和微系統(tǒng)概述

1、MEMSMEMS和微系統(tǒng)概 述 目錄 一MEMS的定義及組成 二MEMS的發(fā)展史 三MEMS的特點 四典型MEMS器件及應用 一尺之錘，日取其半，萬事不絕。 莊子：天下篇 （公元前571年至公元前471年之間） 西游記西游記中孫悟空變成小蟲中孫悟空變成小蟲 鉆進鐵扇公主的肚子里鉆進鐵扇公主的肚子里 美國科幻電影美國科幻電影驚異大奇航驚異大奇航中中 在人血管中前進的微型艦艇在人血管中前進的微型艦艇 多年的期盼 發(fā)生在20世紀90年代的故事 如膽結石手術、心臟搭橋手術、腫瘤切除手術等。如膽結石手術、心臟搭橋手術、腫瘤切除手術等。 能夠減輕病人的痛苦。能夠減輕病人的痛苦。 1.微創(chuàng)手術 腹腔插入腹腔

2、鏡、手術工具、攝像頭等腹腔插入腹腔鏡、手術工具、攝像頭等 監(jiān)視器監(jiān)視器 遙控操作遙控操作 發(fā)生在20世紀90年代的故事 氣囊加速度傳感器：感受振動信號，避免強烈沖擊對 駕駛員造成傷害。 發(fā)生在20世紀90年代的故事 2.汽車中氣囊 發(fā)生在20世紀90年代的故事發(fā)生在20世紀90年代的故事 3.微型攝像系統(tǒng) 背著微型攝像系統(tǒng)的蟑螂背著微型攝像系統(tǒng)的蟑螂微型攝像機在地震廢墟中微型攝像機在地震廢墟中 傳回圖形信號傳回圖形信號 一、MEMS的定義及組成 MEMSMEMS（Micro Electro-Machanical System,Micro Electro-Machanical System,微機

3、電系統(tǒng)微機電系統(tǒng)) ) 是是2020世紀末發(fā)展起來的一門新興的前沿學科，它是在微電子世紀末發(fā)展起來的一門新興的前沿學科，它是在微電子 二維表面加工技術的基礎上發(fā)展起來的，以硅、玻璃、有機二維表面加工技術的基礎上發(fā)展起來的，以硅、玻璃、有機 材料以及金屬材料的三維加工技術為基礎，結合功能材料及材料以及金屬材料的三維加工技術為基礎，結合功能材料及 薄膜化制備工藝，把微型傳感單元、執(zhí)行單元、微能源以及薄膜化制備工藝，把微型傳感單元、執(zhí)行單元、微能源以及 微電子電路集成在一個芯片上的具有傳感、執(zhí)行和數(shù)據(jù)處理微電子電路集成在一個芯片上的具有傳感、執(zhí)行和數(shù)據(jù)處理 功能的微型系統(tǒng)。功能的微型系統(tǒng)。 1.ME

4、MS的定義 一、MEMS的定義及組成 n 美國：微型機電系統(tǒng)(Microelectro-mechanical System, MEMS) n 日本：微機械(Micro-machine) n 歐洲：微系統(tǒng)(Micro-system) 我們把這些通稱為微機電系統(tǒng)(MEMS) 2.MEMS的三大流派 小型(mini-) 機械(1mm10mm) 微型(micro-)機械(1m1mm) 納米(nano-) 機械(1nm1mm) 1mm=10-6m（微米）、（微米）、1nm=10-9m（納米）（納米） 1um100mm為微米尺度為微米尺度 100nm1mm為亞微米尺度為亞微米尺度 1nm100nm為納米尺

5、度為納米尺度 小于小于1nm為原子團簇為原子團簇 一、MEMS的定義及組成 3.微型機械尺寸范圍（按特征尺寸）（按特征尺寸） 微型機械 三、三、MEMS 組成組成 MEMS是微電子同微機械的結合，如果把微電子電路比作人的大腦， 微機械比作人的五官（傳感器）和手腳（執(zhí)行器），兩者的緊密結合， 就是一個功能齊全而強大的微系統(tǒng)。 4.MEMS的組成 一、MEMS的定義及組成 機械 部分 傳感 執(zhí)行 控制部分 電子學 MEMS 控制部分 微電子學 傳統(tǒng)的機械電 子系統(tǒng) IC工藝發(fā)展后的 機械電子系統(tǒng) 機械系統(tǒng)和傳感系統(tǒng)縮小 后與控制系統(tǒng)平衡的 MEMS 4.MEMS的組成 一、MEMS的定義及組成 二

