MEMS技術(shù)及其應用

1、東 北 石 油 大 學課程學習報告課 程 測控新技術(shù) 題 目 MEMS技術(shù)及其應用 院 系 電氣信息工程學院 專業(yè)班級 測控10-2班 學生姓名 學生學號 上課教師 趙志華 路敬祎 2013年 12 月 20 日東北石油大學課程報告任務書課程 測控新技術(shù)題目 MEMS技術(shù)及其應用報告主要內(nèi)容1MEMS、新型A/D或可編程器件技術(shù)概述；2MEMS、新型A/D或可編程器件具體實現(xiàn)技術(shù)；3MEMS、新型A/D或可編程器件技術(shù)在某一個方面的應用；4自己對這些技術(shù)應用特色、前景的綜述和展望報告基本要求1對所討論的理論和技術(shù)的綜述完整、合理，在某一方面的具體應用應該與相關(guān)技術(shù)特點有密切的聯(lián)系；2可選擇三種

2、技術(shù)中其中的任意一種或兩種技術(shù)進行研究，對該技術(shù)的基本理論、具體技術(shù)的發(fā)展歷史、現(xiàn)狀和發(fā)展前景進行討論，要求必須有自己的綜述見解和討論；3論文格式嚴格按樣板要求完成，要求圖文規(guī)范，其中要求必須要有清晰的圖件。論文報告不少于6000字。主要參考資料1 丁衡高微型機電系統(tǒng)研究文集. 北京：清華大學出版社，20002 郝永平，劉鳳麗，劉世明MEMS設計模擬與仿真系統(tǒng)應用 M北京：國防工業(yè)出版社，2007.1:27403 嚴利人微電子制造技術(shù)概論M北京：清華大學出版社，2010.3:87904 孫以材，龐冬青微電子機械加工系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)基礎(chǔ) M北京：冶金工業(yè)出版社，2009.3，13195 雷茨

3、RF MEMS理論設計技術(shù)M東南大學出版社，2005，12：1519完成期限 2013年12月 20日 上課教師 趙志華 路敬祎 專業(yè)負責人 曹廣華 2013年 12 月 20 日東北石油大學課程成績評價表課程名稱測控新技術(shù)題目名稱MEMS技術(shù)及其應用報告評語：成績評定上課教師： 趙志華 路敬祎 2013年 12 月 10 日目錄第一章 MEMS技術(shù)概述11.1 微機電系統(tǒng)（MEMS）的定義及組成11.1.1微機電系統(tǒng)（MEMS）的尺寸11.2 微機電系統(tǒng)（MEMS）發(fā)展史11.3 微機電系統(tǒng)（MEMS）理論基礎(chǔ)21.4 微機電系統(tǒng)（MEMS）的特點及前景21.4.1 MEMS的特點21.4.

4、2 MEMS的應用前景2第二章 MEMS研究的現(xiàn)狀與發(fā)展方向32.1 微機電系統(tǒng)（MEMS）器件32.2 微機電系統(tǒng)（MEMS）的具體應用領(lǐng)域4第三章 MEMS技術(shù)在非制冷紅外探測器中的應用53.1微機械紅外熱電堆探測器53.2熱釋電非制冷紅外探測器5總結(jié)7參考文獻8MEMS技術(shù)及其應用摘 要MEMS技術(shù)是采用微制造技術(shù)，在一個公共硅片基礎(chǔ)上整合了傳感器、機械元件、致動器（actuator）與電子元件。微電子機械系統(tǒng),它屬于多學科交叉的新領(lǐng)域，是融合微電子與精密機械加工的技術(shù)，指毫米級下的可控制、可移動微型機電裝置，是集微型機構(gòu)、傳感器信號處理、控制等功能于一體的、具有信息獲取、處理和執(zhí)行等多

