MEMS技術(shù)(1概述)課件

1、微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)基礎(chǔ)王文廉第1頁(yè)，共96頁(yè)。課程內(nèi)容微機(jī)電系統(tǒng)概述微系統(tǒng)的工作原理用于MEMS和微系統(tǒng)的材料微系統(tǒng)加工工藝傳感器、致動(dòng)器微制造綜述微系統(tǒng)設(shè)計(jì)8/4/20222NUC 2012第2頁(yè)，共96頁(yè)。第一章微機(jī)電系統(tǒng)概述主要內(nèi)容：微機(jī)電系統(tǒng)基本概念及特點(diǎn)。微機(jī)電系統(tǒng)的歷史、發(fā)展與前景。微機(jī)電系統(tǒng)的主要特征。微機(jī)電系統(tǒng)的器件、系統(tǒng)和應(yīng)用領(lǐng)域。8/4/20223NUC 2012第3頁(yè)，共96頁(yè)。微觀世界光學(xué)顯微鏡電子顯微鏡8/4/20224NUC 2012第4頁(yè)，共96頁(yè)。微機(jī)電系統(tǒng)基本概念及特點(diǎn)分子的隔膜8/4/20225NUC 2012第5頁(yè)，共96頁(yè)。微機(jī)電系統(tǒng)基本概念及特點(diǎn)批量生產(chǎn)

2、8/4/20226NUC 2012第6頁(yè)，共96頁(yè)。什么是MEMS微機(jī)電系統(tǒng)（Micor Electro Mechanical Systems, MEMS）是在微電子技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，融合了硅微加工、LIGA技術(shù)和精密機(jī)械加工等多種微加工技術(shù)，并應(yīng)用現(xiàn)代信息技術(shù)構(gòu)成的微型系統(tǒng)。它包括感知和控制外界信息(力、熱、光、生、磁、化等)的傳感器和執(zhí)行器，以及進(jìn)行信號(hào)處理和控制的電路。8/4/20227NUC 2012第7頁(yè)，共96頁(yè)。各個(gè)國(guó)家不同的定義美國(guó)：微型機(jī)電系統(tǒng)MEMS: Micro electro mechanical system日本：微機(jī)械Micro machine歐洲：微系統(tǒng)Mi

3、cro system8/4/20228NUC 2012第8頁(yè)，共96頁(yè)。從國(guó)際上開(kāi)發(fā)MEMS的情況看，美國(guó)側(cè)重在微電子技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過(guò)微芯片取得制造工藝的突破；日本則側(cè)重從機(jī)械加工工藝實(shí)現(xiàn)微機(jī)械的制造，強(qiáng)調(diào)通過(guò)非光刻的傳統(tǒng)機(jī)械線(xiàn)實(shí)現(xiàn)機(jī)械微型化，是一條用大機(jī)器制造小機(jī)器，用小機(jī)器造微機(jī)器的途徑；德國(guó)的特色是在LIGA工藝的應(yīng)用上取得進(jìn)展。這些國(guó)家的加工工藝各有特色，但均取得顯著成效?？傮w來(lái)看，目前美國(guó)和日本處于微米/納米技術(shù)技術(shù)領(lǐng)先地位。我們應(yīng)在利用國(guó)外各種微加工工藝的基礎(chǔ)上努力創(chuàng)新。8/4/20229NUC 2012第9頁(yè)，共96頁(yè)。什么是微型機(jī)電系統(tǒng)8/4/202210NUC 2012第1

4、0頁(yè)，共96頁(yè)。MEMS中的核心元件一般包含兩類(lèi)：一個(gè)傳感或致動(dòng)元件和一個(gè)信號(hào)傳輸單元。下圖說(shuō)明了在傳感器中兩類(lèi)元件的功能關(guān)系。8/4/202211NUC 2012第11頁(yè)，共96頁(yè)。說(shuō)明了致動(dòng)元件和信號(hào)傳輸單元之間的功能關(guān)系。傳輸單元將輸入能量轉(zhuǎn)換成為傳感器的電壓等形式，執(zhí)行致動(dòng)元件的功能。8/4/202212NUC 2012第12頁(yè)，共96頁(yè)。8/4/202213NUC 2012第13頁(yè)，共96頁(yè)。MEMS器件和MEMS系統(tǒng)清華一號(hào)美國(guó)提出的硅固態(tài)衛(wèi)星,直徑僅15cm(50kg, 0.07m3)清華大學(xué)聯(lián)合英國(guó)薩瑞大學(xué)研制 一只螞蟻和微齒輪8/4/202214NUC 2012第14頁(yè)，共9

