微机电系统及应用-概论

微机电系统及应用目录微机电系统概述微机电系统设计微机电系统的制造技术微机电系统的应用

微型机电系统（MEMS）微型机电系统MEMS（MicroElectroMechanicalSystem）技术是近二十年来发展起来的一个新兴的技术领域。不仅涉及微机械学、微电子学、微光学、微流体力学、微热力学、自动控制、物理、化学、生物学以及材料学等学科领域，而且涉及从选材、设计、制造、控制到检测、集成、封装等一系列技术环节，属于典型的多学科交叉的前沿性研究领域。

微电子技术的巨大成功在许多领域引发了微小型化革命。一方面人们利用物理化学方法将原子和分子组装起来，形成具有一定功能的微/纳米结构；另一方面人们利用精细加工手段加工出微/纳米级结构。前者导致了纳米生物学、纳米化学等边缘学科的产生，后者则在微小型机械制造领域开始了一场新的革命，导致了微型机电系统的诞生。作为一个综合性的新型学科，微型机电系统技术已经成为当今世界范围内的研究热点，被列为二十一世纪关键技术之首。

微机电系统的概念

微型机电系统概念正式出现于20世纪80年代末，它主要是指：外形轮廓尺寸在毫米量级以下，构成它的机械零件和半导体元器件尺寸介于微米至纳米量级(10-6m—10–9m)，可对声、光、热、磁、化学、生物、运动等信息进行感知、识别、控制和处理的微型机电装置。

微型机电系统将微型电机、微型电路、微型传感器、微型执行器等微型装置和器件集成在一块芯片上，这种微型机电系统不仅能够搜集、处理与发送信息或指令，还能够按照所获取的信息自主地或根据外部的指令采取行动。

微型机电系统模型

MEMS的基本特点

体积小，重量轻，多功能，智能化，工作效率高，灵敏度高，可靠性高等，利用MEMS技术可以实现真正的“系统在片”；制造成本低，消耗原料少，适于大批量生产和使用；对工作环境影响小，能够在特殊环境中工作等。是一项极具前途的军民两用技术。

硅制的发动机与人的头发比较（人的头发直径约为100μm）

在当前MEMS所能达到的尺度下，宏观世界基本的物理规律仍然起作用，但由于尺寸缩小带来的影响，许多物理现象与宏观世界有很大区别，许多原来的理论基础都会发生变化，如力的尺寸效应、微结构的表面效应、微观摩擦机理等。因此，微机械的结构、原理和作用规律与一般的传统机械不同，它不是传统机械尺度的微缩，有许多特殊现象和规律有待进一步的探索和研究，不能用对传统机械的认识去看待微机械。需要对微动力学、微流体力学、微热力学、微摩擦学、微光学和微结构学等进行深入的研究。

微机电系统的设计MEMS器件及系统的设计加工与传统的设计加工不同。传统的设计加工思路是从零件到装配最后到系统，是自下而上的方法。MEMS系统则是采用微电子和微机械加工技术将所有的零件、电路和系统在通盘考虑下几乎同时制造出来，零件和系统是紧密结合在一起的，是一种自上而下的方法。因此要采用新观念，站在系统高度来设计加工。

微机电系统的发展现状及前景

利用MEMS技术，可制成突破通信瓶颈的全光交换机、准确检测病变的基因芯片、比手掌还小的微型飞行器、重量仅有几十克的纳米卫星等。

微机电系统的发展现状及前景

在通信方面，光通信正在向有着光交换功能的全光通信网络方向发展，无线通信则要求增强功能和减小功耗与体积。包括美国朗讯公司在内的一些公司和大学正在研究全光通信网用的MEMS及无线通信用射频MEMS，该公司采用美国Coventor公司的Coventorware软件开发的MEMS路由器其速度是原来的16倍，交换密度是原来的32倍，能耗比原来的减少100倍。

