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微机电系统(MEMS)原理、设计和分析
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你可能喜欢& & 第三次应用浪潮的临近
& & 在中国市场,政府正在不遗余力得加大对汽车产业的发展力度,其中汽车传感器市场成为发展最迅猛的市场。2009年中国汽车传感器市场销售额接近80亿美元,预计从2007年到2010年,中国市场上,汽车传感器销售额的年复合增长率将高于35%。这种增长力度和速度着实不容小视。中国的传感器市场分为两个方向:高端路线和低价路线,ADI的MEMS产品是一个大家庭,囊括了多种定位类别的产品,并致力于满足不同客户的需求。
& & 在当前的MEMS领域,面临的挑战主要来自系统级设计、测试、分析、嵌入式软件的开发、以及管理技术。其中优化解决方案所需要的许多其它要素也为技术工程师提出了许多挑战。我们认为,也许在未来的10年中,MEMS传感器设计需要被供应商进一步优化,从而能够使其提供更加强大的功能,并为使用者降低整体成本做出贡献。而这对于MEMS的运动检测的发展和前进步伐也起着至关重要的作用。
& & 对于MEMS传感器来说,适宜在汽车电控系统中应用是其一大特点。其于近年来被越来越多地应用于汽车的发动机控制系统、车身控制系统和底盘控制系统。其中加速度传感器在汽车中的应用包括电子稳定控制、气囊监测、GPS导航及安全系统、以及翻转监测等。ADI公司20多年来一直是MEMS创新产品的领导者,提供全面的惯性感测解决方案,包括iMEMS加速度计和陀螺仪、iSensor智能传感器以及惯性测量单元(IMU),并已通过TS-16949和QS9000认证。 ADI扩展了MEMS产品在诸如安全气囊,电子稳定系统等安全领域的应用。迄今为止,ADI公司久经验证的运动信号处理技术已经生产出超过4亿片的传感器产品。
& & MEMS在中的应用及发展
& & 多种能量的耦合构成了MEMS器件工作原理,微传感器将非电信号转变为电信号,而微执行器将电能转换为机械动作。与此同时,Integrated Design也在MEMS的设计过程中大显身手。但在MEMS系统的设计过程中,往往采用源于的技术方式,而且系统仿真与版图设计,以及器件分析等过程相互脱节,这就使得有机集成的设计环境不能够形成,从而不能够满足MEMS市场快速增长的需要。目前,人们往往使用自上而下(Top-down)的方法设计MEMS。由此可见,这种正向并行的方法集成了MEMS设计中的所有环节,避免了自下而上方式所出现的弊端,使设计效率和设计质量都得到了保证。
& & 当前,手工设计仍然是MEMS的设计工作的主要方式,主要依靠于设计者的知识与专业水平,而VLSI中的数字逻辑综合则引领了自动化设计潮流。一种快速、优化的配置可以根据设计者提出的要求,利用优化算法以及综合工具实现。它可以帮助设计人员自动生成MEMS器件的拓扑图与器件结构尺寸,从而开始MEMS的自动化设计,节省人力成本。使非专业设计者也能参与器件的开发。这种系统综合,实现了单个器件的设计综合,但需要将MEMS系统间的耦合效应考虑进去,并对信号处理与控制部分进行调试,除此之外还必须具备完备的MEMS器件单元库。
& & MEMS芯片与半导体芯片整合、封装在一起是技术发展的新趋势,也是传统IC厂商的新机遇。ADI MEMS技术简化了运动检测在工业、医疗、消费电子、通信和汽车等众多领域中的应用。用户之所以选择ADI公司的iMEMS加速度计和陀螺仪,是因为其能提供业界最精确的运动测量,而且还具有最小的尺寸、最低的功耗和最高的性价比。
& & 在汽车的主动与被动安全保护领域,市场趋势主要包括以下几个方面:首先,传感器趋于整合,例如将ESP与安全气囊放置在同一ECU之内;其次,传感器的界面将趋于标准化,其中包括数字界面,SPI、DSI以及PSI5。目前,市场上PSI5的采用率要高于DSI;第三,市场上对高性能陀螺仪的需求将逐渐增多,尤其是配有高级驾驶辅助系统如A的汽车;第四,中国和印度等国家已经在司法层面上做出规定,要求所有汽车100%装有安全气囊;第五、欧洲国家也颁布了有关行人保护的法规,车载卫星导航将成为主要趋势,因此正面撞击传感器将成为主要的解决方案。
& & 高性能MEMS产品
