MEMS设计绪论第1部分.ppt

第1章 绪论(第1部分),MEMS研究发展史 MEMS概念 MEMS技术发展概况 器件及应用实例 MEMS的本质特征 小型化 微电子集成 高精度的批量制造 器件：传感器与执行器 能量域与换能器 传感器 执行器 MEMS与微电子学,What ？,MEMS研究发展史MEMS基本概念,各个国家不同的定义,美国：微型机电系统 MEMS: Micro electro mechanical system 日本：微机械 Micro machine 欧洲：微系统 Micro system,尺度,Factor Prefix Symbol Factor Prefix Symbol 10+24 yotta Y 10-24 yocto y 10+21 zetta Z 10-21 zepto z 10+18 exa E 10-18 atto a 10+15 peta P 10-15 femto f 10+12 tera T 10-12 pico p 10+9 giga G 10-9 nano n 10+6 mega M 10-6 micro 10+3 kilo k 10-3 milli m 10+2 hecto h 10-2 centi c 10+1 deca da 10-1 deci d,典型尺寸,1光年=9.461015米 美特好到中北大学15公里 人身高1.x米 小米直径1毫米 红细胞直径8微米 可见光波长380-780纳米 氢原子直径0.1纳米，质子直径1.610-15米,1 cm beetle 甲虫 1 mm head louse 跳蚤 100 m hair 头发 10 m blood cells 血球 1 m bacteria 细菌 100 nm virus 病毒 10 nm IC features 线宽 1 nm DNA双螺旋结构 0.1-0.3nm atom 原子,自然的微小世界,微型车床 Micro Lathe-Japan,小汽车 和米粒 Mini Car and Rice - Toyota,微型 飞行器 Micro Aerial Vehicle-MIT,微型 机器人 Micro Robot -US,人造的微小世界,（28克，4cm3）,定义,定义 MEMS是什么？ Mirco- 微- （尺寸、适于批量加工） Electro- 电子- Mechanical 机械- System 系统-（解决系统问题）,换能,微加工和小型化技术与科技生活,计算机、互联网、蜂窝电话、数码照相、平板显示、等离子电视、节能汽车、人类基因组测序、快速DNA序列识别、新材料和药物、电子战等,集成电路技术是MEMS发展历史的起点 电子器件小型化和多功能集成是微加工技术的推动力,MEMS研究发展史MEMS技术发展概况,MEMS研究发展史,19世纪：照相制版 1947年：发明晶体管技术基础 1951年：显象管遮蔽屏光学应用 1952年：表面微加工专利 (美) 1954年：Si、Ge压阻效应 1955年：IC概念的出现 1958年：第一个集成电路 1960年：开始使用硅各向同性腐蚀工艺 1962年：晶体的异向腐蚀 1963年：日本丰田研究中心制作出硅微压力传感器 1966年：机械研磨做硅腔 1967年：振动门晶体管牺牲层腐蚀,1967年：发明硅各向异性腐蚀工艺 1968年: 阳极键合 1969年: 基于掺杂浓度的腐蚀 1970年：硅微电极（斯坦福大学） 1973年：内窥镜用硅压力传感器（斯坦福大学） 1974年：集成气相质谱仪（斯坦福大学） 1976年：KOH 腐蚀，MEMS加工手段 1979年：集成压力传感器（密西根大学） 1979年：第一个压阻式微加速度计 1982年： LIGA工艺（德国原子力研究所） 1982年：第一个静电微马达、“微制造”的出现,1982年：美国IBM和UC Berkeley研制了集成电容加速度计 1986年：硅反馈式加速度计（瑞士CSEM） 1986年：集成流量控制器（日本东北大学） 1987年：微齿轮等（UC Berkeley 、贝尔研究所） 1987年： UC Berkeley研制出转子直径为60120m的硅微 静电电机 1993年：美国Analog Devices开始生产集成加速度传感器， 开始在汽车行业大量应用 20世纪90年代中：ICP促进体硅工艺快速发展 20世纪90年代末：开始微型飞行器、微型卫星、微型机器 人等研究 20世纪90年代末：美国Sandia实验室发表5层多晶硅工艺,第一个晶体管（ NPN Ge ） 1947年12月23日 W. Schokley J. Bardeen W. Brattain,1958年第一块集成电路：TI公司的Kilby，12个器件，Ge晶片,获得2000年Nobel物理奖,82年：美国U.C. Bekeley，表面牺牲层技术 微型静电马达成功 MEMS进入新纪元,1988年：静电旋转微马达,Richard