5、6頁(yè)。第一章微機(jī)電系統(tǒng)概述主要內(nèi)容：微機(jī)電系統(tǒng)基本概念及特點(diǎn)。微機(jī)電系統(tǒng)的歷史、發(fā)展與前景。微機(jī)電系統(tǒng)的主要特征。微機(jī)電系統(tǒng)的器件、系統(tǒng)和應(yīng)用領(lǐng)域。8/4/202215NUC 2012第15頁(yè)，共96頁(yè)。MEMS發(fā)展歷史回顧1750s：第一個(gè)靜電發(fā)電機(jī)由本杰明.富蘭克林和安德魯 戈登發(fā)明；1822年 發(fā)現(xiàn)了半導(dǎo)體硅；1927年：申請(qǐng)了場(chǎng)效應(yīng)晶體管的專(zhuān)利1947年：發(fā)明鍺晶體管-技術(shù)基礎(chǔ)1954年：Smith, C.S., “在鍺和硅中的壓電效應(yīng)” ，Physical Review, 94.1, April 1954.8/4/202216NUC 2012第16頁(yè)，共96頁(yè)。MEMS發(fā)展歷史回顧應(yīng)

6、變儀8/4/202217NUC 2012第17頁(yè)，共96頁(yè)。MEMS發(fā)展歷史回顧1958年：硅應(yīng)變儀得到商業(yè)應(yīng)用；1959年：Feynman的報(bào)告“There is plenty of room at the bottom”.1961年：第一個(gè)硅壓力傳感器研制成功8/4/202218NUC 2012第18頁(yè)，共96頁(yè)。MEMS發(fā)展歷史回顧1967年：發(fā)明了表面微機(jī)械加工技術(shù)；1970年：第一個(gè)硅微加速度計(jì)演示成功；1977年：第一個(gè)整體式電容式壓力傳感器；1988年：美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校研制的靜電微電機(jī)，標(biāo)志著MEMS時(shí)代的到來(lái)；1995年：開(kāi)始了Bio-MEMS的研究；圖 伯克利分校研制的

7、微電機(jī)8/4/202219NUC 2012第19頁(yè)，共96頁(yè)。MEMS的發(fā)展硅微傳感器階段1963年日本豐田研究中心制作出硅微壓力傳感器。1982年美國(guó)IBM和UCBerkeley研制了集成電容式加速度計(jì)。硅微致動(dòng)器階段1987年UCBerkeley研制出轉(zhuǎn)子直徑為60120m的硅微靜電電機(jī)。傳感器市場(chǎng)化階段1993年美國(guó)Analog Devices開(kāi)始生產(chǎn)集成加速度傳感器，開(kāi)始在汽車(chē)行業(yè)大量應(yīng)用。系統(tǒng)研究階段20世紀(jì)90年代末，開(kāi)始微型飛行器、微型衛(wèi)星、微型機(jī)器人等研究。8/4/202220NUC 2012第20頁(yè)，共96頁(yè)。國(guó)內(nèi)MEMS的發(fā)展20世紀(jì)90年代初清華大學(xué)等高校開(kāi)始研究。目前有

8、100個(gè)左右的研究小組從事本領(lǐng)域研究研究主要領(lǐng)域包括硅微傳感器、硅微致動(dòng)器、硅微加工技術(shù)、微系統(tǒng)等領(lǐng)域。主要加工基地有信息產(chǎn)業(yè)部電子13所，北大微電子所，清華大學(xué)微電子所，上海交通大學(xué)和上海冶金所等。8/4/202221NUC 2012第21頁(yè)，共96頁(yè)。MEMS的產(chǎn)業(yè)化及市場(chǎng)前景估計(jì)2000年MEMS的市場(chǎng)為470億美圓8/4/202222NUC 2012第22頁(yè)，共96頁(yè)。當(dāng)前市場(chǎng)上存在的MEMS產(chǎn)品噴墨打印頭汽車(chē)安全氣囊用加速度傳感器游戲桿用加速度傳感器壓力傳感器微型控制閥微型磁強(qiáng)計(jì)8/4/202223NUC 2012第23頁(yè)，共96頁(yè)。MEMS下一步的主要研究?jī)?nèi)容光學(xué)MEMS（Opti