5、功能的系統(tǒng)?？梢灶A見,MEMS的發(fā)展對科學技術(shù)和人類生活產(chǎn)生革命性的影響,并可望形成類似于微電子的新產(chǎn)業(yè)。本文詳細介紹了MEMS技術(shù)的概念、尺寸、特點及發(fā)展史，從而對MEMS技術(shù)有了初步的了解。隨后又介紹了該技術(shù)的相應產(chǎn)品、技術(shù)分類和它的應用前景。MEMS技術(shù)是測控行業(yè)的新技術(shù)，但其有著非常廣闊的前景，并且被越來越多的產(chǎn)品所接受。研究了目前其應用比較成功的例子非制冷紅外探測器，介紹了紅外熱電堆探測器的工作原理，展示了微機械紅外熱電堆芯片的基本結(jié)構(gòu)，并將封閉結(jié)構(gòu)和懸梁結(jié)構(gòu)兩種結(jié)構(gòu)進行分析對比，分析各自的優(yōu)劣之處。本文還介紹了另外一個比較成功的例子熱釋電非制冷紅外探測器，分析了熱釋電非制冷紅外探測

6、器的工作原理，針對實際情況，提高其工作靈敏度的方法。關(guān)鍵詞：MEMS技術(shù)，微型機械，智能系統(tǒng)，非制冷紅外探測器，熱釋電非制冷紅外探測器前 言MEMS是英文Micro Electro Mechanical systems的縮寫，即微電子機械系統(tǒng)。微電子機械系統(tǒng)（MEMS）技術(shù)是建立在微米/納米技術(shù)（micro/nanotechnology）基礎(chǔ)上的21世紀前沿技術(shù)，是指對微米/納米材料進行設計、加工、制造、測量和控制的技術(shù)。它可將機械構(gòu)件、光學系統(tǒng)、驅(qū)動部件、電控系統(tǒng)集成為一個整體單元的微型系統(tǒng)。這種 微電子機械系統(tǒng)不僅能夠采集、處理與發(fā)送信息或指令，還能夠按照所獲取的信息自主地或根據(jù)外部的指令

7、采取行動。它用微電子技術(shù)和微加工技術(shù)相結(jié)合的制造工藝，制造出各種性能優(yōu)異、價格低廉、微型化的傳感器、執(zhí)行器、驅(qū)動器和微系統(tǒng)。 微電子機械系統(tǒng)（MEMS）是近年來發(fā)展起來的一種新型多學科交叉的技術(shù)，該技術(shù)將對未來人類生活產(chǎn)生革命性的影響。它涉及機械、電子、化學、物理、光學、生物、材料等多學科。MEMS有很多應用，并被越來越多的產(chǎn)品所接納。MEMS的一些常見應用領(lǐng)域包括汽車、生物技術(shù)與醫(yī)療，以及消費電子產(chǎn)品。MEMS還用于大量聲波雙工器（Bulk Acoustic Wave duplexer）與濾波器、麥克風、MEMS自動聚焦致動器、壓力感測器、MEMS微微型投影儀，甚至MEMS陀螺儀。第一章 M

8、EMS技術(shù)概述MEMS在許多方面具有傳統(tǒng)機電技術(shù)所不具備的優(yōu)勢，包括質(zhì)量和尺寸普遍減小、可實現(xiàn)大批量生產(chǎn)、低的生產(chǎn)成本和能源消耗、易制成大規(guī)模和多模式陣列等。MEMS 研究的主要內(nèi)容包括微傳感器、微執(zhí)行器和各類微系統(tǒng)，現(xiàn)在已成為世界各國投入大量資金研究的熱點。MEMS通常會被看作是一種系統(tǒng)單晶片（SoC），它讓智能型產(chǎn)品得以開發(fā)，并得以進入很多的次級市場，為包括汽車、保健、手機、生物技術(shù)、消費性產(chǎn)品等各領(lǐng)域提供解決方案。1.1 微機電系統(tǒng)（MEMS）的定義及組成 微電子機械系統(tǒng)（Micro Electro Mechanical System），簡稱MEMS，是在微電子技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起