& & ADI的iSensor运动传感器产品系列新增两款高度集成的精密MEMS惯性传感器ADIS16135和ADIS16385,可以有效的帮助工业设备制造商实现稳定、导航和控制功能。新传感器能提供战术级(& 10度/小时)陀螺仪性能,iSensor集成度和工厂校准能力。ADIS16135 iSensor精密角速率陀螺仪和ADIS16385 iSensor 6自由度惯性测量单元(IMU)均基于ADI公司的iMEMS(集成微机电系统)惯性传感器核心技术,能够提供6度/小时偏置稳定性和0.75度/&hr角度随机游动。两款器件均经过全面的工厂校准,在-40&C至+85&C温度范围内,灵敏度达到无可比拟的16 ppm/&C,偏置稳定性在0.003度/秒以内。这些传感器采用动态补偿,通过标准SPI(串行外设接口)和寄存器接口提供简单的用户接口和控制。
& & iSensor运动传感器产品提供战术级陀螺仪性能,使复杂的稳定应用和GPS辅助导航推测更容易实现。对于要求在极端环境下提供最高陀螺仪偏置精度的工业系统设计人员,ADIS16135陀螺仪和ADIS16385多轴IMU是目前性价比最高的产品。
& & MEMS陀螺仪一直以来是最难设计和制造的MEMS器件,特别是当许多新兴工业自动化和仪器仪表应用要求高性能和低功耗时。与市场上的其它高性能MEMS陀螺仪相比,新款iMEMS 陀螺仪功耗仅为竞争性器件的十分之一,而且可以提供更高的稳定性和抗振性能。iMEMS陀螺仪是基于ADI公司前三代MEMS陀螺仪开发的第四代器件,采用先进的差分四传感器设计,可在强烈冲击和振动状态下精确地工作。这种MEMS陀螺仪具有鲁棒性能和仅6mA的低功耗特性,可有效地用于多种应用,如机器人、工业仪器、航空以及用于高速列车的平台稳定系统。
& & ADI的 ADXRS450 iMEMS陀螺仪,专门用于恶劣环境中的角速率(旋转)检测,以满足不断提高的精度、稳定度和抗振动抗冲击需求。与设计用于消费类应用的运动传感器相比,这些市场的MEMS传感器需要提供更高得多的性能。ADXRS450 有效地解决了汽车行业客户的策略和技术需求。若要更出色地服务有着广泛客户群的中国市场,则需要更为技术更为全面的陀螺仪,除了提供高品质技术策略还帮助降低成本并提高绩效和市场收益。为此,我们新推出了高性价比的ADXRS652 工业陀螺仪来满足这一市场需求。ADXRS652是一款偏航角速度陀螺仪。它不仅采用了表面微加工工艺,内置低成本、功能完整的角速率传感器,还集成了所有必要的信号调理电子器件以产生与Z轴的角速率成比例的稳定输出。通过外部建立0.01 至2500 Hz的带宽,并利用温度输出对传感器执行温度校准。这款器件的自测输入还能提供机电激励,测试传感器和信号调理电路是否正常工作。ADXRS652抗冲击能力达到2000 g,专门针对工业应用、惯性测量单元和平台稳定性而设计。
& & 综上所述,ADI在MEMS领域的主要竞争优势在于:首先,ADI是唯一一家在产品阵列中提供low-g/high-g以及陀螺仪的厂商;其次,ADI在汽车安全传感器领域具有非凡的经验,ADI自1989年起便以安全气囊传感器为先导开展MEMS业务;第三,ADI的解决方案在振动与冲撞稳健性(陀螺仪),加速器速率保持与宽频感应,超载反应,持续自测以及低功率传感器等方面具有卓越优势;最后,ADI可以提供用于ECU与卫星应用的全套模拟及数字传感器。
& & 助力MEMS技术未来发展
& & 从上世纪90年代早期MEMS开始投入应用,到随后的10年,由消费趋势推动的第二次MEMS技术应用浪潮,直到今天已经进入的MEMS的第三次浪潮。高性能的MEMS加速度计和陀螺仪将在更多领域有着广泛应用,成千上万的人意识到MEMS在各行各业的所发挥的作用以及潜力。MEMS传感器供应商已经冲破了可靠性、成本和大规模生产的障碍,使用者对MEMS更高性能的需求推动了该领域的进步和发展。目前,MEMS技术已能够满足各种各样的客户需求了,包括可靠性和安全性的增加,对医疗和工业领域中高精度测量和诊断的支持。
& & 我们认为,要在第三次浪潮中取胜,供应商不仅应该关注基本运动检测或增加新功能,必须能够应对更多需求和挑战,新型MEMS传感器设计必须在所有条件下,包括在各种振动和温度差异,巨大幅度的冲击的环境下,保持足够的灵敏度、等关键特性。此外,设计人员必须提供有价值的系统性能改进,从而实现过程的自动化、并减少系统停机时间,从而降低成本。正如ADI的MEMS技术,它简化了运动检测在工业、医疗、消费电子、通信和汽车等众多领域中的应用,优化了MEMS传感器设计,提供更加强大的功能,更高的效率,缩小尺寸并降低整体成本,而这些努力必将大力推动MEMS技术的在未来的发展和应用。
