微機(jī)電系統(tǒng)的學(xué)習(xí)

關(guān)于微機(jī)電系統(tǒng)的學(xué)習(xí)引言信息系統(tǒng)微型化系統(tǒng)體積大大減小性能、可靠性大幅度上升功耗和價(jià)格大幅度降低信息系統(tǒng)的目標(biāo)：微型化和集成化微電子解決電子系統(tǒng)的微型化非電子系統(tǒng)成為整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)一步縮小的關(guān)鍵第2頁(yè),共56頁(yè)，2024年2月25日，星期天機(jī)械部分傳感執(zhí)行控制部分電子學(xué)MEMS微電子學(xué)第3頁(yè),共56頁(yè)，2024年2月25日，星期天第4頁(yè),共56頁(yè)，2024年2月25日，星期天MEMS技術(shù)從廣義上講，MEMS是指集微型傳感器、微型執(zhí)行器、信號(hào)處理和控制電路、接口電路、通信系統(tǒng)以及電源于一體的微型機(jī)電系統(tǒng)MEMS技術(shù)是一種多學(xué)科交叉的前沿性領(lǐng)域，它幾乎涉及到自然及工程科學(xué)的所有領(lǐng)域，如電子、機(jī)械、光學(xué)、物理學(xué)、化學(xué)、生物醫(yī)學(xué)、材料科學(xué)、能源科學(xué)等第5頁(yè),共56頁(yè)，2024年2月25日，星期天MEMS—微小型、智能、集成、高可靠MEMS是人類科技發(fā)展過程一次重大的技術(shù)整合微電子技術(shù)、精密加工技術(shù)、傳感器技術(shù)、執(zhí)行器技術(shù)微小型化、智能化、集成化、高可靠性MEMS能夠完成真正意義上的微小型系統(tǒng)集成在芯片上實(shí)現(xiàn)了力、熱、磁、化學(xué)到電的轉(zhuǎn)變MEMS極大地改善了人類生活的質(zhì)量大批量、低成本的傳感器生產(chǎn)方式給人們更多的保護(hù)MEMS將會(huì)帶動(dòng)一個(gè)充滿活力的產(chǎn)業(yè)迅速成長(zhǎng)不是鋼鐵、汽車、微電子，而是微系統(tǒng)第6頁(yè),共56頁(yè)，2024年2月25日，星期天ADI公司生產(chǎn)的微加速度機(jī)MEMS芯片第7頁(yè),共56頁(yè)，2024年2月25日，星期天MEMS在航空、航天、汽車、生物醫(yī)學(xué)、環(huán)境監(jiān)控、軍事以及幾乎人們接觸到的所有領(lǐng)域中都有著十分廣闊的應(yīng)用前景微慣性傳感器及微型慣性測(cè)量組合能應(yīng)用于制導(dǎo)、衛(wèi)星控制、汽車自動(dòng)駕駛、汽車防撞氣囊、汽車防抱死系統(tǒng)(ABS)、穩(wěn)定控制和玩具微流量系統(tǒng)和微分析儀可用于微推進(jìn)、傷員救護(hù)MEMS系統(tǒng)還可以用于醫(yī)療、高密度存儲(chǔ)和顯示、光譜分析、信息采集等等已經(jīng)制造出尖端直徑為5

m的可以?shī)A起一個(gè)紅細(xì)胞的微型鑷子，可以在磁場(chǎng)中飛行的象蝴蝶大小的飛機(jī)等MEMS技術(shù)的應(yīng)用第8頁(yè),共56頁(yè)，2024年2月25日，星期天MEMS技術(shù)的應(yīng)用空間應(yīng)用用作運(yùn)行參數(shù)測(cè)量的微加速度計(jì)已進(jìn)行了地面輻照實(shí)驗(yàn)，正在進(jìn)行飛行搭載實(shí)驗(yàn)微陀螺、微推進(jìn)和微噴管等微系統(tǒng)基礎(chǔ)研究通信方面光通信正在向有光交換功能的全光通信網(wǎng)絡(luò)方向發(fā)展無線通信則要求增強(qiáng)功能（如聯(lián)網(wǎng)等）和減小功耗。