9、來的集微型機械、微傳感器、微執(zhí)行器、信號處理、智能控制于一體的一項新興的科學領(lǐng)域。一般來說，MEMS是指可以采用微電子批量加工工藝制造的，集微型機構(gòu)、微型傳感器、微型致動器（執(zhí)行器）以及信號處理和控制電路，直至接口、通訊和電源等部件於一體的微型系統(tǒng)。通常，MEMS主要包含微型傳感器、執(zhí)行器和相應的處理電路三部分。微機電系統(tǒng)的制造工藝主要有集成電路工藝、微米/納米制造工藝、小機械工藝和其他特種加工工種。1.1.1微機電系統(tǒng)（MEMS）的尺寸在微小尺寸范圍內(nèi)，機械依其特徵尺寸可以劃分為1-10毫米的小型(Mini-)機械，1微米-1毫米的微型機械以及1納米-1微米的機械。所謂微型機械從廣義上包含了

10、微小型和納米機械，但并非單純微小化，而是指可批量制作的集微型機構(gòu)，微型感測器，微型執(zhí)行器以及接口信號處理和控制電路、通訊和電源等于一體的微電子機械系統(tǒng)。1.2 微機電系統(tǒng)（MEMS）發(fā)展史自1947年Schockley、Bardeen和Brattain發(fā)明晶體管以來，微電子技術(shù)有了突飛猛進的發(fā)展。1953年，Charles S. Smith研究了半導體的壓阻效應。Kulite公司于1970年和1976年，分別引入了各向同性和各向異性腐蝕技術(shù)。國家半導體公司于1974年將大批量生產(chǎn)的壓力傳感器推向市場。1982年，“微機械”這一名詞應運而生。這時，體硅微機械加工技術(shù)已成為制作微機械器件的有效手段

11、1。1985年，犧牲層技術(shù)被引入微機械加工，“表面”微機械加工概念由此產(chǎn)生2。1987年，U. C. Berkeley利用微機械加工技術(shù)制作出了世界上第一個微靜電馬達，掀開了微機械發(fā)展的新一頁。1987-1988年間，一系列關(guān)于微機械和微動力學的學術(shù)會議召開，MEMS一詞在這些會議中被廣泛采納并漸漸成為一個世界性的學術(shù)用語。1993年，ADI公司成功地將微型加速度計商品化，并大批量應用于汽車防撞氣囊，標志著MEMS技術(shù)商品化的開端。0由于 MEMS 具有的劃時代的意義，世界各國都極為關(guān)注其發(fā)展，在人力和物力兩方面均給予了強有力的支持。據(jù)有關(guān)機構(gòu)統(tǒng)計，MEMS研發(fā)活動最積極的國家和地區(qū)依次為美國

12、、德國、日本、斯堪的納維亞地區(qū)、法國、中國、韓國、英國、瑞典和中國臺灣地區(qū)。     我國非常重視MEMS傳感器的研究和發(fā)展工作，而且起步較早。國家自然科學基金委組織的立項起步于1989年，中國科學院于1991年確立重點研究項目。1993年和1994年，國家基金委、國家科委先后確定MEMS為重點項目和重大項目。自1993年底起，國防科工委投入數(shù)千萬元用于“九五”期間微型機械的研究工作，并且建立了兩個微加工基地和一個項目研究中心。為了進一步完善這一學科,使其更多更快地為人類服務，除探索新技術(shù)，新工藝以外，各國科學家們還在積極努力從事MEMS基礎(chǔ)理論研究，包

13、括對微流體力學，微機械磨擦和其他相關(guān)理論的研究，并建立一套方便，快捷的分析與設計系統(tǒng)。1.3 微機電系統(tǒng)（MEMS）理論基礎(chǔ)當尺寸縮小到一定范圍時，許多物理現(xiàn)象和宏觀世界有很大差別。力的尺寸效應和表面效應在微觀領(lǐng)域可能起重要作用。在微小尺寸領(lǐng)域，與特征尺寸L的高次方成比例的慣性力、電磁力等的作用相對減小，而與尺寸的低次方成比例的粘性力、彈性力、表面張力、靜電力等的作用相對增大。這也是微型系統(tǒng)常以靜電力、表面張力作為驅(qū)動力的原因。隨著尺寸的減小，表面積與體積之比相對增大。因而熱傳導、化學反應等速度加快，表面間摩擦阻力顯著增大3。因此，在微觀尺度下的力學、熱力學、微流體力學、微摩擦學、微機械學和微