9、cal MEMS）生物MEMS（Bio-MEMS）量子加密和計(jì)算（Quantum encrypting and computing）8/4/202224NUC 2012第24頁(yè)，共96頁(yè)。第一章微機(jī)電系統(tǒng)概述主要內(nèi)容：微機(jī)電系統(tǒng)基本概念及特點(diǎn)。微機(jī)電系統(tǒng)的歷史、發(fā)展與前景。微機(jī)電系統(tǒng)的主要特征。微機(jī)電系統(tǒng)的器件、系統(tǒng)和應(yīng)用領(lǐng)域。8/4/202225NUC 2012第25頁(yè)，共96頁(yè)。MEMS器件的主要特征工程技術(shù)上說(shuō)大批量生產(chǎn)(低成本)小尺寸 (新的應(yīng)用)性能 (改善)8/4/202226NUC 2012第26頁(yè)，共96頁(yè)。MEMS器件的主要特征 尺寸微小是微機(jī)電系統(tǒng)的基本特征力的尺寸效應(yīng) 在

10、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（L3）等的作用相應(yīng)減小，而與尺寸的低次方成比例的粘性力、彈性力（L2）、表面張力（L1）、靜電力（L0）等的作用相對(duì)增大，這也是MEMS常用靜電力致動(dòng)的理由。 8/4/202227NUC 2012第27頁(yè)，共96頁(yè)。MEMS器件的主要特征表面效應(yīng) 隨著尺寸的減小，表面積（L2）與體積（L3）之比相對(duì)增大，因而熱傳導(dǎo)、化學(xué)反應(yīng)等加速，表面間的磨擦阻力顯著增大。 8/4/202228NUC 2012第28頁(yè)，共96頁(yè)。MEMS器件的主要特征誤差影響 對(duì)于微小構(gòu)件，制造誤差與構(gòu)件尺寸之比相對(duì)增大；同時(shí)，由于微型機(jī)械往往是一次加工成型，一般不進(jìn)

11、行安裝高度和修正，這樣，微機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特性受制造誤差的影響較大。再加上彈性變形等的影響，使得運(yùn)動(dòng)精確度成為微機(jī)構(gòu)研究的關(guān)鍵問(wèn)題。 8/4/202229NUC 2012第29頁(yè)，共96頁(yè)。MEMS器件的主要特征材料的尺寸效應(yīng)構(gòu)件尺寸減小，材料內(nèi)部缺陷減少，材料的機(jī)械強(qiáng)度顯著增加。微構(gòu)件的彈性模量、摘拉強(qiáng)度、斷裂韌性、疲勞強(qiáng)度以及殘余應(yīng)力等均與大構(gòu)件的不同，而且有些表征材料性能的物理理需要重新定義，等等。 8/4/202230NUC 2012第30頁(yè)，共96頁(yè)。MEMS器件的主要特征 器件微型化、集成化、尺寸達(dá)到納米數(shù)量級(jí) ；功能多樣化、智能化 ；功能特殊性 ；能耗低、靈敏度高、工作效率高 8/4/

12、202231NUC 2012第31頁(yè)，共96頁(yè)。第一章微機(jī)電系統(tǒng)概述主要內(nèi)容：微機(jī)電系統(tǒng)基本概念及特點(diǎn)。微機(jī)電系統(tǒng)的歷史、發(fā)展與前景。微機(jī)電系統(tǒng)的主要特征。微機(jī)電系統(tǒng)的器件、系統(tǒng)和應(yīng)用領(lǐng)域。8/4/202232NUC 2012第32頁(yè)，共96頁(yè)。典型MEMS器件硅微馬達(dá)器8/4/202233NUC 2012第33頁(yè)，共96頁(yè)。典型MEMS器件硅微慣性傳感器8/4/202234NUC 2012第34頁(yè)，共96頁(yè)。典型MEMS器件光開(kāi)關(guān)體積小、重量輕、波長(zhǎng)透明、插損和串?dāng)_小、開(kāi)關(guān)時(shí)間短、功耗小、成本低8/4/202235NUC 2012第35頁(yè)，共96頁(yè)。典型MEMS器件微流體器件8/4/2022