包括美國(guó)朗訊公司在內(nèi)的一些公司和大學(xué)正在研究全光通信網(wǎng)用的微系統(tǒng)及無線通信用射頻微系統(tǒng)第9頁(yè),共56頁(yè)，2024年2月25日，星期天MEMS技術(shù)的應(yīng)用在生物醫(yī)學(xué)方面，將光、機(jī)、電、液、生化等部件集成在一起，構(gòu)成一個(gè)微型芯片實(shí)驗(yàn)室，用于臨床醫(yī)學(xué)檢測(cè)，為醫(yī)生甚至家庭提供簡(jiǎn)單、廉價(jià)、準(zhǔn)確和快捷的檢測(cè)手段光顯示、高密度存儲(chǔ)、汽車、國(guó)防等微系統(tǒng)第10頁(yè),共56頁(yè)，2024年2月25日，星期天MEMS技術(shù)的應(yīng)用美國(guó)提出的硅固態(tài)衛(wèi)星的概念圖，這個(gè)衛(wèi)星除了蓄電池外，全由硅片構(gòu)成，直徑僅15cm第11頁(yè),共56頁(yè)，2024年2月25日，星期天MEMS技術(shù)的歷史微系統(tǒng)是從微傳感器發(fā)展而來的，已有幾次突破性的進(jìn)展70年代微機(jī)械壓力傳感器產(chǎn)品問世80年代末研制出硅靜電微馬達(dá)90年代噴墨打印頭，硬盤讀寫頭、硅加速度計(jì)和數(shù)字微鏡器件等相繼規(guī)?；a(chǎn)充分展示了微系統(tǒng)技術(shù)及其微系統(tǒng)的巨大應(yīng)用前景第12頁(yè),共56頁(yè)，2024年2月25日，星期天MEMS技術(shù)MEMS用批量化的微電子技術(shù)制造出尺寸與集成電路大小相當(dāng)?shù)姆请娮酉到y(tǒng)，實(shí)現(xiàn)電子系統(tǒng)和非電子系統(tǒng)的一體化集成從根本上解決信息系統(tǒng)的微型化問題實(shí)現(xiàn)許多以前無法實(shí)現(xiàn)的功能今天的MEMS與40年前的集成電路類似，MEMS對(duì)未來的社會(huì)發(fā)展將會(huì)產(chǎn)生什么影響目前還難以預(yù)料，但它是21世紀(jì)初一個(gè)新的產(chǎn)業(yè)增長(zhǎng)點(diǎn)，則是無可質(zhì)疑的第13頁(yè),共56頁(yè)，2024年2月25日，星期天研究領(lǐng)域理論基礎(chǔ)：隨著MEMS尺寸的縮小，有些宏觀的物理特性發(fā)生了改變，很多原來的理論基礎(chǔ)都會(huì)發(fā)生變化，如力的尺寸效應(yīng)、微結(jié)構(gòu)的表面效應(yīng)、微觀摩擦機(jī)理等等，微動(dòng)力學(xué)微流體力學(xué)微熱力學(xué)微摩擦學(xué)微光學(xué)微結(jié)構(gòu)學(xué)第14頁(yè),共56頁(yè)，2024年2月25日，星期天研究領(lǐng)域技術(shù)基礎(chǔ)：設(shè)計(jì)、工藝加工(高深寬比多層微結(jié)構(gòu))、微裝配工藝、微系統(tǒng)的測(cè)量等。應(yīng)用研究：如何應(yīng)用這些MEMS系統(tǒng)也是一門非常重要的學(xué)問。人們不僅要開發(fā)各種制造MEMS的技術(shù)，更重要的是如何將MEMS器件用于實(shí)際系統(tǒng)，并從中受益。第15頁(yè),共56頁(yè)，2024年2月25日，星期天MEMS的分類微傳感器：機(jī)械類：力學(xué)、力矩、加速度、速度、角速度(陀螺)、位置、流量傳感器磁學(xué)類：磁通計(jì)、磁場(chǎng)計(jì)熱學(xué)類：溫度計(jì)化學(xué)類：氣體成分、濕度、PH值和離子濃度傳感器生物學(xué)類：DNA芯片第16頁(yè),共56頁(yè)，2024年2月25日，星期天MEMS的分類微執(zhí)行器：微馬達(dá)、微齒輪、微泵、微閥門、微開關(guān)、微噴射器、微揚(yáng)聲器、微諧振器等微型構(gòu)件：微膜、微梁、微探針、微齒輪、微彈簧、微腔、微溝道、微錐體、微軸、微連桿等微機(jī)械光學(xué)器件：微鏡陣列、微光掃描器、微光閥、微斬光器、微干涉儀、微光開關(guān)、微可變焦透鏡、微外腔激光器、光編碼器等第17頁(yè),共56頁(yè)，2024年2月25日，星期天MEMS的分類真空微電子器件：它是微電子技術(shù)、MEMS技術(shù)和真空電子學(xué)發(fā)展的產(chǎn)物，具有極快的開關(guān)速度、非常好的抗輻照能力和極佳的溫度特性。