MEMS技术(1概述)课件

1、微机电系统技术基础王文廉第1页，共96页。课程内容微机电系统概述微系统的工作原理用于MEMS和微系统的材料微系统加工工艺传感器、致动器微制造综述微系统设计8/4/20222NUC 2012第2页，共96页。第一章微机电系统概述主要内容：微机电系统基本概念及特点。微机电系统的历史、发展与前景。微机电系统的主要特征。微机电系统的器件、系统和应用领域。8/4/20223NUC 2012第3页，共96页。微观世界光学显微镜电子显微镜8/4/20224NUC 2012第4页，共96页。微机电系统基本概念及特点分子的隔膜8/4/20225NUC 2012第5页，共96页。微机电系统基本概念及特点批量生产

2、8/4/20226NUC 2012第6页，共96页。什么是MEMS微机电系统（Micor Electro Mechanical Systems, MEMS）是在微电子技术的基础上发展起来的，融合了硅微加工、LIGA技术和精密机械加工等多种微加工技术，并应用现代信息技术构成的微型系统。它包括感知和控制外界信息(力、热、光、生、磁、化等)的传感器和执行器，以及进行信号处理和控制的电路。8/4/20227NUC 2012第7页，共96页。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Mi

3、cro system8/4/20228NUC 2012第8页，共96页。从国际上开发MEMS的情况看，美国侧重在微电子技术的基础上，通过微芯片取得制造工艺的突破；日本则侧重从机械加工工艺实现微机械的制造，强调通过非光刻的传统机械线实现机械微型化，是一条用大机器制造小机器，用小机器造微机器的途径；德国的特色是在LIGA工艺的应用上取得进展。这些国家的加工工艺各有特色，但均取得显著成效。总体来看，目前美国和日本处于微米/纳米技术技术领先地位。我们应在利用国外各种微加工工艺的基础上努力创新。8/4/20229NUC 2012第9页，共96页。什么是微型机电系统8/4/202210NUC 2012第1

4、0页，共96页。MEMS中的核心元件一般包含两类：一个传感或致动元件和一个信号传输单元。下图说明了在传感器中两类元件的功能关系。8/4/202211NUC 2012第11页，共96页。说明了致动元件和信号传输单元之间的功能关系。传输单元将输入能量转换成为传感器的电压等形式，执行致动元件的功能。8/4/202212NUC 2012第12页，共96页。8/4/202213NUC 2012第13页，共96页。MEMS器件和MEMS系统清华一号美国提出的硅固态卫星,直径仅15cm(50kg, 0.07m3)清华大学联合英国萨瑞大学研制 一只蚂蚁和微齿轮8/4/202214NUC 2012第14页，共9

5、6页。第一章微机电系统概述主要内容：微机电系统基本概念及特点。微机电系统的历史、发展与前景。微机电系统的主要特征。微机电系统的器件、系统和应用领域。8/4/202215NUC 2012第15页，共96页。MEMS发展历史回顾1750s：第一个静电发电机由本杰明.富兰克林和安德鲁 戈登发明；1822年 发现了半导体硅；1927年：申请了场效应晶体管的专利1947年：发明锗晶体管-技术基础1954年：Smith, C.S., “在锗和硅中的压电效应” ，Physical Review, 94.1, April 1954.8/4/202216NUC 2012第16页，共96页。MEMS发展历史回顾应

6、变仪8/4/202217NUC 2012第17页，共96页。MEMS发展历史回顾1958年：硅应变仪得到商业应用；1959年：Feynman的报告“There is plenty of room at the bottom”.1961年：第一个硅压力传感器研制成功8/4/202218NUC 2012第18页，共96页。MEMS发展历史回顾1967年：发明了表面微机械加工技术；1970年：第一个硅微加速度计演示成功；1977年：第一个整体式电容式压力传感器；1988年：美国加州大学伯克利分校研制的静电微电机，标志着MEMS时代的到来；1995年：开始了Bio-MEMS的研究；图 伯克利分校研制的