6、、微機電發(fā)展史 “如果有一天可以按照 人們的意志安排一個個 原子，那將會產(chǎn)生什么 樣的奇跡呢？” 量子物理學家理查德量子物理學家理查德費曼費曼 在加州理工學院演講在加州理工學院演講 推薦書： 別逗了，費曼先生：怪才歷險記 1.追溯 （1）起始點（ 20世紀50年代末、60年代初） 集成電路（IC）技術出現(xiàn)，實現(xiàn)在微米尺度上規(guī)模制作電 子元器件和電路。 重要研究成果： 1954年：史密斯發(fā)現(xiàn)了壓阻效應。 1958年：人們用單晶硅制作了半導體應變片，其靈敏度是 金屬應變片的數(shù)十倍。 1962年：第一個硅壓力傳感器問世。 二、微機電發(fā)展史 2.三十年的積累（20世紀50年代末到20世紀80年代末）

7、（2）萌芽階段（20世紀60年代中期到20世紀80年代） 開展了一些有關MEMS的零散研究： 硅各向異性腐蝕技術用于在平面硅襯底上加工三維結構。 利用集成電路的加工技術制造MEMS器件，如懸臂梁、薄膜 和噴嘴等。 20世紀70年代，IBM實驗室研發(fā)了薄膜型硅微壓力傳感器。 這種傳感器比傳統(tǒng)薄膜傳感器有更高靈敏度，并可批量化生 產(chǎn)。 二、微機電發(fā)展史 2.三十年的積累 1987年，微機電研究真正興起 標志：加州大學伯克利分校研制成功 了直徑為10mm的硅微馬達。 第一個豐收的季節(jié)第一個豐收的季節(jié) 第一臺靜電微馬達 3.豐收的季節(jié) （20世紀80年代末，90年代初） 世界上第一個微電機（1988）

8、 12個固定電極、8個轉子電極 19881988年，伯克利分校科研人員為年，伯克利分?？蒲腥藛T為 直徑約直徑約120120mm的靜電馬達通電并的靜電馬達通電并 成功使其運轉。成功使其運轉。 二、微機電發(fā)展史 90年代初，ADI的氣囊 加速度計實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。 90年代末，Sandia實驗室5 層多晶硅技術代表最高水平。 二、微機電發(fā)展史 3.豐收的季節(jié) 三、MEMS的特點 MEMS器件體積小、重量輕、耗能低、慣性小、諧振 頻率高、響應時間短 。 因為慣性質(zhì)量小，小的系統(tǒng)比大的系統(tǒng)移動更迅速 小器件的小尺寸所面臨的熱變形和振動問題會更小 小系統(tǒng)除了具有更精確的性能外，它們的小尺寸也使得它 們更適合應

9、用在藥品和手術中 1.微型化 主要材料：硅 優(yōu) 點：強度、硬度、楊氏模量：與鐵相當 密度：近似鋁 熱傳導率：接近鉬和鎢 其他材料：石英，砷化鎵基底材料 玻璃、塑料和金屬封裝材料 聚合物、金屬材料微系統(tǒng)制作 硅片 三、MEMS的特點 2.制造材料性能穩(wěn)定 用硅微加工工藝在一片硅片上可同時制造成百上千個 微型機電裝置或完整的MEMS。批量生產(chǎn)可大大降低生 產(chǎn)成本。 在硅晶圓片上制作數(shù)百個壓力傳感元件 三、MEMS的特點 3.批量化生產(chǎn) 不同功能、敏感方向、致動方向的多個傳感器或 執(zhí)行器集成于一體，形成復雜的微系統(tǒng)。 集成了傳感器、緩沖器、振蕩 器、解調(diào)器、信號發(fā)生器、載波 電容器等。 三、MEMS

10、的特點 4.集成化程度高 ADI公司生產(chǎn)的微加速度計MEMS芯片 MEMS涉及電子、機械、材料、制造、通訊和自 動控制、物理、化學 和生物等多種學科。 三、MEMS的特點 5.多學科交叉 四、典型MEMS器件及應用 一個比螞蟻頭的尺寸還要小得多的齒輪 雙層微齒輪 1.MEMS器件 微齒輪 四、典型MEMS器件及應用 微齒輪 圖正前方毛毛嘈嘈的東西是一?；覊m，其后方是一個微機 械部件，只有幾個微米！ 微機械部件微機械部件 微泵微機械部件 四、典型MEMS器件及應用 美國Sandia實驗室制作的微驅動 系統(tǒng)與一只昆蟲觸須的對比圖 新加坡南洋理工大學齒輪傳動機構 微傳動機構微傳動機構 微驅動系統(tǒng) 微