微机电系统的发展现状及前景

在空间应用方面：美国航天局（NASA）和欧洲航天局等部门研制的用作运行参数测量的微加速度计已进行了地面辐照实验，正在进行飞行搭载实验。微陀螺、微推进和微喷管等MEMS的基础研究也在同时积极进行。

微机电系统的发展现状及前景

在生物医学方面，MEMS正应用于DNA排序、生物传感、化学成分分析、药物给送等许多方面。在过去的十多年中，MEMS技术已经应用于安全气囊传感器（加速度计）、压力传感器、自适应光器件、数字微镜器件、扫描仪、血压测量传感器、图像传感器、微继电器、视频应用的微型透镜、喷墨打印头以及数据存储器等各技术领域。

微机电系统的发展现状及前景

在军事工业方面，美国国防部将MEMS的应用归纳为：武器制导，超小型、超低功耗无线通信的信号处理，无人值守分布式传感器，集成流量系统，武器安全保险与引信，嵌入式传感器和执行器，高密度大规模数据存储器，集成光学机械器件，飞机动力学控制与自适应光学的主动共型表面等九大方面。在美国甚至有人已经提出了微型军队乃至微型战争的概念。MEMS的研究就世界范围而言，对MEMS的研究大致可以分为三个层次：理论研究、支撑技术研究和应用研究。理论研究主要包括对各种材料特性的研究，尺寸效应对物理、化学过程的影响，微机械驱动原理的研究等。支撑技术主要包括微系统设计、微结构加工、微结构封装、微机电系统检测、系统的集成与控制等。应用研究的范围很广，包括化学量检测、物理量检测、汽车工业、通信系统、光学系统、机器人系统等诸多方面。微机电系统的材料

结构材料是指那些具有一定机械强度、用于微机械结构基体的材料，如硅晶体；功能材料指在MEMS中具有特定功能的材料，如光敏材料、压电材料等；智能材料一般具有传感、制动和控制三种功能，对外界的信息激励有自适应能力的材料，它模糊了结构和功能的界限，常见的智能材料有形状记忆合金、电致伸缩材料、导电聚合物、电流变体/磁流变体等。目前在实际应用中使用最多的是硅材料，包括单晶硅、多晶硅以及硅的氧化物、氮化物等。除了硅材料，金属、合金、陶瓷和聚合物也是较常用的材料。

硅材料

硅材料资源丰富，有着很多的优点：比铝轻，比不锈钢的拉伸强度高，硬度高，弹性好，抗疲劳；一般条件下抗腐蚀性好，耐高温；现有的硅加工技术成熟，加工精度高，可以降低研制费用；可以将传感、致动部分和电路部分集成在一块芯片上。

硅材料

与通常较大的硅片不同，微结构中，由硅制作的膜、梁或者弹簧有着很好的弹性且无塑性变形，机械强度和可靠性较同样的金属结构更为优异。另外，其它的硅材料还有二氧化硅、氮化硅等，它们也有着很多良好的物理特性，并且与半导体工艺有着良好的兼容性。金属和金属合金材料

金属由于良好的机械强度、延展性和导电性，在微机电系统中起着重要的作用。主要的金属材料包括镍、铜和金等材料，以及各种具有特殊性能的合金。MEMS中常用的金属材料主要有磁致伸缩金属（MagnetostrictiveMetal）和形状记忆合金（ShapeMemoryAlloy,SMA）。

金属和金属合金材料

磁致伸缩金属是一种同时兼有正逆磁机械耦合特性的功能材料。当受到外加磁场作用时，便会产生弹性变形；若对其施加作用力，则其形成的磁场将会发生相应的变化。在MEMS中常被用来制造微传感器和微致动器。早期磁致伸缩材料主要是Ni、NiCo、FeCo等，目前常利用稀土金属与Fe、Co、Ni等形成金属间化合物，可以获得大的磁致伸缩特性。金属和金属合金材料