7、微电机8/4/202219NUC 2012第19页，共96页。MEMS的发展硅微传感器阶段1963年日本丰田研究中心制作出硅微压力传感器。1982年美国IBM和UCBerkeley研制了集成电容式加速度计。硅微致动器阶段1987年UCBerkeley研制出转子直径为60120m的硅微静电电机。传感器市场化阶段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。系统研究阶段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。8/4/202220NUC 2012第20页，共96页。国内MEMS的发展20世纪90年代初清华大学等高校开始研究。目前有

8、100个左右的研究小组从事本领域研究研究主要领域包括硅微传感器、硅微致动器、硅微加工技术、微系统等领域。主要加工基地有信息产业部电子13所，北大微电子所，清华大学微电子所，上海交通大学和上海冶金所等。8/4/202221NUC 2012第21页，共96页。MEMS的产业化及市场前景估计2000年MEMS的市场为470亿美圆8/4/202222NUC 2012第22页，共96页。当前市场上存在的MEMS产品喷墨打印头汽车安全气囊用加速度传感器游戏杆用加速度传感器压力传感器微型控制阀微型磁强计8/4/202223NUC 2012第23页，共96页。MEMS下一步的主要研究内容光学MEMS（Opti

9、cal MEMS）生物MEMS（Bio-MEMS）量子加密和计算（Quantum encrypting and computing）8/4/202224NUC 2012第24页，共96页。第一章微机电系统概述主要内容：微机电系统基本概念及特点。微机电系统的历史、发展与前景。微机电系统的主要特征。微机电系统的器件、系统和应用领域。8/4/202225NUC 2012第25页，共96页。MEMS器件的主要特征工程技术上说大批量生产(低成本)小尺寸 (新的应用)性能 (改善)8/4/202226NUC 2012第26页，共96页。MEMS器件的主要特征 尺寸微小是微机电系统的基本特征力的尺寸效应 在

10、微小尺寸领域，与特征尺寸L的高次方成比例的惯性力、电磁力（L3）等的作用相应减小，而与尺寸的低次方成比例的粘性力、弹性力（L2）、表面张力（L1）、静电力（L0）等的作用相对增大，这也是MEMS常用静电力致动的理由。 8/4/202227NUC 2012第27页，共96页。MEMS器件的主要特征表面效应 随着尺寸的减小，表面积（L2）与体积（L3）之比相对增大，因而热传导、化学反应等加速，表面间的磨擦阻力显著增大。 8/4/202228NUC 2012第28页，共96页。MEMS器件的主要特征误差影响 对于微小构件，制造误差与构件尺寸之比相对增大；同时，由于微型机械往往是一次加工成型，一般不进

11、行安装高度和修正，这样，微机构的运动特性受制造误差的影响较大。再加上弹性变形等的影响，使得运动精确度成为微机构研究的关键问题。 8/4/202229NUC 2012第29页，共96页。MEMS器件的主要特征材料的尺寸效应构件尺寸减小，材料内部缺陷减少，材料的机械强度显著增加。微构件的弹性模量、摘拉强度、断裂韧性、疲劳强度以及残余应力等均与大构件的不同，而且有些表征材料性能的物理理需要重新定义，等等。 8/4/202230NUC 2012第30页，共96页。MEMS器件的主要特征 器件微型化、集成化、尺寸达到纳米数量级 ；功能多样化、智能化 ；功能特殊性 ；能耗低、灵敏度高、工作效率高 8/4/

12、202231NUC 2012第31页，共96页。第一章微机电系统概述主要内容：微机电系统基本概念及特点。微机电系统的历史、发展与前景。微机电系统的主要特征。微机电系统的器件、系统和应用领域。8/4/202232NUC 2012第32页，共96页。典型MEMS器件硅微马达器8/4/202233NUC 2012第33页，共96页。典型MEMS器件硅微惯性传感器8/4/202234NUC 2012第34页，共96页。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8/4/202235NUC 2012第35页，共96页。典型MEMS器件微流体器件8/4/2022