13、36NUC 2012第36頁(yè)，共96頁(yè)。典型MEMS器件微型噴8/4/202237NUC 2012第37頁(yè)，共96頁(yè)。典型MEMS器件微電源鋰三硝基甲苯甲烷燃料電池溫差電池，熱電發(fā)生器8/4/202238NUC 2012第38頁(yè)，共96頁(yè)。典型MEMS器件微夾鉗8/4/202239NUC 2012第39頁(yè)，共96頁(yè)。典型MEMS系統(tǒng)微型機(jī)器人8/4/202240NUC 2012第40頁(yè)，共96頁(yè)。典型MEMS系統(tǒng)微汽車(chē)車(chē)長(zhǎng)4.8mm車(chē)速10mm/s8/4/202241NUC 2012第41頁(yè)，共96頁(yè)。紅外傳感器瑞士洛桑理工8/4/202242NUC 2012第42頁(yè)，共96頁(yè)。名古屋大學(xué)8/

14、4/202243NUC 2012第43頁(yè)，共96頁(yè)。8/4/202244NUC 2012第44頁(yè)，共96頁(yè)。典型MEMS系統(tǒng)生化分析系統(tǒng)用于生物化學(xué)化驗(yàn)的集成微流體系統(tǒng)微型閥有免疫傳感器的生物過(guò)濾器有樹(shù)形分子的磁珠8/4/202245NUC 2012第45頁(yè)，共96頁(yè)。典型MEMS系統(tǒng)微型飛行器8/4/202246NUC 2012第46頁(yè)，共96頁(yè)。MEMS應(yīng)用領(lǐng)域汽車(chē)用傳感器慣性、壓力、磁場(chǎng)傳感器生物、醫(yī)學(xué)傳感器（器械）化學(xué)傳感器光開(kāi)關(guān)微泵、微引擎、微開(kāi)關(guān)光通訊器件執(zhí)行器8/4/202247NUC 2012第47頁(yè)，共96頁(yè)。8/4/202248NUC 2012第48頁(yè)，共96頁(yè)。汽車(chē)工業(yè)每

15、部汽車(chē)內(nèi)可安裝30余個(gè)傳感器： 氣囊，壓力、溫度、濕度、氣體等微噴嘴智能汽車(chē)控制系統(tǒng)8/4/202249NUC 2012第49頁(yè)，共96頁(yè)。MEMS的應(yīng)用8/4/202250NUC 2012第50頁(yè)，共96頁(yè)。8/4/202251NUC 2012第51頁(yè)，共96頁(yè)。8/4/202252NUC 2012第52頁(yè)，共96頁(yè)。This image depicts a mirror system moved by a small rotating gear用微小齒輪控制的微鏡系統(tǒng)8/4/202253NUC 2012第53頁(yè)，共96頁(yè)。MEMS加速度計(jì)8/4/202254NUC 2012第54頁(yè)，共96

16、頁(yè)。8/4/202255NUC 2012第55頁(yè)，共96頁(yè)。旋轉(zhuǎn)角速率傳感器8/4/202256NUC 2012第56頁(yè)，共96頁(yè)。MEMS在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用人造器官：電子耳、電子眼、人造胰腺、人造心臟、起博器測(cè)試儀器：體溫計(jì)、血壓計(jì)、血糖計(jì)等微型手術(shù)器械：微手術(shù)鉗（刀、剪）、微手術(shù)鉆（清理血管脂肪）、微內(nèi)窺鏡、微導(dǎo)管8/4/202257NUC 2012第57頁(yè)，共96頁(yè)。Blood Pressure8/4/202258NUC 2012第58頁(yè)，共96頁(yè)。MEMS化學(xué)傳感器陶瓷的試劑8/4/202259NUC 2012第59頁(yè)，共96頁(yè)。電子鼻美國(guó)橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室 8/4/202260NUC 20