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传感器领域和MEMS领域不能划等号的。。。&br&产业界不是很了解,但是可以贡献一下师兄去IEEE MEMS 2014开会带回来的图:&br&&img src=&/0bb32bddae817e5df6b31_b.jpg& data-rawwidth=&316& data-rawheight=&240& class=&content_image& width=&316&&希望对你有帮助。。
传感器领域和MEMS领域不能划等号的。。。产业界不是很了解,但是可以贡献一下师兄去IEEE MEMS 2014开会带回来的图:希望对你有帮助。。
泻药,这个问题你想了两年。这是挺好的事。其实我不太同意上面有人说国内ic产业是个渣渣的说法,这样贬低自己,如果毫无理由的话,我是不太认同的。当然这是12年的答案。&br&ic产业在中国是起步有点晚,但是相信我,我觉得对个人而言,在国内你更有机会。尤其是mems这个方向,我觉得是相当有机会的。我个人觉得国内fab往scaling down&br&方向技术壁垒太大,反而不如在mems这个方向技术壁垒小。机台也相对便宜很多,drie的机台可比photo的机台便宜多了。&br&在美国的mems那拨,其实在06还是08以后基本就没什么新的startup了。国内现在还算是投的火热。我不知道你做mems器件还是什么,我老觉得招人不好找,对就业而言,mems我感觉即不存在人才过剩,也不存在公司headcount不够,基本属于信息不对称。&br&当然个人有好多选择。&br&说得比较乱,等有心思了我再整理。望对你有用。
泻药,这个问题你想了两年。这是挺好的事。其实我不太同意上面有人说国内ic产业是个渣渣的说法,这样贬低自己,如果毫无理由的话,我是不太认同的。当然这是12年的答案。ic产业在中国是起步有点晚,但是相信我,我觉得对个人而言,在国内你更有机会。尤其是…
我们天线中,有把MEMS作为开关,来做reconfigurable antenna的&br&我觉得要往高度集成方向发展,比如,无线的sensor系统。超小型天线集成在硅片上(40GHZ 以上),例如baymax的全城的健康扫描系统。
我们天线中,有把MEMS作为开关,来做reconfigurable antenna的我觉得要往高度集成方向发展,比如,无线的sensor系统。超小型天线集成在硅片上(40GHZ 以上),例如baymax的全城的健康扫描系统。
从图上看d和g应该是都是氧化之后再磨平。。。&br&&br&其实这种工艺流程示意图每一步可能在工程实际上都包含很多细小的步骤,一般来说看似简单的十几步工艺流程图真正在产线可能需要一、两百步,不会每一步都在流程图中体现。磨平这种工艺也一般不会在流程图中画出来。&br&题目中的流程我觉得可以换一下顺序,先进行两步的硼离子注入,再氧化。&br&因为离子注入的时候可以带着MASK,氧化的时候是没法带着MASK的(也可能有,但是我没见过)
从图上看d和g应该是都是氧化之后再磨平。。。其实这种工艺流程示意图每一步可能在工程实际上都包含很多细小的步骤,一般来说看似简单的十几步工艺流程图真正在产线可能需要一、两百步,不会每一步都在流程图中体现。磨平这种工艺也一般不会在流程图中画出来…
【未经允许,请勿转载】&br&&br&首先先来解释什么是MEMS。Microelectromechanical Systems, 这个让老美念起来都绕口的词,中文叫做“微机械机电系统”。MEMS的飞速发展,是因为传统机电工艺制成的驱动器和传感器,在&b&体积&/b&、&b&价格&/b&、&b&产能&/b&上无法适应电子消费、工业界、科学研究乃至军工的需求。上世纪80年代末,随着集成电路工业的迅速发展,把驱动器和传感器和集成电路芯片集成在一起, 就成为了科技发展的必然趋势,这也就促成了MEMS的诞生。&br&&br&&b&【传统机电工艺和MEMS的对比】&/b&&br&&b&——传统的加速度计&/b&:&br&&img src=&/b492b816f7_b.jpg& data-rawwidth=&264& data-rawheight=&183& class=&content_image& width=&264&&Endevco 公司的压电加速度计&br&&br&&br&&b&体积&/b&比成年人的大拇指要大一点。如果再加上电路和读出设备,一般需要一个手提箱才能带着走。再看&b&价格和产能&/b&,压电材料(常见的石英,陶瓷)需要很精确的传统工业加工技术,无法批量生产,价格也是MEMS加速度计的上千倍。