先進制造技術-微機電系統(tǒng)

1、 微機電系統(tǒng)(MEMS)Micro-Electro-Mechanical Systems一、MEMS技術的歷歷史微系統(tǒng)是是從微傳傳感器發(fā)發(fā)展而來來的，已已有幾次次突破性性的進展展70年代代微機械械壓力傳傳感器產(chǎn)產(chǎn)品問世世80年代代末研制制出硅靜靜電微馬馬達90年代代噴墨打打印頭，硬盤讀讀寫頭、硅加速速度計和和數(shù)字微微鏡器件件等相繼繼規(guī)模化化生產(chǎn)充分展示示了微系系統(tǒng)技術術及其微微系統(tǒng)的的巨大應應用前景景F微電子壓壓力傳感感器利用了硅硅的三微微結構與與機械特特性聚合物薄薄膜硅壓敏電阻阻器吸濕膨脹脹電阻變化化？微電子濕濕度傳感感器真空微電電子平板板顯示器器硅Si基體硅尖錐玻璃熒光粉電子電場發(fā)光利用了

2、硅硅的三微微結構與與機械械加工特特性二、引言言信息系統(tǒng)統(tǒng)微型化化系統(tǒng)體積積大大減減小性能、可可靠性大大幅度上上升功耗和價價格大幅幅度降低低信息系統(tǒng)統(tǒng)的目標標：微型型化和集集成化微電子解解決電子子系統(tǒng)的的微型化化非電子系系統(tǒng)成為為整個系系統(tǒng)進一一步縮小小的關鍵鍵機械部分傳感執(zhí)行控制部分電子學MEMS微電子學三、MEMS概念從廣義上上講，MEMS是指集集微型傳傳感器、微型執(zhí)執(zhí)行器、信號處處理和控控制電路路、接口口電路、通信系系統(tǒng)以及及電源于于一體的的微型機機電系統(tǒng)統(tǒng)非純電路路裝置Fabrication of Silicon Tips for Scanning Probe MicroscopyFab

3、rication of Silicon Tips for Scanning Probe Microscopy硅微尖錐錐硅微齒輪輪弧形梳齒齒靜電硅微轉(zhuǎn)子子硅微槽硅微梁硅微梁硅微轉(zhuǎn)動動器硅微拖動動器硅微橋硅微橋硅微琴已經(jīng)制造造出尖端端直徑為為5m的可以以夾起一一個紅細細胞的微微型鑷子子可以用于于醫(yī)療手手術硅微型鑷鑷子四、MEMS制造工藝藝硅MEMS工藝藝（1）化化學腐蝕蝕 High aspect ratio 60um trenchSTSDeepRIEsystem at FID（2）反反應離子子刻蝕（3）LIGA工藝Lithograpie(光刻)、Galvanoformung(電鑄)、Abformu

4、ng(塑塑鑄)德國為代代表主要用于于金屬微微結構器器件的形形成LIGA工藝模具五、MEMS的的分類微執(zhí)行器器：微馬馬達、微微齒輪、微泵、微閥門門、微開開關、微微噴射器器、微揚揚聲器、微諧振振器等微型構件件：微膜膜、微梁梁、微探探針、微微齒輪、微彈簧簧、微腔腔、微溝溝道、微微錐體、微軸、微連桿桿等微機械光光學器件件：微鏡鏡陣列、微光掃掃描器、微光閥閥、微斬斬光器、微干涉涉儀、微微光開關關、微可可變焦透透鏡、微微外腔激激光器、光編碼碼器等MEMS在航空空、航天天、汽車車、生物物醫(yī)學、環(huán)境監(jiān)監(jiān)控、軍軍事以及及幾乎人人們接觸觸到的所所有領域域中都有有著十分分廣闊的的應用前前景六、MEMS技術的應應用空

5、間應用用用作運行行參數(shù)測測量的微微加速度度計已進進行了地地面輻照照實驗，正在進進行飛行行搭載實實驗微陀螺、微推進進和微噴噴管等微微系統(tǒng)基基礎研究究通信方面面光通信正正在向有有光交換換功能的的全光通通信網(wǎng)絡絡方向發(fā)發(fā)展無線通信信則要求求增強功功能（如如聯(lián)網(wǎng)等等）和減減小功耗耗。包括括美國朗朗訊公司司在內(nèi)的的一些公公司和大大學正在在研究全全光通信信網(wǎng)用的的微系統(tǒng)統(tǒng)及無線線通信用用射頻微微系統(tǒng)1、微傳傳感器：機械類：力學、力矩、加速度度、速度度、角速速度(陀陀螺)、位置、流量傳傳感器磁學類：磁通計計、磁場場計熱學類：溫度計計化學類：氣體成成分、濕濕度、PH值和和離子濃濃度傳感感器生物學類類：DNA芯

