mems nems 概论经典案例

INTRODUCTIONToMEMSProf.HUMing2024/12/11第一讲MEMS概论2第一章

MEMS

概论

Chapter1.IntroductionToMEMS

1.1MEMS定义1.2MEMS特征1.3MEMS开展历史1.4MEMS涉及的主要领域2024/12/11第一讲MEMS/NMES概论31.1MEMS定义2024/12/11第一讲MEMS/NMES概论41.1MEMS定义2024/12/11第一讲MEMS/NMES概论51.1MEMS定义2024/12/11第一讲MEMS/NMES概论61.1MEMS定义2024/12/11第一讲MEMS/NMES概论71.1MEMS定义2024/12/11第一讲MEMS/NMES概论81.1MEMS定义在北美，微机电系统通常称为MEMS，顾名思义MEMS是由微机械和微电子线路组成的微系统。在欧洲那么通常称为微系统〔microsystem〕。在日本通常称为微机器〔micromachine〕。它们都以微小〔micro〕为特征，有的强调机械，有的强调系统，但当前人们常不加区别地统称为MEMS。日本国家MEMS中心〔〕给micromachine下的定义是：Amicromachineisanextremelysmallmachinecomprisingverysmall(severalmillimetersorless)yethighlysophisticatedfunctionalelementsthatallowittoperformminuteandcomplicatedtasks.[微机器是一种极其小的机器，它由非常小〔数微米或更小〕但是具有高度复杂功能的部件构成，能够完成灵巧和复杂的任务。微机器Micromachine(Japan)微型电子机械系统MicroElecoMechanicalSystem(USA)微系统MicroSystem(Europe)2024/12/11第一讲MEMS/NMES概论10AwayofmakingthingsLeveragingonexistinginfrastructureofICfabricationtoolsPrototypeontheexactmass-productionfabricationtoolsCo-locationofsense,compute,actuate,control,communicate,powerIncreaseperformanceanddecreasecostIntegrateanincreasednumberoffabricationtechnologiesClosed-loop,microscalecontrolofelectrical,thermal,fluid,magnetic,optical,andmassfluxMEMSisasurfacetechnologyControlphenomenaonthemicroscaleCauselargeeffectsbothonmacroscaleandmicroscaleWhatAreMEMS?2024/12/11第一讲MEMS/NMES概论11HighspatialresolutionandhightemporalbandwidthIntegratedsolutionsoffergreaterphysicaldensityMiniaturizedcomponentsofferfasterresponseMEMSatbothmicroscaleandmacroscaleLargearrayofMEMSonachipLargearrayofMEMS“islands〞onamacroplatformDual-scaleinterconnectproblem(integrationrequired)TherelevantsizemetricistheminimumfeaturesizeOveralldeviceorsystemsizeisirrelevantMinimumfeaturesizedeterminestherequiredtechnologyMEMSasAnalogofTransistorsDirectand/orcontrolpowerfrommacroandothersourcesWhatAreMEMS?2024/12/11第一讲MEMS/NMES概论121.2MEMS特征MEMS许多显著的特点与特征，使得MEMS器件具有优良的性能，并具有广泛的应用领域。肉眼可见光学显微镜电子显微镜或扫描隧道显微镜小零件小机器微机器纳米机器微零件分子零件微手术微操作器蛋白质工程2024/12/11第一讲MEMS/NMES概论132024/12/11第一讲MEMS/NMES概论141、MEMS最突出的特点是系统中微器件的微小与精密，其优良性能有赖于精细加工工艺的开展。大多数MEMS器件尺寸一般在1mm~1um范围内，要求其具有很高的精密性;目前有些MEMS器件的敏感量已到达单个原子的范围，可用它进行原子量级的探测与加工。2、对于MEMS来讲，比较显著的特点是以低本钱、高组装密度得到完整的传感器阵列，而不是一个单独的传感器；微系统中的微器件是由电信号进行控制的，并且输入输出信息也由电子系统进行检测和处理。这些电子控制、检测与处理系统与机械系统集成为复合系统，所以微电子机械系统〔MEMS〕已不是一种单纯的机械装置，而是机电的合一体。1.2MEMS特征