&br&&br&&b&——传统的陀螺仪&/b&:&br&&img src=&/ad1fdc05c9b0af828b683_b.jpg& data-rawwidth=&432& data-rawheight=&154& class=&origin_image zh-lightbox-thumb& width=&432& data-original=&/ad1fdc05c9b0af828b683_r.jpg&&Northrop Grumman的军用半球形陀螺仪&br&&br&可以从图中直观的看出其和一个美元quarter硬币的大小对比。为了保证性能,这样一个陀螺仪的产量之低,和价格之高也是可想而知的。&br&&br&那么现在问题来了 - 我们总不能把这么大的加速度计和陀螺仪放在手机里面吧(除非我们都回到大哥大时代)。而正因为有了MEMS技术,我们手机里面的加速度计和陀螺仪可以变成是这样小的体积:&br&&img src=&/f932f8fb293eec397a18c0_b.jpg& data-rawwidth=&188& data-rawheight=&188& class=&content_image& width=&188&&&br&&br&&b&【使用MEMS技术的好处】&/b&&br&列举几个最重要的:&br&&ul&&li&&b&原材料价格低廉,产量充足。&/b&&/li&&/ul&大部分集成电路和MEMS的原材料是硅(Si),这个神奇的VI族元素可以从二氧化硅中大量提取出来。而二氧化硅是什么?说的通俗一点,就是&b&沙子。&/b&沙子君在经历了一系列复杂的加工过程之后,就变成了单晶硅,长这个样子:&br&&img src=&/b0a2b20c6c9e26b667786_b.jpg& data-rawwidth=&498& data-rawheight=&188& class=&origin_image zh-lightbox-thumb& width=&498& data-original=&/b0a2b20c6c9e26b667786_r.jpg&&&br&这个长长的大柱子,直径可以是 1 inch (2.5 cm) 到 12 inch (30 cm),被切成一层层 500 微米厚的硅片 (英文:wafer,和威化饼同词),长这个样子:&br&&img src=&/f402fe3ef3_b.jpg& data-rawwidth=&259& data-rawheight=&194& class=&content_image& width=&259&&&br&&br&&ul&&li&&b&批量生产 - 产能高,良品率高&/b&&/li&&/ul&MEMS驱动器和传感器大部分都含有微机械机构。试想一下,我们要检测一个一微米长的弹簧移动了一纳米(微米尺度的悬臂梁在纳米尺度的范围内移动),这种加工精度在传统机械加工工艺上面是难以实现的。正因为有了MEMS技术,现在我们可以使&b&数以万计&/b&的MEMS芯片(有些工艺也会把集成电路芯片放在同一步骤加工)出现在了每一片wafer上面,如下图所示。&br&&img src=&/ebd2ab206aaf9c_b.jpg& data-rawwidth=&557& data-rawheight=&454& class=&origin_image zh-lightbox-thumb& width=&557& data-original=&/ebd2ab206aaf9c_r.jpg&&&br&这种批量生产(batch process)的过程目前已经全自动化控制,隔离了人为因素,确保了每一个MEMS芯片之间的工艺误差可以得到严格的控制,从而提高了良品率。切片、封装之后,就成为了一个个的MEMS芯片。从外观上来看,大部分的MEMS芯片和集成电路芯片是差不多的。&br&&br&&ul&&li&&b&纳米技术本身的优势。&/b&&/li&&/ul&曾几何时,微米和纳米技术被称为了科技的代言词,但大部分人根本不理解微米和纳米技术是什么。其实对于MEMS传感器来讲,最大的优势是&b&体积和表面积的比数值小(体积:表面积)&/b&。我们都知道体积是跟长度的三次方,而面积是长度的二次方。所以把一个MEMS器件等比例缩小的结果就是&b&体积:表面积&/b&会缩小,这样会使得MEMS器件的信噪比增加(也就是有好处)。&br&&br&&br&【&b&MEMS“民用”工艺&/b&】&br&我觉得更常用的说法应该是&b&“商用”MEMS工艺&/b&。与其对应的还有“军用”MEMS工艺,还有做科学研究用的“科研”MEMS工艺。&br&&br&最成功的几个“商用”MEMS工艺其实屈指可数:&br&&ul&&li&&b&惯性传感器:加速度器和陀螺仪。