13、36NUC 2012第36页，共96页。典型MEMS器件微型喷8/4/202237NUC 2012第37页，共96页。典型MEMS器件微电源锂三硝基甲苯甲烷燃料电池温差电池，热电发生器8/4/202238NUC 2012第38页，共96页。典型MEMS器件微夹钳8/4/202239NUC 2012第39页，共96页。典型MEMS系统微型机器人8/4/202240NUC 2012第40页，共96页。典型MEMS系统微汽车车长4.8mm车速10mm/s8/4/202241NUC 2012第41页，共96页。红外传感器瑞士洛桑理工8/4/202242NUC 2012第42页，共96页。名古屋大学8/

14、4/202243NUC 2012第43页，共96页。8/4/202244NUC 2012第44页，共96页。典型MEMS系统生化分析系统用于生物化学化验的集成微流体系统微型阀有免疫传感器的生物过滤器有树形分子的磁珠8/4/202245NUC 2012第45页，共96页。典型MEMS系统微型飞行器8/4/202246NUC 2012第46页，共96页。MEMS应用领域汽车用传感器惯性、压力、磁场传感器生物、医学传感器（器械）化学传感器光开关微泵、微引擎、微开关光通讯器件执行器8/4/202247NUC 2012第47页，共96页。8/4/202248NUC 2012第48页，共96页。汽车工业每

15、部汽车内可安装30余个传感器： 气囊，压力、温度、湿度、气体等微喷嘴智能汽车控制系统8/4/202249NUC 2012第49页，共96页。MEMS的应用8/4/202250NUC 2012第50页，共96页。8/4/202251NUC 2012第51页，共96页。8/4/202252NUC 2012第52页，共96页。This image depicts a mirror system moved by a small rotating gear用微小齿轮控制的微镜系统8/4/202253NUC 2012第53页，共96页。MEMS加速度计8/4/202254NUC 2012第54页，共96

16、页。8/4/202255NUC 2012第55页，共96页。旋转角速率传感器8/4/202256NUC 2012第56页，共96页。MEMS在医学中的应用人造器官：电子耳、电子眼、人造胰腺、人造心脏、起博器测试仪器：体温计、血压计、血糖计等微型手术器械：微手术钳（刀、剪）、微手术钻（清理血管脂肪）、微内窥镜、微导管8/4/202257NUC 2012第57页，共96页。Blood Pressure8/4/202258NUC 2012第58页，共96页。MEMS化学传感器陶瓷的试剂8/4/202259NUC 2012第59页，共96页。电子鼻美国橡树岭国家实验室 8/4/202260NUC 20

17、12第60页，共96页。（Virtual eality）8/4/202261NUC 2012第61页，共96页。Ultrasonic Sensors超声传感器鼓膜8/4/202262NUC 2012第62页，共96页。MEMS在军事领域的应用军事领域是MEMS技术的最早应用点，对推动MEMS技术的进步起到了很大作用引信 安全、炮弹弹道修正、子母弹开仓控制、 侵彻点控制单兵携带雷达战场毒气检测和救护侦察：小飞机后勤保障8/4/202263NUC 2012第63页，共96页。用于武器制导和个人导航的惯性导航组合用于超小型、超低功率无线通讯（RF 微米/纳米和微系统）的机电信号处理用于军需跟踪、环境

18、监控、安全勘察和无人值守分布式传感器用于小型分析仪器、推进和燃烧控制的集成流量系统武器安全、保险和引信用于有条件保养的嵌入式传感器和执行器用于高密度、低功耗的大量数据存储器件用于敌友识别系统、显示和光纤开关的集成微光学机械器件用于飞机分布式空气动力学控制和自适应光学的主动的、共型表面。8/4/202264NUC 2012第64页，共96页。鱼雷雷管8/4/202265NUC 2012第65页，共96页。8/4/202266NUC 2012第66页，共96页。声电子学混合传感器阵列8/4/202267NUC 2012第67页，共96页。多色仪化学遥感分光计衍射光栅8/4/202268NUC 20