14、光學等的基礎(chǔ)理論研究顯得尤為重要。1.4 微機電系統(tǒng)（MEMS）的特點及前景1.4.1 MEMS的特點Badler 使用300多個球體表示人體外形。體模型方法表示人體的運動情況時，雖然計算簡單方便，所內(nèi)存較少，但無法表示表面的局部變化，逼真度不夠。在新近的研究中，出現(xiàn)了一種分層虛擬人表示方法。該方法綜合了實體建模和曲面建模的優(yōu)點，可以滿足不同層次的逼真性要求。在這樣一種分層表示模型中，一個虛擬人模型由基本骨架、肌肉層和皮膚層，有時也加入一層服飾層，表示虛擬人的頭發(fā)、衣飾等人體裝飾物品。其中的基本骨架由關(guān)節(jié)確定其狀態(tài)，決定了人體的基本姿態(tài)。肌肉層確定了人體各部位的變形，皮膚變形受肌肉層的影響，最

15、后由皮膚層確定虛擬人顯示的外觀。這種人體建模方法體現(xiàn)了人的生理構(gòu)造，能夠逼真地模擬人體運動時的皮膚變形。1.4.2 MEMS的應用前景目前MEMS已從實驗室探索走向產(chǎn)業(yè)化軌道，據(jù)美國MCNC(北卡羅來納心)MEMS2技術(shù)應用中心預測，當前MEMS業(yè)界的年增長率是10%20%， 2001年有高于80億美元的MEMS潛在市場。2003年MEMS市場達到400億美元。從MEMS市場的角度來看，2005年MEMS原材料的市場規(guī)模是3.85億美元，這些是與MEMS產(chǎn)品和半導體產(chǎn)品直接相關(guān)的。到2010年會翻一番CAGR可以達到15%。2005年器件的市場規(guī)模是53億美元，在2010年可以達到100億美元

16、。更重要的是，希望大家看看MEMS系統(tǒng)，它將是采用了MEMS產(chǎn)品的最終電子產(chǎn)品，到2010年，其規(guī)模將達到950億美元。MEMS在國防、醫(yī)療、儀器檢測、材料等領(lǐng)域，尤其是活動空間狹小、操作精度要求高、功能需要高度集成的航空航天等領(lǐng)域，具有廣闊的應用前景，被認為是一項面向21世紀可以廣泛應用的新興技術(shù)。第2章 MEMS研究的現(xiàn)狀與發(fā)展方向2.1 微機電系統(tǒng)（MEMS）器件1微機械壓力傳感器微機械壓力傳感器是最早開始研制的微機械產(chǎn)品，也是微機械技術(shù)中最成熟、最早開始產(chǎn)業(yè)化的產(chǎn)品。從信號檢測方式來看，微機械壓力傳感器分為壓阻式和電容式兩類，分別以體微機械加工技術(shù)和犧牲層技術(shù)為基礎(chǔ)制造。從敏感膜結(jié)構(gòu)來

17、看，有圓形、方形、矩形、E形等多種結(jié)構(gòu)。目前，壓阻式壓力傳感器的精度可達 0.050.01,年穩(wěn)定性達0.1/F.S,溫度誤差為0.0002,耐壓可達幾百兆帕,過壓保護范圍可達傳感器量程的20倍以上,并能進行大范圍下的全溫補償1。現(xiàn)階段微機械壓力傳感器的主要發(fā)展方向有以下方面。 將敏感元件與信號處理、校準、補償、微控制器等進行單片集成，研制智能化的壓力傳感器。進一步提高壓力傳感器的靈敏度，實現(xiàn)低量程的微壓傳感器。提高工作溫度，研制高低溫壓力傳感器，開發(fā)諧振式壓力傳感器。微機械諧振式壓力傳感器除了具有普通微傳感器的優(yōu)點外，還具有準數(shù)字信號輸出，抗干擾能力強，分辨力和測量精度高的優(yōu)點。硅微諧振式傳