形状记忆合金是利用应力和温度诱发相变的机理实现形状记忆功能，即将已在高温下定型的合金（如TiNi合金）放置在低温或常温下使其发生塑性形变，当温度升高到相变温度以上时，合金形变消失，恢复到定型时的形状。在恢复过程中合金可以产生与温度呈一定关系的位移或力，或者二者兼备。目前常见的形状记忆合金有Cu基合金、Fe基合金以及TiNi系合金等。但目前实用化的只有TiNi系合金与Cu基合金。形状记忆合金的缺点主要是响应速度较小，但是实验表明，形状记忆合金薄膜由于其冷却速度的大大提高，响应速度能够得到很大改善。

陶瓷材料

MEMS中使用的陶瓷材料与一般陶瓷不同，它是以化学合成物质为原料，控制其中组分，经过精密成型烧结，制成满足微系统需要的精密陶瓷材料，称为功能陶瓷材料。在MEMS中，陶瓷材料主要用作结构材料和功能材料使用。用为结构材料的陶瓷主要是氧化铝陶瓷，它可以作为混合电路的基板，在基板上可以采用厚膜技术、薄膜技术、键合技术等来制造微机电系统。除化学惰性、机械稳定性、表面质量外，它的热传导性和热膨胀系数也起着决定性作用。

陶瓷材料

在MEMS中，陶瓷材料主要用作结构材料和功能材料使用。作为功能材料使用的主要是压电陶瓷材料。压电陶瓷材料是一种电致收缩材料，同时兼有正压电效应和逆压电效应。若对其施加作用力，则在它确定的两个表面上产生等量异号电荷；反之，当对它施加外电压时，则会产生机械变形。压电陶瓷在MEMS中可以用于微致动器和微传感器，而且这类微致动器和传感器比其他类型的致动器和传感器具有更为优良的频率特性和可集成性。另外，压电陶瓷作为致动元件可以通过分布式排列实现大规模的结构驱动，具有较强的驱动能力和控制能力。

微机电系统的计算机辅助设计

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需求

由于集成化、微型化，MEMS器件中机械、热、电、磁等作用有着很强的耦合效应（交叉效应），MEMS器件的设计需要综合多学科进行理论分析，大大增加了设计的复杂程度，常规的人工分析计算方法无法满足设计的需要；另外，与集成电路的一样，MEMS器件必须达到一定产量才能降低成本，产品研制阶段的试片费用是相当昂贵的。因此，计算机辅助设计（CAD）技术对于微机电系统的研究是至关重要的。微机电系统的CAD的一般过程通过掩膜或工艺，或结构的直接描述，由结构仿真器生成三维几何模型；从材料数据库中提取元件的材料特性，将其插入几何模型中，得到完整的三维模型；再用该模型进行多能量域的分析。理想的微机电系统CAD工具特征

概念上的设计与模拟掩膜和工艺设计快速建立和显示三维模型基本物理现象的仿真工具。例如：l

热分析：热流量l

机械和结构分析：形变l

静电分析：电容和电荷密度l

静磁分析：磁感应和磁通密度l

流体分析：压力和流量材料特性数据库耦合作用仿真。例如：l

热致形变l

静电和静磁激励l

流体与可形变结构作用宏观结构的公式化和使用。例如：l

复杂机械结构的集总等效l

谐振传感器的等效电路l

耦合问题的反馈补偿工艺仿真或处理数据库包括：l

光刻和腐蚀工艺l

厚度、横向尺寸、覆涂和阻挡层的工艺容差设计优化和敏感性分析：l

器件尺寸改变对优化效果的影响l

分析工艺容差的影响

掩膜的版图设计

设计验证：l

利用真实的掩膜和工艺过程建立设计的三维模型l

检验设计是否违反工艺设计准则l

对设计的预期结果仿真

有限元（FEA）分析

目前，许多微机电系统软件都是利用有限元分析有限元分析主要包括以下步骤几何结构研究：首先按照特殊的形状或者元，将整个微机电系统划分为有限个数的部分，这些部分的连接点称为节点。节点是微机电系统结构中的离散点，对它们的分析可以得到元件对于载荷的响应特性，这些响应特性用节点的自由度表示。在应力分析中，每个节点的自由度最多为六个（三个平移自由度，三个旋转自由度），自由度依赖于选择的元的类型（例如：杆、板，二维元、三维元）。元的选择与系统的几何形状和载荷情况有关。有限元（FEA）分析