6、片片電容式微微加速度度計微慣性傳傳感器及及微型慣慣性測量量組合能能應用于于制導、衛(wèi)星控控制、汽汽車自動動駕駛、汽車防防撞氣囊囊、汽車車防抱死死系統(tǒng)(ABS)、穩(wěn)穩(wěn)定控制制和玩具具。靜電旋轉(zhuǎn)馬達達2、微馬馬達線性馬達達美國提出出的硅固固態(tài)衛(wèi)星星的概念念圖，這這個衛(wèi)星星除了蓄蓄電池外外，全由硅片片構成，直徑僅僅15cm3、光通通信MEMS器器件定義Optical Transducers，MOEMS,Optical MEMS分類傳統(tǒng)的光光傳感器器、轉(zhuǎn)換換器光傳感、成像、發(fā)光器器件（光光電子）微機械光光學器件件：微鏡鏡陣列、微光掃掃描器、微光閥閥、微斬斬光器、微干涉涉儀、微微光開關關、微可可變焦透透鏡

7、、微微外腔激激光器、光編碼碼器等(1)可轉(zhuǎn)動的的硅微鏡鏡數(shù)字鏡面面顯示（DMD）可轉(zhuǎn)動的的硅微鏡鏡微鏡的驅(qū)驅(qū)動方式式MirrorSupportStructureSubstrate HingesTorsion Hinges1st DOF2nd DOFForce-redirecting Linkage（a）微微馬達驅(qū)驅(qū)動改變反射射方向（b）靜靜電驅(qū)動動-+-+（c）磁磁力驅(qū)動動（d）熱熱驅(qū)動MEMS微鏡的的應用全光通信信中的光光交換開開關平板顯示示器DMD應用用光交換開開關微機械1X2光開關微機械1X8光開關可轉(zhuǎn)動的的硅微鏡鏡可轉(zhuǎn)動的的硅微鏡鏡入射光纖纖出射光纖纖二維光交交換開關關(2)光光纖固固

8、定結構構V形槽各種卡緊緊結構美國噴氣氣推進實實驗室(JPL)展示的采采用MEMS技術的電電阻電熱熱式微推推進器樣樣機（液液體氣化化方式）。微推推進器由由薄膜加加熱器、微型噴噴口等組組成。其其性能目目標為：比沖75125s，推力0.5mN，功率5W，效率50%，質(zhì)量為為幾克，大小為為1cm2。4、微推進進器美國噴氣氣推進實實驗室(JPL)展示的采采用MEMS技術的電電阻電熱熱式微推推進器樣樣機(固體升華華方式)。微推進進器由推推進劑出出貯箱、微閥、微過濾濾器、微微型噴口口等組成成，微型型噴口利利用MEMS技術中的的體硅工工藝制作作。其性性能目標標為：比比沖5075s，推力0.5mN，功率2W/m

9、N，質(zhì)量為幾幾克，大大小為1cm2。微推進器器MEMS技術及及其產(chǎn)品品的增長長速度非非常之高高，并且且目前正正處在加加速發(fā)展展時期七、微機機電系統(tǒng)統(tǒng)的設計計技術MEMS用批量量化的微微電子技技術制造造出尺寸寸與集成成電路大大小相當當?shù)姆请婋娮酉到y(tǒng)統(tǒng)，實現(xiàn)現(xiàn)電子系系統(tǒng)和非非電子系系統(tǒng)的一一體化集集成從根本上上解決信信息系統(tǒng)統(tǒng)的微型型化問題題實現(xiàn)許多多以前無無法實現(xiàn)現(xiàn)的功能能今天的MEMS與40年前的的集成電電路類似似，MEMS對對未來的的社會發(fā)發(fā)展將會會產(chǎn)生什什么影響響目前還還難以預預料，但但它是21世紀紀初一個個新的產(chǎn)產(chǎn)業(yè)增長長點，則則是無可可質(zhì)疑的的研究領域域理論基礎礎：隨著著MEMS尺寸寸的縮小小，有些些宏觀的的物理特特性發(fā)生生了改變變，很多多原來的的理論基基礎都會會發(fā)生變變化，如如力的尺尺寸效應應、微結結構的表表面效應應、微觀觀摩擦機機理等等等，微動力學學微流體力力學微熱力學學微摩擦學學微光學微