1.2MEMS特征

2024/12/11第一讲MEMS/NMES概论152024/12/11第一讲MEMS/NMES概论161.2MEMS特征

1.2MEMS特征2024/12/11第一讲MEMS/NMES概论181.2MEMS特征

TRWprototypeddigitalpropulsionMicrothruster.Thismicrothrustercontains15individualthrustersinthecentral3x5array.PhotoCourtesyofTRW2024/12/11第一讲MEMS/NMES概论191.3MEMS开展历史2024/12/11第一讲MEMS/NMES概论201.3MEMS开展历史2024/12/11第一讲MEMS/NMES概论211.3MEMS开展历史1.3MEMS开展历史2024/12/11第一讲MEMS/NMES概论222024/12/11第一讲MEMS/NMES概论23高级开展时期：到了90年代，已经出现了由多个子系统复合组成的相当复杂的MEMS系统，也就是说微机械已开展进入了系统级集成的水平。例如微型加速度计〔ADXL-50〕、微型扫描隧道显微镜〔STM〕、数字光学处理〔DLP〕、微型仪器及微型姿态测控系统〔MIMU〕等。当前，MEMS正向着微系统〔MicroSystem〕集成的方向开展。1.3MEMS开展历史2024/12/11第一讲MEMS/NMES概论241.3MEMS开展历史2024/12/11第一讲MEMS/NMES概论251.3MEMS开展历史2024/12/11第一讲MEMS/NMES概论261.3MEMS开展历史MEMS已经受到世界许多工业国家的重视，纷纷投以巨资开展研究。目前，国外已经研发出的MEMS微机械结构部件有阀门、弹簧、喷嘴、齿轮，连接器、散热器、硅静电电机，马达及各种传感器如加速度计、惯性测量组合等等，其中硅微压力传感器、微加速度计、陀螺、和微阀等已成为商品，具有和传统产品竞争的能力。如奥林帕斯公司研制的直径近1mm、长度数厘米的柔性机器人，它将形状记忆合金SMA、传感器及控制电路全部集成到机器人体内，其末端能吊起1g的重块并自由运动。

2024/12/11第一讲MEMS/NMES概论271.3MEMS开展历史2024/12/11第一讲MEMS/NMES概论281.3MEMS开展历史2024/12/11第一讲MEMS/NMES概论291.3MEMS开展历史随着新MEMS和微系统产品的产生，这些产品的市场扩展非常迅速。世界硅基微传感器市场2024/12/11第一讲MEMS/NMES概论302024/12/11第一讲MEMS/NMES概论311.4MEMS涉及的主要领域微机电系统所涉及的学科及其关系2024/12/11第一讲MEMS/NMES概论321.4MEMS涉及的主要领域军事国防环境保护工厂维修医疗卫生信息通信交通运输航空航天

……2024/12/11第一讲MEMS/NMES概论331.4MEMS涉及的主要领域微系统设计和制造包括的主要科学和工程学科2024/12/11第一讲MEMS/NMES概论341.4MEMS涉及的主要领域2024/12/11第一讲MEMS/NMES概论351.4MEMS涉及的主要领域MEMS在汽车工业的应用2024/12/11第一讲MEMS/NMES概论36MEMS在汽车工业的应用2024/12/11第一讲MEMS/NMES概论37MEMS在医疗领域的应用2024/12/11第一讲MEMS/NMES概论38MEMS在医疗领域的应用生物芯片〔包括基因芯片、蛋白质芯片、细胞芯片等〕化学／生物微型分析和检测芯片或仪器如：微型驱动泵、微控制阀、通道网络、样品处理器、混合池、计量、增扩器、反响器、别离器以及检测器等元器件并集成为多功能芯片。2024/12/11第一讲MEMS/NMES概论392024/12/11第一讲MEMS/NMES概论402024/12/11第一讲MEMS/NMES概论41典型的MEMS实例CloseUpofMEMSPostStyleActuatorDetailViewofMEMSElectrostaticActuator2024/12/11第一讲MEMS/NMES概论42典型的MEMS实例DetailViewofMEMSMirrorEdgepriortoFinalPolishofMirrorSurfaceDetailViewofMEMXCross-CoupledActuator2024/12/11第一讲MEMS/NMES概论43典型的MEMS实例LargeForceElectrostaticMEMSActuatorSegmentMEMSMirrorLiftAssembly2024/12/11第一讲MEMS/NMES概论44典型的MEMS实例SectionofHighPerformanceMEMSPostActuator.UltraStiffMEMSMirrorDevice2024/12/11第一讲MEMS/NMES概论452024/12/11第一讲MEMS/NMES概论462024/12/11第一讲MEMS/NMES概论47典型的MEMS实例mems-rom-switch-bg-ani2024/12/11第一讲MEMS/NMES概论48MEMSmarketCurrentapplicationsincludepressuresensors,inertialsensors,fluidics,datastorage,displays,biochips,communicationTotalMEMSmarket1995:$1.4B(non-sensor$30M)2005:$6.7B(non-sensor$3.4B)[J.Bryzek1998]otherauthors:$13Bby2000comparewithICmarket($150B),orsoftware“enablingtechnology〞2024/12/11第一讲MEMS/NMES概论49TheMEMSMarketFromthe1999SPCMarketStudyonMEMSEstimatedSalesbyTechnologyAreaErnst&YoungEntrepreneursConseilestimatestheMEMSmarkettobe$34billionindevicesand$96billioninsystemsby20022024/12/11第一讲MEMS/NMES概论50MEMSmarketbysegmentPressuresensorandink-jetnozzlestillkeeps70%oftheMEMSmarketClassofproductInertialsensor:accelerometer,gyro...PressuresensorMicrofluidics:DNAchip,µTAS,nozzleOpticalMEMS:display,switches,adapt.RFtechnology:switch,filter,capacitorOthers:relay,datastorage,...2024/12/11第一讲MEMS/NMES概论51FuturemarketbysegmentMicrofluidics(BioMEMS,chemicalsensor,micro-nozzl