造成圆环形后,感知率上升到全体的50%。

 

 

人的身体是在不断散热的,其在空气中的流动速度仅是每秒5mm。连我们都注意不到的这么微小的气流,测量精度为1.5mm角的MEMS传感器在每秒1mm时就可以检测出来。

像这样的MEMS传感器最大的好处是其体积越小,精度就越高,电力消耗也就越小。欧姆龙在努力让MEMS的优势得到最大限度的发挥的同时,还在开发各种MEMS装置,如血压计、煤气测量仪和热水饮水机等计算压力的"压力传感器",以及燃料电池和人工呼吸器等计算气体流量的"热式流量传感器"等。

比如,用人脸识别系统代替钥匙。该系统使用OKAO Vision传感技术已经实现实用化,被用于养老院、办公室、研究开发室等的安全管理系统。这种人脸识别技术比钥匙、银行卡和密码等更容易使用,并且不必担心丢失或者忘记携带。

利用手术中的呼吸器来控制氧气的 "热式流量传感器"

"热式流量传感器"是通过加热器的温度变化来测量气体流量的。我们就是利用这种连速度1mm/秒的气体都不会放过的传感器,来维持人的生命。

尽管是1.5mm×1.5mm×0.4mm这样微小的芯片,却可以能灵敏地捕捉到人的呼吸。为了扩大传感面积并防止电热器漏热,欧姆龙利用蚀刻法做出了凹处为逆梯形"可丽饼结构"。

*可丽饼结构图

过去,是通过蚀刻法把挖出的底面作为传感面,因此要想扩大传感面积的话就必须扩大硅自身的大小。 通过可丽饼结构减少了过去浪费的空间。在和过去相同体积的硅上面,也可以扩大传感面积。

蚀刻法就是使用化学物质或者离子对硅的表面进行腐蚀并加工技术。该技术分为2种:即用专用化学液体浸泡溶解的湿蚀刻法和利用煤气的化学反应制造腐蚀结构的干蚀刻法。湿蚀刻法成本低且生产效率高,干蚀刻法则比较适合细小的加工。的技术与处理静止画面的技术完全不同。活动画面通常是由30帧/秒的静止画面组成的。而我们必须捕捉每一帧的画面,然后筛选出所需的人脸信息进行追踪录像。在此基础上我们再挑出最容易辨认的人脸信息,也就是那些面积较大且尽量朝向正面的图像来进行认证。而能把这些复杂的工作以帧/秒的高速度处理的,正是欧姆龙的独家技术。今后,随着活动画面的研究的深入推进,我们的技术也将应用到更广阔的领域。

 
 

移动机器正在不断地向多功能、微型化方向发展。在日本,经常能看到用手机收发图像的情景。今后的发展趋势是用更高速度来收发更大容量的数据,要想实现这一技术,MEMS是必不可少的。

开发中! 可以让我们惬意收发动画的 "高频开关"

在手机里,有很多控制各种信号的开关。为了能以更高的速度发送接收电影等一些大容量的信息,就需有与其对应的高频开关。其中最为引人注目的就是RF(高频)MEMS。※新能源产业技术综合开发机构(NEDO)的MEMS项目也是其中之一。

和半导体开关相比,作为RF-MEMS之一的高频开关可以应对其10倍的高频。为了实现开关的微型化,并使其在打开关闭时更加便于操作、耐用,我们用蚀刻法做出了像羽毛毽一样柔软并且可以自由活动的"EAGLE结构的发条"。

*EAGLE结构的多发条动力装置

MEMS可以说是世界上最小的"雕刻"

欧姆龙的MEMS芯片有仅数毫米的精度。芯片内部由担任传感器功能的三维立体结构和集具有众多功能于一体的复杂系统组成。让这些元器件成功实现微型化的,正是最先进的MEMS技术。

该技术的加工是以极小的微米和纳米为单位。以硅为材料,使用蚀刻法削去一部分,使其与玻璃层相互贴合在三维立体结构中,该过程不允许出现丝毫的误差和异常。可以说这是世界上最小的高精度"雕刻",它与制作一个LSI的过程不同,后者就好比以硅为画布、以布线为画笔完成的绘图。

欧姆龙很早就开始着手MEMS的研发,因此在技术和专业知识方面有着一定的积累,并取得了很大的进步,现在已经可以处理数十纳米的单位。正是因为具备了如此顶尖的技术,欧姆龙才能够进行超小型、高机能并且值得信赖的MEMS传感器的开发。

*H型蚀刻法的模拟

半导体的制造技术是借鉴照片冲洗的技术发展而来。在硅晶片上面涂上感光剂,当接触到光的时候,硅晶片上面电子回路图就会燃烧,平面上不需要的部分通过蚀刻法去掉。MEMS的超微加工技术正是以半导体加工程序为基础发展而成的。

硅多存在于玻璃和石头之中,具有半导体的特性,既可以形成导体,又可以形成绝缘体,且形成后的宽度只有0.1微米。由于硅的独特优点,它作为一种主要的计算机材料被广泛地应用于电脑、手机和家电产品等。MEMS基板使用的材料就是硅晶片,是由分子和原子整齐排列的单结晶硅做成的圆盘状物质。

单结晶硅不仅有半导体的性质,并且非常结实,经多次震动和挤压也不会损坏。因此在将其应用于传感器和执行器时,这种材料使得机器的可靠性能得以长时间保持。

 
 

无论在何时、何地人类都能随时得到需要的信息,现在就是这样一个无处不在的网络社会。欧姆龙的MEMS传感器作为一个有着超高感度的超小型感应器,今后其性能有可能超越人类的五官。

现在,欧姆龙仍然在探索进一步的发展,试图通过MEMS实现机器和装置的微型化,甚至使其达到能够被忽略的程度。譬如,让人穿上传感器。我们把传感器置于手表或者衬衫中,就会在人完全意识不到的情况下,1年365天的每时每刻都能享受到健康管理;并能够通过无线传输把传感器得到的数据送到医院,这样病人可以随时得到医生反馈的建议。能

此外,还有把多个MEMS传感器连接在一起,形成"无所不在的传感器网络"。如果该技术能够成功的话,今后人类也许可以预知目前完全无法感觉到的地震。

从微观到纳米,面对即将到来的无处所不在的网络社会,欧姆龙凭借其关键的MEMS技术在不断地进步。

实现量化生产的欧姆龙的芯片代工服务

现在,MEMS的量化生产还处于非常困难的阶段。这主要是因为MEMS本身非常小并且内在结构极为复杂,所以需要配备很多昂贵的装置。这样以来,MEMS的制造过程就很难达到量化生产。

欧姆龙充分运用过去的经验和成果,从2001年4月就开始了MEMS的开发设计、试运行和批量生产等一系列的"芯片代工服务";并且在2002年,欧姆龙和MEMS业界技术最先进的台湾Walsin Lihwa公司进行了合作。随着社会的发展,未来对MEMS的需求越来越广泛,欧姆龙还会继续在MEMS领域努力发展开拓。

*最大的灰尘源制造者居然是人类?!无尘实验室

对MEMS来说,灰尘是最大的致命源,所以带来灰尘的人类也就成为了它最大的敌人。为了避免人的衣服和皮肤带来灰尘,工作人员在实验室里要穿专用的防尘服并带手套,还要使用不沾灰尘的专用道具。另外,用于作业的无尘实验室也利用特殊除尘过滤器来保持空气的循环。通过这种特殊过滤器的使用,不要说花粉,就是大一些的病毒也可以被过滤出去。

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