&/b&代表公司及工艺:InvenSense的Nasiri工艺,ST Microelectronic的THELMA工艺,Analog Devices的IMU工艺,博世(Bosch)的Bosch Process。这个技术用在了导航方面,比如大疆无人机,虚拟现实和体感输入(智能手机、PlayStation手柄等),汽车安全气囊和ABS防抱死系统。&/li&&/ul&&img src=&/aecb3d6e3e6a31c89c0c1_b.jpg& data-rawwidth=&1232& data-rawheight=&461& class=&origin_image zh-lightbox-thumb& width=&1232& data-original=&/aecb3d6e3e6a31c89c0c1_r.jpg&&图: InvenSense的Nasiri工艺。其6轴惯性传感器用在了目前最新的iPhone6 &br&&br&&ul&&li&&b&喷墨打印机。&/b&代表公司及工艺:Epson的压电喷墨头,Canon的memjet(热驱动)。&/li&&/ul&&img src=&/bf1cf016b6cfed1b80d581e_b.jpg& data-rawwidth=&368& data-rawheight=&290& class=&content_image& width=&368&&&br&图:Epson的压电喷墨头&br&&br&&ul&&li&&b&投影仪DLP芯片。&/b&代表公司和工艺:Texas Instruments(德州仪器)的DLP (Digital Light
Processing)技术,用在了目前全世界大于90%的投影仪当中。&br&&/li&&/ul&&img src=&/cfdfb372bf1abba16e65d394_b.jpg& data-rawwidth=&400& data-rawheight=&289& class=&content_image& width=&400&&&br&图:TI的DLP技术&br&&br&&ul&&li&&b&压力传感器。&/b&代表公司和工艺:ST Microelectronics和Bosch的压力传感器,用到了Piezoresistive压阻技术,用于GPS、登山手表和智能手机上。&br&&/li&&/ul&&img src=&/d7daec8dfc43_b.jpg& data-rawwidth=&592& data-rawheight=&444& class=&origin_image zh-lightbox-thumb& width=&592& data-original=&/d7daec8dfc43_r.jpg&&图:Bosch的BMP180芯片。左边是ASIC电路,右边是压力传感器。可以看到,压力传感器东南西北四个方向都有压阻电阻,用来检测硅薄膜受到压力之后的形变。&br&&br&&ul&&li&&b&麦克风。&/b&&/li&&/ul&MEMS的麦克风也是近几年才取代了过去磁感线圈式的麦克风。以美国的Knowles和中国的歌尔声学为主,MEMS麦克风已经基本替换了大部分手机中的传统麦克风。技术实现上也相对简单,其实就是一个打了很多孔的压力传感器。&br&&img src=&/f160cfaef441d_b.jpg& data-rawwidth=&418& data-rawheight=&419& class=&content_image& width=&418&&&br&图:Knowles用在iPhone中的麦克风&br&&br&MEMS现在应用广泛、发展前景较好,但是它的可靠性和精度并不能达到某些传统工艺的标准,所以在军事和航天领域依然还是需要传统工艺来解决问题。&br&&br&注:所有图片均来自google图片搜索。
【未经允许,请勿转载】首先先来解释什么是MEMS。Microelectromechanical Systems, 这个让老美念起来都绕口的词,中文叫做“微机械机电系统”。MEMS的飞速发展,是因为传统机电工艺制成的驱动器和传感器,在体积、价格、产能上无法适应电子消费、工业界、科…
有一种,美国好几年前有做过,气动肌肉。
有一种,美国好几年前有做过,气动肌肉。
看文献里提到过一些有机材料,可以被电击可控地收缩变形。&br&但是寿命很短,大概十几分钟之后就会变质失活了。
看文献里提到过一些有机材料,可以被电击可控地收缩变形。但是寿命很短,大概十几分钟之后就会变质失活了。
你是去哪个学校读啊?