17、12第60頁(yè)，共96頁(yè)。（Virtual eality）8/4/202261NUC 2012第61頁(yè)，共96頁(yè)。Ultrasonic Sensors超聲傳感器鼓膜8/4/202262NUC 2012第62頁(yè)，共96頁(yè)。MEMS在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用軍事領(lǐng)域是MEMS技術(shù)的最早應(yīng)用點(diǎn)，對(duì)推動(dòng)MEMS技術(shù)的進(jìn)步起到了很大作用引信 安全、炮彈彈道修正、子母彈開(kāi)倉(cāng)控制、 侵徹點(diǎn)控制單兵攜帶雷達(dá)戰(zhàn)場(chǎng)毒氣檢測(cè)和救護(hù)偵察：小飛機(jī)后勤保障8/4/202263NUC 2012第63頁(yè)，共96頁(yè)。用于武器制導(dǎo)和個(gè)人導(dǎo)航的慣性導(dǎo)航組合用于超小型、超低功率無(wú)線(xiàn)通訊（RF 微米/納米和微系統(tǒng)）的機(jī)電信號(hào)處理用于軍需跟蹤、環(huán)境

18、監(jiān)控、安全勘察和無(wú)人值守分布式傳感器用于小型分析儀器、推進(jìn)和燃燒控制的集成流量系統(tǒng)武器安全、保險(xiǎn)和引信用于有條件保養(yǎng)的嵌入式傳感器和執(zhí)行器用于高密度、低功耗的大量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器件用于敵友識(shí)別系統(tǒng)、顯示和光纖開(kāi)關(guān)的集成微光學(xué)機(jī)械器件用于飛機(jī)分布式空氣動(dòng)力學(xué)控制和自適應(yīng)光學(xué)的主動(dòng)的、共型表面。8/4/202264NUC 2012第64頁(yè)，共96頁(yè)。魚(yú)雷雷管8/4/202265NUC 2012第65頁(yè)，共96頁(yè)。8/4/202266NUC 2012第66頁(yè)，共96頁(yè)。聲電子學(xué)混合傳感器陣列8/4/202267NUC 2012第67頁(yè)，共96頁(yè)。多色儀化學(xué)遙感分光計(jì)衍射光柵8/4/202268NUC 20

19、12第68頁(yè)，共96頁(yè)。軍需品8/4/202269NUC 2012第69頁(yè)，共96頁(yè)。微型飛行器“微星”，海軍陸戰(zhàn)隊(duì)士兵可以通過(guò)便攜式電腦的畫(huà)面，操縱“微星”偵察機(jī)，可偵察前方5km的情況8/4/202270NUC 2012第70頁(yè)，共96頁(yè)。微型飛行器8/4/202271NUC 2012第71頁(yè)，共96頁(yè)。利用昆蟲(chóng)攜帶傳感器 機(jī)器昆蟲(chóng) 8/4/202272NUC 2012第72頁(yè)，共96頁(yè)。微型芯片火箭 在6mm4mm芯片上制造出15只火箭，并在10cm2的芯片上設(shè)計(jì)了1000萬(wàn)只火箭 8/4/202273NUC 2012第73頁(yè)，共96頁(yè)。機(jī)器人阿蒂拉”型機(jī)器人 50cm仿人機(jī)器人（東京大

20、學(xué)） 美國(guó)麻省理工學(xué)院研制的“阿蒂拉”型機(jī)器人重1.6kg，有32臺(tái)電機(jī)，10個(gè)微處理器和150個(gè)傳感器，并帶有一臺(tái)微型攝象機(jī) 8/4/202274NUC 2012第74頁(yè)，共96頁(yè)。2001年，美國(guó)IEC公司研制的MIMU在155mm火炮發(fā)射 8/4/202275NUC 2012第75頁(yè)，共96頁(yè)。信息領(lǐng)域全光通信網(wǎng)：光開(kāi)關(guān)和開(kāi)關(guān)陣列、光可變衰減器、光無(wú)源互連耦合器、可調(diào)濾波器、光相干探測(cè)器、光功率限幅器、微透鏡、光交叉連接器OXC、光分插復(fù)用器OADM和波分復(fù)用器無(wú)線(xiàn)電話(huà)； MEMS電容、電感、傳輸線(xiàn)、RF MEMS濾波器、RF MEMS振蕩器、MEMS移相器、微波收發(fā)機(jī)MEMS集成化射頻