S. Muller UCB, Berkeley, CA, USA,Fan Long-Shen, Tai Yu-Chong and Muller R S 1989, IC-processed electrostatic micromotors Sensors Actuators,20 417,20世纪90年代初：气囊微加速度计产业化,气囊微加速度计的集成电路版图,20世纪90年代中：ICP的出现促进体硅工艺快速发展,90年代末：Sandia实验室5层多晶硅技术代表最高水平,2000年底：MEMS Si宣布研制成功与标准 CMOS兼容的加速度计 最新动向,MEMS研究发展史器件及应用实例,(1) 压力传感器 最成熟、最早开始产业化 压阻式和电容式 压阻式微压力传感器的精度：0.050.01，年稳定性达0.1/F.S，温度误差为2ppm，耐压可达几百兆帕，过压保护范围可达传感器量程的20倍以上。,几个商业化了的MEMS产品,(2) 微加速度计 微加速度计是微型惯性测量组合的关键基础元件 汽车安全气囊系统：体积小、成本低、集成化等特点 美国AD公司的ADXL 美国摩托罗拉公司批量生产汽车用MMAS40G电容式微加速度计 美国EG&G IC,(3)微喷 基于MOEMS技术的微喷已成为MOEMS领域的一种典型器件，它的应用涉及科学仪器、工业控制以及生物医疗等多个领域，目前主要的应用方向有喷墨打印、芯片冷却、气流控制以及微推进系统，应用于药物雾化供给的微喷研究也正在兴起。 喷墨打印机的喷墨打印头，年产值数亿美元。,(4)数字微镜器件 与传统的CRT和LCD投影显示技术相比：足够的亮度，均匀性和稳定性 反射显示：德州仪器设计的数字驱动微简易阵列芯片（DMD，Digital Micromirror Device)，实际上是反射式微光开关阵列。 每一个微镜对应图象的一个像素，一个微镜的尺寸仅为16m16m。 DMD可以承受1500g的机械冲击、20g的机械振动，设备的使用寿命超过了100,000小时。 一块完整的DMD半导体芯片：镜面是由一百三十万个微反射镜组成的长方形阵列，每个微镜对应于投影画面中的一个光学像素。,典型MEMS器件硅微惯性传感器,典型MEMS器件光开关,体积小、重量轻、波长透明、插损和串扰小、开关时间短、功耗小、成本低,典型MEMS器件微流体器件,典型MEMS器件微型喷,典型MEMS系统微型机器人,典型MEMS系统微汽车,车长4.8mm 车速10mm/s,典型MEMS系统微型卫星,美国提出的硅固态卫星的概念图，这个卫星除了蓄电池外， 全由硅片构成，直径仅15cm,典型MEMS系统微型飞行器,MEMS的发展趋势,表面牺牲层技术向多层化、集成化方向发展 体硅工艺主要表现为键合与深刻蚀技术的组合， 追求大质量块和低应力 表面工艺与体硅工艺进一步结合 设计手段向专用CAD工具方向发展,强国：美国、日本、德国 美国在几年前已经有DMD数字微镜器件、加速度计等批量产品进入市场； 德国制定了从1990年起5年周期，投资4亿马克的微机械系统技术计划 日本通产省工业技术院将微型机械技术列入1990s的九个大型计划之一。,微机电系统的实例,Examples,CMOS压阻式微加速度计,IC Sensors研制的CMOS压阻式微加速度计，量程为500g。,ADXL-202E的集成芯片电路版图,双轴数字输出加速度计ADXL-202E量程是 2g带宽可以通过外,界电容从0.01Hz调到5kHz，噪声指数是 ,能同时测量,动态和静态加速度，且采用了脉冲调制占空比输出，可以直接进入单片机处理，或者通过滤波器转换成模拟量.,静电驱动电容检测微陀螺仪,伯克利的振动轮式微陀螺仪,差分电容式微麦克风,压电式微麦克风的照片,双轴倾斜微镜结构,TNI公司的四自由度微镜与集成电路,朗讯公司,光交叉连接器结构图,德国Campus Micro Technologies GmbH压阻式流量传感器,热流式微型流量传感器实例,香港科技大学研制的微管道,典型的MEMS器件的长度尺寸1m1cm 小型化带来的优点： 质量减少柔性支撑、高谐振频率、低热惯性 不容易损伤生物体神经探针阵列 小型化带来的问题： 比例尺度定律 弹性常数与尺度的关系：kl 表面积/体积比与尺度关系：1/L,MEMS的本质特征小型化,在实际工程应用中，需要同时评估几个不同性能的比例尺度关系，以得到总体上的性能优点 例如对于AD公司的加速度传感器，下面的几个关键性能都会随着尺寸的变化而发生改变： 支撑梁的弹性常数与灵敏度有关 支撑梁的谐振频率与带宽有关 总电容值与灵敏度有关。 小型化可以使支撑梁的刚度更小、谐振频率更高和带宽更宽，但这同时会减小电容值，使得接口电路变得复杂（因为要读取非常小的信号）,进一步减小尺寸到NEMS领域，可以得到超高的谐振频率（1GHz），以至于其灵敏度足以探测单个细菌、细胞、分子甚至光子间的相互作用。,将传感器、执行器