《微纳米检测技术》PPT课件.ppt

1、研究生课程：微纳米检测技术,机电学院 西北工业大学,邓进军 李晓莹,教材与参考书目,教材： 微纳米测量技术，王伯雄等编著，清华大学出版社，2006 参考书目： 纳米科学与技术，袁哲俊编著，哈尔滨工业大学出版社，2005 微机电系统设计与制造，莫锦秋等编著，化学工业出版社，2004 微系统原理与技术，傅建中等编著，机械工业出版社，2005 检测技术与系统，陈岭丽主编，清华大学出版社，2005 传感器与测试技术，李晓莹主编，高等教育出版社，2004 机电工程智能检测技术与系统，朱名铨等编著，高等教育出版社，2002,第一讲 绪论,微纳米尺度 微米：1m 10-6m 纳米：1nm 10-9m,概述,

2、微纳米技术 21世纪最重要的科学技术之一；将引起一场新的工业革命。 微纳米检测技术是微纳米技术的重要组成部分 微纳米技术研究微观尺度的物体和现象； 微纳米检测技术也主要指微米和纳米尺度和精度的检测技术。,1.1 测量和测量系统,测量： 测量提供了有关物理变量和过程的现实状态的定量信息。 测量是对客观世界重新认识的工具，也是对任何理论和设计的最终检验。 测量是一切研究、设计和开发的基础，它的作用在工程中十分显著。 测量系统 由敏感元件（传感器）、信号转换和调理、信号记录和显示等部分组成。,几个概念,测量(measurement):以确定被测对象的量值为目的的全部操作。 计量(Metrology)

3、:与标准进行比较和衡量 or 实现测量单位统一和量值准确传递。 测试(test):试验性质的测量 or 测量和试验的综合。 在实际使用中往往不严格区分测试与测量 检测(detection):获取被测对象的真实信息（从客观事务中取得有关信息的过程）。检测是意义更为广泛的测量。检测测量+信号检出。,1.2 微纳米技术,什么叫微纳米技术 通过在微纳米尺度范围内对物质的控制来创造并使用新的材料、装置和系统。 微纳米材料 微纳米装置（器件） 微纳米系统 1999年12月，美国国家科学技术委员会在“微纳米技术研究指南”工作报告中指出：“微纳米科学和工程将在未来的1020年内成为一种战略性、占主导地位的技术

4、，因为对微尺度物质的控制将支持工业、经济、健康和环境管理、生活质量以及国防等方面的发明和进步”。报告结论是：“微纳米技术将导致下一次工业革命。” 德国将微纳米技术和微系统技术列入国家高科技重点发展领域。,1.2 微纳米技术,我国从20世纪80年代末开始从事微纳米技术的研究。 2001年，政府制定国家纳米科技发展纲要； 目前：国家科技部“863计划”专门设立有微纳米技术专项，国家自然科学基金也设立有关微纳米技术重大科研基金项目。,1.3 微机电系统技术,微机电系统（Micro-electro-mechanical system, MEMS）技术，微系统技术 起源于微电子技术； 将传感器、信号处理

5、器和执行器以微型化的结构形式集成为一个完整的系统。 微机械在美国常被称作微型机电系统（micro electro mechanical system, MEMS)； 在日本被称作微机器（micromachine)； 欧洲则被称作微系统（microsystem)； 不同的名称表明强调不同的技术重点。,1.3 微机电系统技术,1、MEMS的形成基础,机械电子学机械学、电子学、计算机技术交叉 MEMS机/电/磁 /光/声/热/液/气/生/化等多学科交叉,学科交叉的产物,与机械电子学的关系 基本组成相同 不是简单的提升,1.3 微机电系统技术,2、MEMS的特点,MEMS的特点 以实现新功能、特殊性能

6、为前沿目标 微米量级空间里实现机电功能，提升已有性能（包括微型化、集成化、高可靠性等） 采用微加工，形成类似IC的批量制造、低成本、低消耗特征,MEMS的内涵 “微” 尺度效应的作用 “机电”拓展向更多物理量的融合 “系统”水平、实际应用现状,1.3 微机电系统技术,3、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

7、，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。,NEMS与MEMS的关系,生物微马达、生物工程操作、碳纳米管,概念延伸、MEMS工艺为基础、对象向生物化学扩展,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,1.3 微机电系统技术,MEMS材料 结构材料 基底材料：硅、砷化镓、其他半导体材料 薄膜材料：单晶硅、氮化硅、氧化硅 金属材料：金、铝、其他金属 功能材料 高分子材料：聚酰亚胺、PMMA 敏感材料：压阻、压电、热敏、光敏、其他 致动材料：压电、形状记

8、忆合金、磁性材料等,1.3 微机电系统技术,MEMS工艺手段,1.3 微机电系统技术,典型MEMS工艺 体微细加工技术 体加工工艺流程 使用体加工工艺制作的微器件 表面微细加工技术 表面加工工艺流程 牺牲层技术 两种典型表面加工工艺 使用表面加工工艺制作的微器件 LIGA技术 LIGA技术工艺流程 用LIGA技术制作的微器件 LIGA技术与硅微细加工技术的比较,1.3 微机电系统技术,体加工工艺流程,1.3 微机电系统技术,使用体加工工艺制作的器件,硅压力传感器结构,封装后的硅压力传感器,1.3 微机电系统技术,表面加工工艺流程,1.3 微机电系统技术,牺牲层技术,沉积并图形化牺牲层,沉积并图

9、形化结构层,刻蚀牺牲层，释放结构层,1.3 微机电系统技术,使用表面工艺加工的器件,微 镜,1.3 微机电系统技术,LIGA技术工艺流程,LIGA技术 LIGA是德文的平版印刷术(lithographie)，电铸成形(galvanoformung)和注塑或模塑(abformung)的缩写。,1.3 微机电系统技术,LIGA技术的工艺流程,1.3 微机电系统技术,用LIGA技术制造的微器件,1.3 微机电系统技术,LIGA 技术与硅微细加工技术的比较,1.4 微纳米检测技术的任务,微纳米检测（测量）技术： 针对微纳米和微（机电）系统技术领域的检测（测量）技术 特点： 被测量的对象尺度很小，一般在微纳米量级。 以非接触测量手段为主。,1.4 微纳米检测技术的任务,微纳米器件的几何结构特