21、前端計(jì)算機(jī)；攝像頭、鼠標(biāo)投影儀、噴墨打印機(jī)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)8/4/202276NUC 2012第76頁(yè)，共96頁(yè)。數(shù)字彩色投影顯示數(shù)字微鏡芯片（DMD）可以對(duì)光進(jìn)行數(shù)字化調(diào)理，在不同的光照環(huán)境，最真實(shí)地投影圖像。8/4/202277NUC 2012第77頁(yè)，共96頁(yè)。 原子(微粒子)成像原理使存儲(chǔ)容量遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)的磁和光原理存儲(chǔ)。8/4/202278NUC 2012第78頁(yè)，共96頁(yè)。航空、航天航空：改進(jìn)飛機(jī)性能、保證飛機(jī)安全舒適、減少躁聲航天：天際信息網(wǎng)、微重力測(cè)量8/4/202279NUC 2012第79頁(yè)，共96頁(yè)?；糜皯?zhàn)斗機(jī)8/4/202280NUC 2012第80頁(yè)，共96頁(yè)。噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)鎳 管

22、火焰檢測(cè)8/4/202281NUC 2012第81頁(yè)，共96頁(yè)。8/4/202282NUC 2012第82頁(yè)，共96頁(yè)。皮(p)衛(wèi)星 2000年2月用30m連接的兩個(gè)皮衛(wèi)星從母船上投放。2000年1月第一個(gè)皮衛(wèi)星發(fā)射。驗(yàn)證了30m距離內(nèi)的跟蹤和通信。8/4/202283NUC 2012第83頁(yè)，共96頁(yè)。8/4/202284NUC 2012第84頁(yè)，共96頁(yè)。環(huán)境保護(hù)無(wú)人值守大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)網(wǎng)高速公路環(huán)境監(jiān)測(cè)網(wǎng)消費(fèi)類(lèi)、玩具消費(fèi)類(lèi)電器模糊控制：攝象機(jī)、洗衣機(jī)虛擬現(xiàn)實(shí)目鏡、游戲棒、智能玩具8/4/202285NUC 2012第85頁(yè)，共96頁(yè)。其它應(yīng)用8/4/202286NUC 2012第86頁(yè)，共9

23、6頁(yè)。微型馬達(dá)納米馬達(dá)分子馬達(dá)8/4/202287NUC 2012第87頁(yè)，共96頁(yè)。ATP納米馬達(dá)的可能應(yīng)用一種超微型的生化酶分類(lèi)器未分類(lèi)的分子分類(lèi)的分子一種超微型的ATP生化酶流量計(jì)8/4/202288NUC 2012第88頁(yè)，共96頁(yè)。納米電動(dòng)機(jī)有望制造出納米級(jí)的光學(xué)振蕩器 美國(guó)加利福尼亞大學(xué)的研究人員已制造出迄今為止最小的合成電動(dòng)機(jī)，它由裝在510nm厚的碳元素納米管軸上的長(zhǎng)度不足300nm的金質(zhì)轉(zhuǎn)子組成。這種微型電動(dòng)機(jī)可在光學(xué)電路中用于改變光路，或迅速地來(lái)回旋轉(zhuǎn)以形成一個(gè)微波振蕩器。金質(zhì)轉(zhuǎn)子在一個(gè)由排布在硅表面的兩個(gè)充電定子來(lái)驅(qū)動(dòng)的碳納米管軸上旋轉(zhuǎn)8/4/202289NUC 2012第89頁(yè)，共96頁(yè)。Atom MovingIn 1989 researchers at IBM figured out how to move single atoms on a crystalline surface using the STMThey later figured out how to move larger molecules using mechanical force 用掃描隧道顯微鏡在