主要包括場(chǎng)發(fā)射顯示器、場(chǎng)發(fā)射照明器件、真空微電子毫米波器件、真空微電子傳感器等電力電子器件：包括利用MEMS技術(shù)制作的垂直導(dǎo)電型MOS(VMOS)器件、V型槽垂直導(dǎo)電型MOS(VVMOS)器件等各類高壓大電流器件第18頁(yè),共56頁(yè)，2024年2月25日，星期天MEMS制造工藝第19頁(yè),共56頁(yè)，2024年2月25日，星期天大機(jī)器加工小機(jī)器，小機(jī)器加工微機(jī)器微機(jī)械用微電子加工技術(shù)MEMS系統(tǒng)X光鑄模+壓塑技術(shù)(LIGA)從頂層向下從底層向上分子和原子級(jí)加工國(guó)防、航空航天、生物醫(yī)學(xué)、環(huán)境監(jiān)控、汽車都有廣泛應(yīng)用。2000年有120-140億美元市場(chǎng)相關(guān)市場(chǎng)達(dá)1000億美元2年后市場(chǎng)將迅速成長(zhǎng)MEMS微系統(tǒng)第20頁(yè),共56頁(yè)，2024年2月25日，星期天MEMS制造工藝大機(jī)械制造小機(jī)械，小機(jī)械制造微機(jī)械日本為代表LIGA工藝Lithograpie(光刻)、Galvanoformung(電鑄)Abformung(塑鑄)德國(guó)為代表硅微機(jī)械加工工藝：體硅工藝和表面犧牲層工藝美國(guó)為代表第21頁(yè),共56頁(yè)，2024年2月25日，星期天LIGA工藝第22頁(yè),共56頁(yè)，2024年2月25日，星期天硅MEMS工藝化學(xué)腐蝕高深寬比深槽刻蝕鍵合第23頁(yè),共56頁(yè)，2024年2月25日，星期天體硅工藝第24頁(yè),共56頁(yè)，2024年2月25日，星期天表面犧牲層工藝表面犧牲層與CMOS工藝集成結(jié)構(gòu)單獨(dú)制造，靈活性較大靈敏度高、寄生小、體積小簡(jiǎn)化封裝和組裝，可靠性高加工工藝復(fù)雜，成品率較低工藝兼容的材料種類較少電路工藝與結(jié)構(gòu)加工工藝交替進(jìn)行先加工電路，后加工結(jié)構(gòu)先加工機(jī)械結(jié)構(gòu)，再加工電路第25頁(yè),共56頁(yè)，2024年2月25日，星期天幾種重要的MEMS器件第26頁(yè),共56頁(yè)，2024年2月25日，星期天MEMS器件慣性MEMS器件加速度計(jì)陀螺壓力傳感器光學(xué)MEMS器件微光開關(guān)微光學(xué)平臺(tái)微執(zhí)行器微噴微馬達(dá)生物MEMS器件其它第27頁(yè),共56頁(yè)，2024年2月25日，星期天加速度計(jì)壓阻式加速度計(jì)電容式加速度計(jì)壓電式加速度計(jì)慣性器件第28頁(yè),共56頁(yè)，2024年2月25日，星期天慣性器件第29頁(yè),共56頁(yè)，2024年2月25日，星期天電容式微加速度計(jì)第30頁(yè),共56頁(yè)，2024年2月25日，星期天光學(xué)MEMS器件定義OpticalTransducers，MOEMS,OpticalMEMS分類傳統(tǒng)的光傳感器、轉(zhuǎn)換器光傳感、成像、發(fā)光器件（光電子）利用光進(jìn)行傳感的器件位置傳感器、光譜儀、DNA芯片利用微機(jī)械加工方法形成的器件傳統(tǒng)器件的新生命新型器件第31頁(yè),共56頁(yè)，2024年2月25日，星期天傳統(tǒng)的光傳感器光傳感方式成像系統(tǒng)(Imager)CCDCMOS發(fā)光系統(tǒng)LED半導(dǎo)體激光器等離子生物發(fā)光光調(diào)節(jié)器第32頁(yè),共56頁(yè)，2024年2月25日，星期天發(fā)光器件場(chǎng)發(fā)射（FEDs）未來的顯示設(shè)備(FPD)第33頁(yè),共56頁(yè)，2024年2月25日，星期天新器件——組件微鏡MirrorSupportStructureSubstrateHingesTorsionHinges1stDOF2ndDOFForce-redirectingLinkage第34頁(yè),共56頁(yè)，2024年2月25日，星期天各種光學(xué)元器件透鏡、波帶片、濾波器、光柵及各種致動(dòng)機(jī)構(gòu)新器件——組件第35頁(yè),共56頁(yè)，2024年2月25日，星期天微光學(xué)系統(tǒng)微光學(xué)工作臺(tái)（MicroOpticalBench）第36頁(yè),共56頁(yè)，2024年2月25日，星期天微型顯示陣列（光調(diào)制器）數(shù)字鏡面顯示（DMD）原理改變反射方向第37頁(yè),共56頁(yè)，2024年2月25日，星期天DMD——應(yīng)用第38頁(yè),共56頁(yè)，2024年2月25日，星期天DMD——應(yīng)用第39頁(yè),共56頁(yè)，2024年2月25日，星期天光開關(guān)

微機(jī)械1X4光開關(guān)微機(jī)械1X8光開關(guān)第40頁(yè),共56頁(yè)，2024年2月25日，星期天

微機(jī)械2

2光開關(guān)微機(jī)械2

2光開關(guān)光開關(guān)第41頁(yè),共56頁(yè)，2024年2月25日，星期天光纖固定結(jié)構(gòu)V形槽各種卡緊結(jié)構(gòu)第42頁(yè),共56頁(yè)，2024年2月25日，星期天光柵及光柵光譜儀原理不同類型的光柵第43頁(yè),共56頁(yè)，2024年2月25日，星期天第44頁(yè),共56頁(yè)，2024年2月25日，星期天新器件——組件線性馬達(dá)第45頁(yè),共56頁(yè)，2024年2月25日，星期天弧形梳齒原理應(yīng)用靜電第46頁(yè),共56頁(yè)，2024年2月25日，星期天靜電旋轉(zhuǎn)馬達(dá)原理第47頁(yè),共56頁(yè)，2024年2月25日，星期天美國(guó)噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室(JPL)展示的采用MEMS技術(shù)的電阻電熱式微推進(jìn)器樣機(jī)（液體氣化方式）。微推進(jìn)器由薄膜加熱器、微型噴口等組成。其性能目標(biāo)為：比沖75～125s，推力0.5mN，功率<5W，效率≥50%，質(zhì)量為幾克，大小為1cm2。微推進(jìn)器第48頁(yè),共56頁(yè)，2024年2月25日，星期天美國(guó)噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室(JPL)展示的采用MEMS技術(shù)的電阻電熱式微推進(jìn)器樣機(jī)(固體升華方式)。微推進(jìn)器由推進(jìn)劑出貯箱、微閥、微過濾器、微型噴口等組成，微型噴口利用MEMS技術(shù)中的體硅工藝制作。其性能目標(biāo)為：比沖50～75s，推力0.5mN，功率<2W/mN，質(zhì)量為幾克，大小為1cm2。微推進(jìn)器第49頁(yè),共56頁(yè)，2024年2月25日，星期天美國(guó)TRW公司、航空航天公司和加州理工學(xué)院（CIT）組成的研究小組提出了一個(gè)“數(shù)字推進(jìn)概念”方案。硅片上有集成電路來開啟和控制每個(gè)微推進(jìn)器。整個(gè)推進(jìn)系統(tǒng)還可充當(dāng)衛(wèi)星的散熱器，以進(jìn)一步減小衛(wèi)星的有效載荷。制作方法可以用目前已成熟的MEMS及LIGA技術(shù)。圖為他們于99年初發(fā)表了3×5陣列的電阻電熱式微推進(jìn)器樣機(jī)。微推進(jìn)器第50頁(yè),共56頁(yè)，2024年2月25日，星期天新概念的