你是去哪个学校读啊?
感觉像是在骗经费的,可能会成为第二个汉芯事件
感觉像是在骗经费的,可能会成为第二个汉芯事件
目前这只是一个很新的概念,可以灌很多文章,去搜他的文章看吧。
目前这只是一个很新的概念,可以灌很多文章,去搜他的文章看吧。
不请自来。。。&br&先自挂东南枝,我是上文提及的北京纳米能源所的童鞋,匿了。&br&确实,现在所里发展方向是王中林院士主导纳米发电机,分为两个,一个是压电方向,另外一个是摩擦,嗯,别想歪,确实是摩擦(为什么此刻我的脑海里浮现出滑板鞋。。。)&br&压电是以氧化锌为主的进行发电机方面的研究,这个,咳咳,个人觉得还是作为传感器比较靠谱,转化和输出确实低,当然楼上说的用作微型能源的供给,还需要很长的路要走。&br&摩擦其实就是利用接触起电效应结合电容从而将感生电荷传导出来,摩擦的话确实能够达到几百伏的电压输出,但是内阻太大,G欧级别,电流很低,电荷少,使用起来阻抗匹配。。。就不说每天被静电电得死去活来了,单单摩擦发动机到应用真的还有很长的路要走,接触材料的耐磨性,期间的设计以及安全性等等等等,还需要很长时间啊啊啊啊啊&br&对了,最近王所提出产业化。。。目标是好的,动机是纯的,但是路也是很长很坎坷的。希望那款让大家迈着魔鬼的步伐就能给个体供电的产品早日问世。
不请自来。。。先自挂东南枝,我是上文提及的北京纳米能源所的童鞋,匿了。确实,现在所里发展方向是王中林院士主导纳米发电机,分为两个,一个是压电方向,另外一个是摩擦,嗯,别想歪,确实是摩擦(为什么此刻我的脑海里浮现出滑板鞋。。。)压电是以氧化…
只能呵呵了&br&王教授给俺们作报告&br&特别像个商人…&br&&br&还是传销的那种…
只能呵呵了王教授给俺们作报告特别像个商人…还是传销的那种…
貌似有医学应用前景诶。。。微观世界的东西肯定没法在日常生活中应用。
貌似有医学应用前景诶。。。微观世界的东西肯定没法在日常生活中应用。
呃。。。MEMS,还有NEMS.....实话实说,较为悲剧。。不过MEMS比NEMS强。。从大方向上来看,MEMS和NEMS当然是高大上的。但是问题在于,这两个方向真的走向工业化真心是漫漫长路啊,需要一代又一代的苦逼researchers的奉献有木有。。就说MEMS传感器吧,说实话,在具有成本优势之前,很难真正的把前浪拍死在沙滩上。不考虑成本只考虑性能的,那也只有国防航天工业了。。所以坑儿就那么多。慎重啊
呃。。。MEMS,还有NEMS.....实话实说,较为悲剧。。不过MEMS比NEMS强。。从大方向上来看,MEMS和NEMS当然是高大上的。但是问题在于,这两个方向真的走向工业化真心是漫漫长路啊,需要一代又一代的苦逼researchers的奉献有木有。。就说MEMS传感器吧,说实话…
貌似是气泡阻止了酸跟si表面的进一步反应
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可以考虑无线传感网络
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