19、12第68页，共96页。军需品8/4/202269NUC 2012第69页，共96页。微型飞行器“微星”，海军陆战队士兵可以通过便携式电脑的画面，操纵“微星”侦察机，可侦察前方5km的情况8/4/202270NUC 2012第70页，共96页。微型飞行器8/4/202271NUC 2012第71页，共96页。利用昆虫携带传感器 机器昆虫 8/4/202272NUC 2012第72页，共96页。微型芯片火箭 在6mm4mm芯片上制造出15只火箭，并在10cm2的芯片上设计了1000万只火箭 8/4/202273NUC 2012第73页，共96页。机器人阿蒂拉”型机器人 50cm仿人机器人（东京大

20、学） 美国麻省理工学院研制的“阿蒂拉”型机器人重1.6kg，有32台电机，10个微处理器和150个传感器，并带有一台微型摄象机 8/4/202274NUC 2012第74页，共96页。2001年，美国IEC公司研制的MIMU在155mm火炮发射 8/4/202275NUC 2012第75页，共96页。信息领域全光通信网：光开关和开关阵列、光可变衰减器、光无源互连耦合器、可调滤波器、光相干探测器、光功率限幅器、微透镜、光交叉连接器OXC、光分插复用器OADM和波分复用器无线电话； MEMS电容、电感、传输线、RF MEMS滤波器、RF MEMS振荡器、MEMS移相器、微波收发机MEMS集成化射频

21、前端计算机；摄像头、鼠标投影仪、喷墨打印机数据存储8/4/202276NUC 2012第76页，共96页。数字彩色投影显示数字微镜芯片（DMD）可以对光进行数字化调理，在不同的光照环境，最真实地投影图像。8/4/202277NUC 2012第77页，共96页。 原子(微粒子)成像原理使存储容量远大于传统的磁和光原理存储。8/4/202278NUC 2012第78页，共96页。航空、航天航空：改进飞机性能、保证飞机安全舒适、减少躁声航天：天际信息网、微重力测量8/4/202279NUC 2012第79页，共96页。幻影战斗机8/4/202280NUC 2012第80页，共96页。喷气发动机镍 管

22、火焰检测8/4/202281NUC 2012第81页，共96页。8/4/202282NUC 2012第82页，共96页。皮(p)卫星 2000年2月用30m连接的两个皮卫星从母船上投放。2000年1月第一个皮卫星发射。验证了30m距离内的跟踪和通信。8/4/202283NUC 2012第83页，共96页。8/4/202284NUC 2012第84页，共96页。环境保护无人值守大气环境监测网高速公路环境监测网消费类、玩具消费类电器模糊控制：摄象机、洗衣机虚拟现实目镜、游戏棒、智能玩具8/4/202285NUC 2012第85页，共96页。其它应用8/4/202286NUC 2012第86页，共9

23、6页。微型马达纳米马达分子马达8/4/202287NUC 2012第87页，共96页。ATP纳米马达的可能应用一种超微型的生化酶分类器未分类的分子分类的分子一种超微型的ATP生化酶流量计8/4/202288NUC 2012第88页，共96页。纳米电动机有望制造出纳米级的光学振荡器 美国加利福尼亚大学的研究人员已制造出迄今为止最小的合成电动机，它由装在510nm厚的碳元素纳米管轴上的长度不足300nm的金质转子组成。这种微型电动机可在光学电路中用于改变光路，或迅速地来回旋转以形成一个微波振荡器。金质转子在一个由排布在硅表面的两个充电定子来驱动的碳纳米管轴上旋转8/4/202289NUC 2012第89页，共96页。Atom MovingIn 1989 researchers at IBM figured out how to move single atoms on a crystalline surface using the STMThey later figured out how to move larger molecules using mechanical force 用扫描隧道显微镜在