11、齒輪傳動機構 四、典型MEMS器件及應用 超聲微馬達 在光纖多路開關中使在光纖多路開關中使 用的靜電旋轉微馬達用的靜電旋轉微馬達 靜電微馬達電磁型微馬達與芝麻 微馬達 國內(nèi)自主開發(fā)幾種微馬達 四、典型MEMS器件及應用 遠遠比比螞蟻還螞蟻還小小的微渦輪的微渦輪 四、典型MEMS器件及應用 微渦輪 微型渦輪葉片微型渦輪葉片 微型光開關 用于控制來自光纖的用于控制來自光纖的 入射光轉到相應的接收光入射光轉到相應的接收光 纖中。纖中。 微鏡 四、典型MEMS器件及應用 Mirror Support Structure Substrate Hinges Torsion Hinges 1st DOF 2

12、nd DOF Force-redirecting Linkage 微鏡 四、典型MEMS器件及應用 七、七、MEMSMEMS的應用的應用 MEMSMEMS應用領域涉及計算機、汽車、通訊、醫(yī)藥、軍事等應用領域涉及計算機、汽車、通訊、醫(yī)藥、軍事等 2.MEMS的應 用 四、典型MEMS器件及應用 應用之一：計算機方面應用 四、典型MEMS器件及應用 世界上第一臺通用計算機于世界上第一臺通用計算機于19461946年在美國賓夕法尼亞年在美國賓夕法尼亞 大學誕生。它是一個龐然大物，用了大學誕生。它是一個龐然大物，用了1800018000只電子管、只電子管、3030 噸、噸、150150平方米、平方米、

13、2525千瓦。千瓦。 1958年9月12日: INTEL公司研發(fā)了集成電路（IC）。 1975年,ATARI-8800微電腦問世。 1981年8月12日: IBM發(fā)布其個人計算機， 有64K內(nèi)存、單色顯示器 。 1982年問世的Intel286集成了120000個 晶體管 1994年 互聯(lián)網(wǎng)商業(yè)化運作正式開始 1999年推出的Pentium 處理器集成的 晶體管數(shù)目達24000000個。 19581958 19711971 19941994 19821982 19751975 集成電路集成電路, 筆記本電腦，互聯(lián)網(wǎng)筆記本電腦，互聯(lián)網(wǎng) 1971年11月15日: Marcian E. Hoff在I

14、NTEL公司開發(fā)成功 第一塊微處理器4004，含2300個晶體管。 四、典型MEMS器件及應用 MEMS技術的里程碑CMOS片上麥克風這一CMOS器件在體積、成本和性能參 數(shù)上都有改進，這種表面裝配插件的尺寸是4*4*1.8毫米。 CMOS片上麥克風四、典型MEMS器件及應用 噴墨打印機 惠普公司在1978年首先發(fā)明了基于硅微機械加工技術的噴 墨打印機噴嘴。 四、典型MEMS器件及應用 應用之二：汽車上的應用 四、典型MEMS器件及應用 汽車未來的發(fā)展方向是智能汽車 日本一家公司利用日本一家公司利用MEMS技技 術制作的小型化汽車術制作的小型化汽車 四、典型MEMS器件及應用 美國桑迪亞國家實

15、驗室研制的小型自 動機器人汽車，體積為1立方英寸 ST三軸線性MEMS加速 計 提高超薄設計的產(chǎn)品性能 微機電系統(tǒng)（MEMS）為iPhone提供了很大幫助，因為 沒有MEMS，蘋果的iPhone就無法觸屏，也無法根據(jù)用戶 手持手機的方向將網(wǎng)頁從豎屏旋轉成橫屏顯示。 飛思卡爾電容式觸摸傳感器 為便攜式應用帶來智能控制 應用之三：通訊行業(yè)應用（手機） 四、典型MEMS器件及應用 MEMS在醫(yī)學領域中的應用主要集中以下幾個方面： n 微創(chuàng)外科手術：可以減輕病人痛苦。 n 藥物定點輸送：直接將藥物輸送到病變位置，同時可 檢測病變處血液樣品參數(shù)，定時遙控釋放藥物，提高 療效。 n 人造器官：包括人造心臟