18、感器的激勵/檢測方式有電磁激勵/ 電磁拾振、靜電激勵/電容拾振、逆壓電激勵/壓電拾振、電熱激勵/壓敏電阻拾振和光熱激勵/光信號拾振。其中，電熱激勵/壓敏電阻拾振的微諧振式壓力傳感器價格低廉，與工業(yè)IC技術(shù)兼容，可將敏感元件與信號調(diào)理電路集成在1塊芯片上，具有誘人的應用前景。2微加速度傳感器硅微加速度傳感器是繼微壓力傳感器之后第二個進入市場的微機械傳感器。其主要類型有壓阻式、電容式、力平衡式和諧振式。其中最具有吸引力的是力平衡加速度計，其典型產(chǎn)品是Kuehnel等人在1994年報道的AGXL50型，其結(jié)構(gòu)包括4個部分：質(zhì)量4塊、檢測電容、力平衡執(zhí)行器和信號處理電路，集成制作在3mm×3

19、mm的硅片上，其中機械部分采用表面微機械工藝制作，電路部分采用BiCMOSIC技術(shù)制作。 3微機械陀螺角速度一般是用陀螺儀來進行測量的。傳統(tǒng)的陀螺儀是利用高速轉(zhuǎn)動的物體具有保持其角動量的特性來測量角速度的。這種陀螺儀的精度很高，但它的結(jié)構(gòu)復雜，使用壽命短，成本高，一般僅用于導航方面，而難以在一般的運動控制系統(tǒng)中應用。實際上，如果不是受成本限制，角速度傳感器可在諸如汽車牽引控制系統(tǒng)、攝象機的穩(wěn)定系統(tǒng)、醫(yī)用儀器、軍事儀器、運動機械、計算機慣性鼠標、軍事等領(lǐng)域有廣泛的應用前景。4微流量傳感器。 微流量傳感器不僅外形尺寸小，能達到很低的測量量級，而且死區(qū)容量小，響應時間短，適合于微流體的精密測量和控制

20、。目前國內(nèi)外研究的微流量傳感器依據(jù)工作原理可分為熱式（包括熱傳導式和熱飛行時間式）、機械式和諧振式3種。清華大學精密儀器系設計的閥片式微流量傳感器通過閥片將流量轉(zhuǎn)換為梁表面彎曲應力，再由集成在閥片上的壓敏電橋檢測出流量信號4。該傳感器的芯片尺寸為3.5mm×3.5mm,在10ml200ml/min的氣體流量下,線性度優(yōu)于5。 4微氣體傳感器 根據(jù)制作材料的不同，微氣敏傳感器分為硅基氣敏傳感器和硅微氣敏傳感器。其中前者以硅為襯底，敏感層為非硅材料，是當前微氣敏傳感器的主流。微氣體傳感器可滿足人們對氣敏傳感器集成化、智能化、多功能化等要求。例如許多氣敏傳感器的敏感性能和工作溫度密切相關(guān)，

21、因而要同時制作加熱元件和溫度探測元件，以監(jiān)測和控制溫度。MEMS技術(shù)很容易將氣敏元件和溫度探測元件制作在一起，保證氣體傳感器優(yōu)良性能的發(fā)揮。5 微機械溫度傳感器 微機械傳感器與傳統(tǒng)的傳感器相比，具有體積小、重量輕的特點，其固有熱容量僅為108J/K1015J/K，使其在溫度測量方面具有傳統(tǒng)溫度傳感器不可比擬的優(yōu)勢。我所開發(fā)了1種硅/二氧化硅雙層微懸臂梁溫度傳感器?；诠韬投趸鑳煞N材料熱膨脹系數(shù)的差異，不同溫度下梁的撓度不同，其形變可通過位于梁根部的壓敏電橋來檢測。其非線性誤差為0.9，遲滯誤差為0.45，重復性誤差為1.63，精度為1.9。6其他微機械傳感器利用微機械加工技術(shù)還可以實現(xiàn)其他