有限元分析主要包括以下步骤几何结构研究指定材料特性：在应力/应变有限元分析中，弹性模量或刚度和泊松比决定每个元的材料特性。对于非线性材料的情况，应力－应变曲线代表材料的特性。有限元（FEA）分析

有限元分析主要包括以下步骤几何结构研究指定材料特性

产生网格：连接每个公共节点的网称为网格。在几何划分基础上，可以自动生成网格。当相邻的元共享节点时，在元的边界上的位移是连续的，载荷也可以在元之间传递。对每个元的分析替代了对整个结构的分析，在元的量级上的解“集合”起来构成相应的整体结构的解。在数学上，就是计算每个元的节点刚度特性，并将它们整理到一个矩阵中，适当的矩阵变换就可以从已知的元矩阵得到整体的刚度矩阵。有限元（FEA）分析

有限元分析主要包括以下步骤几何结构研究指定材料特性

产生网格边界条件和载荷条件：适当的边界条件和载荷条件作为模型的约束。在应力分析中，边界条件是指位移约束（x，y或z方向），载荷条件是指对模型施加的载荷，例如在指定的节点上集中施加的力，或者在指定元的边界表面施加的力。有限元（FEA）分析

有限元分析主要包括以下步骤几何结构研究指定材料特性

产生网格边界条件和载荷条件进行分析：在分析阶段，程序利用载荷和边界条件解矩阵方程，计算得到位移量、应变、固有频率或者其他用户指定的数据。这样就可以得到整个微机电系统结构的应力分布情况。由于更加精细的网格可以提高模型的精确度，高应力区应该有高的元密度。利用各种自适应方法可以找出模型中的关键区域，并可以必要的网格加细，以减小下次收敛之前迭代中的误差。

有限元（FEA）分析

有限元分析主要包括以下步骤几何结构研究指定材料特性

产生网格边界条件和载荷条件进行分析得到结果：计算过程可以给出包括节点和元的结果，有节点的位移量、每个元的应力和应变，以及解的各种图形表示形式。

有限元（FEA）分析

有限元分析主要包括以下步骤几何结构研究指定材料特性

产生网格边界条件和载荷条件进行分析得到结果数据相关和设计优化：最后，由仿真实验数据可以得到一个基准，并将实验数据与有限元分析的结果进行相关处理。在与基准比较之后，便可对设计进行改进和重新建模。这个迭代过程包含着优化的过程，即将工程要求、几何参数、CAD模型和性能目标都通过计算机以优化设计的结果。有限元（FEA）分析目前的有限元分析软件不仅能够分析机械应力，还可以分析真实世界中的其他应力，包括温度效应分析（热传导分析）、物体旁边的液流分析（流体分析）、以及在物体表面或者整体上的电压分布分析（静电分析）。由于这些效应通常是相互耦合的，所以有限元分析软件必须考虑到它们的相互作用。例如，一块MEMS芯片可能会被加热一段时间，又被风扇的气流冷却，同时与其他部分一起震动，并且带上了电荷。通常的方法是将这些效应隔离并逐个计算，然后将计算结果依次带入有限元分析程序。但是由于变量会互相影响，还需要耦合分析工具进行处理。

微机电系统的CAD软件

目前MEMS的CAD软件有两类，一类为从IC设计软件改进而来，一类为MEMS设计专用软件。目前，国际上的商用MEMS设计软件中，CoventorWare和ANSYS应用最