16、、腎臟、心肺、電動假肢以 及人造血管、器官、關節(jié)等。 應用之四：醫(yī)學領域應用 四、典型MEMS器件及應用 藥物注射微針頭陣列 四、典型MEMS器件及應用 為什么扎針時感覺疼痛，被蚊子叮咬時不會感覺疼痛？ 傳統(tǒng)藥物注射針尖部分已經(jīng)刺入到神經(jīng)末梢的皮膚傳統(tǒng)藥物注射針尖部分已經(jīng)刺入到神經(jīng)末梢的皮膚 組織層，該皮膚組織層處于皮膚表面大約組織層，該皮膚組織層處于皮膚表面大約5070m5070m。 未來的戰(zhàn)爭是電子信息戰(zhàn)，其重要特征之一就是竊取和未來的戰(zhàn)爭是電子信息戰(zhàn)，其重要特征之一就是竊取和 反竊取情報。坦克、大炮等有可能退出歷史舞臺。微納米傳反竊取情報。坦克、大炮等有可能退出歷史舞臺。微納米傳 感器也

17、可打扮成樹葉、草桿、螞蟻、蒼蠅等，用空投等方法感器也可打扮成樹葉、草桿、螞蟻、蒼蠅等，用空投等方法 將其投入到所需預定地方，構成一個分布式傳感器網(wǎng)絡，用將其投入到所需預定地方，構成一個分布式傳感器網(wǎng)絡，用 以收集情報。以收集情報。 手指肚大小的微飛行器 四、典型MEMS器件及應用 應用之五：軍事上的應用 微飛行器 拍撲式微拍撲式微飛飛行器，最行器，最長長 制制空時間達空時間達6分分鐘鐘，總總重量不重量不 到到20克克，應用于軍，應用于軍事、航事、航空空、 情情報報、娛樂娛樂等等領域。領域。 雙槳直升機與花生比較雙槳直升機與花生比較 四、典型MEMS器件及應用 歐洲研制微型機器人試圖控制敵方雷達

18、歐洲研制微型機器人試圖控制敵方雷達 金龜蟲機器人金龜蟲機器人可立于指甲蓋上的微型機器人可立于指甲蓋上的微型機器人 微型機器人四、典型MEMS器件及應用 MEMS技術生產(chǎn)出來的機器人非常精小，其長度，寬度技術生產(chǎn)出來的機器人非常精小，其長度，寬度 和高度都小于和高度都小于4毫米。該機器人采用太陽能電池的頂部，并擁毫米。該機器人采用太陽能電池的頂部，并擁 有三個機械觸手，以及一個觸摸傳感器觸手。研究人員解釋有三個機械觸手，以及一個觸摸傳感器觸手。研究人員解釋 說，一個單一的微型機器人本身是一個簡單的個體，但是相說，一個單一的微型機器人本身是一個簡單的個體，但是相 互之間能夠利用紅外線傳感器與環(huán)境互

19、動，形成群體，清理互之間能夠利用紅外線傳感器與環(huán)境互動，形成群體，清理 污染物或修復機器內(nèi)部故障時非常有效。污染物或修復機器內(nèi)部故障時非常有效。 未來的“跳蚤”大軍 四、典型MEMS器件及應用 參考書 u 微機電系統(tǒng)工程基礎 王琪民等編著（中國科學基礎大學出版社） u MEMS和微系統(tǒng)設計與制造 徐泰然著，王曉浩等譯（機械工業(yè)出版社） u 微機電系統(tǒng)基礎 黃慶安譯（機械工業(yè)出版社） u 微納米測量技術 王伯雄等編著（清華大學出版社） 小型(mini-) 機械(1mm10mm) 微型(micro-)機械(1m1mm) 納米(nano-) 機械(1nm1mm) 1mm=10-6m（微米）、（微米）、1nm=10-9m（納米）（納米） 1um100mm為微米尺度為微米尺度 100nm1mm為亞微米尺度為亞微米尺度 1nm100nm為納米尺度為納米尺度 小于小于1nm為原子團簇為原子團簇 一、MEMS的定義及組成 3.微型機械尺寸范圍（按特征尺寸）（按特征尺寸） 微型機械 主要材料：硅 優(yōu) 點：強度、硬度、楊氏模量：與鐵相當 密度：近似鋁 熱傳導率：接近鉬和鎢 其他材料：石英，砷化鎵基底材料 玻璃、塑料和金屬封裝材料 聚合物、金屬材料微系統(tǒng)制作