22、多種傳感器，例如瑞士Chalmers大學的PeterE等人設計的諧振式流體密度傳感器，浙江大學研制的力平衡微機械真空傳感器，中科院合肥智能所研制的振梁式微機械力敏傳感器等。2.2 微機電系統(tǒng)（MEMS）的具體應用領(lǐng)域MEMS可以廣泛地應用于國防、工業(yè)、航空航天、生物、醫(yī)學等行業(yè)，具體應用領(lǐng)域有：生物醫(yī)學領(lǐng)域： 在此領(lǐng)域內(nèi)已開發(fā)出對細胞進行操作的許多微機械，如微物件的操作臺、微夾鉗等，還可利用植入式機器人對人體內(nèi)臟和血管進行送藥、診斷和手術(shù)等操作。 流體控制領(lǐng)域： 利用微型閥、微型泵進行流量元素分析、微流量測量和控制。資訊儀器領(lǐng)域： 利用掃描隧道顯微鏡STM可將1M bit的資訊儲存在1平方微米

23、的晶片上。另外，微磁頭、微打印頭可以完成信息的輸入、輸出及傳輸工作。航空航天領(lǐng)域：利用微型傳感器和微型儀器，監(jiān)測石油輸送情況。微型衛(wèi)星和小衛(wèi)星在此領(lǐng)域也完成了許多情報搜集工作。微機器人：微機器人是微系統(tǒng)最典型的應用。在許多特殊場合，比如在人難以接近或不能接近的空間中，可以用微機器人來完成人的工作，如狹小空間中的機器人。美國已研制成功用于汽車防撞和節(jié)油的微機電系統(tǒng)加速度表和傳感器，可提高汽車的安全性，節(jié)油10。僅此一項美國國防部系統(tǒng)每年就可節(jié)約幾十億美元的汽油費。微機電系統(tǒng)在航空航天系統(tǒng)的應用可大大節(jié)省費用，提高系統(tǒng)的靈活性，并將導致航空航天系統(tǒng)的變革。例如，一種微型慣性測量裝置的樣機，尺度為2

24、厘米×2厘米×0.5厘米，重5克。在軍事應用方面，美國國防部高級研究計劃局正在進行把微機電系統(tǒng)應用于個人導航用的小型慣性測量裝置、大容量數(shù)據(jù)存儲器件、小型分析儀器、醫(yī)用傳感器、光纖網(wǎng)絡開關(guān)、環(huán)境與安全監(jiān)測用的分布式無人值守傳感等方面的研究。該局已演示以微機電系統(tǒng)為基礎(chǔ)制造的加速度表，它能承受火炮發(fā)射時產(chǎn)生的近10.5個重力加速度的沖擊力，可以為非制導彈藥提供一種經(jīng)濟的制導系統(tǒng)。設想中的微機電系統(tǒng)的軍事應用還有：化學戰(zhàn)劑報警器、敵我識別裝置、靈巧蒙皮、分布式戰(zhàn)場傳感器網(wǎng)絡等。第三章 MEMS技術(shù)在非制冷紅外探測器中的應用近年來，MEMS技術(shù)得到了迅速發(fā)展，將其應用于非制冷紅外

25、探測器有了比較成功的例子，為現(xiàn)有單元器件小型化和高密度陣列集成開辟了一條新的途徑。3.1微機械紅外熱電堆探測器紅外熱電堆探測器的工作原理為塞貝克效應(Seebeckeffect)。早先的紅外熱電堆探測器是利用掩膜真空鍍膜的方法，將熱電偶材料沉積到塑料或陶瓷襯底上獲得的，但器件的尺寸較大，且不易批量生產(chǎn)5。隨著MEMS技術(shù)的應用，出現(xiàn)了微機械紅外熱電堆探測器。KDWise等人，最先利用MEMS技術(shù)于20世紀80年代初制造獲得了硅基紅外熱電堆探測器。3.2熱釋電非制冷紅外探測器熱釋電探測器的工作原理為熱電晶體的熱釋電效應。由于熱釋電探測器的性能隨著熱量的下降而降低，所以良好的熱絕緣結(jié)構(gòu)是制作高性能熱釋電探測器的關(guān)鍵。最早采用的絕緣技術(shù)，是把熱釋電紅外探測器或陣列通過可塑性金屬(如In)臺面與Si信號處理電路對接，但In的熱絕緣性能很差，不