MEMS技術(1概述)課件

1、微機電系統(tǒng)技術基礎王文廉第1頁，共96頁。課程內容微機電系統(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、致動器微制造綜述微系統(tǒng)設計8/4/20222NUC 2012第2頁，共96頁。第一章微機電系統(tǒng)概述主要內容：微機電系統(tǒng)基本概念及特點。微機電系統(tǒng)的歷史、發(fā)展與前景。微機電系統(tǒng)的主要特征。微機電系統(tǒng)的器件、系統(tǒng)和應用領域。8/4/20223NUC 2012第3頁，共96頁。微觀世界光學顯微鏡電子顯微鏡8/4/20224NUC 2012第4頁，共96頁。微機電系統(tǒng)基本概念及特點分子的隔膜8/4/20225NUC 2012第5頁，共96頁。微機電系統(tǒng)基本概念及特點批量生產

2、8/4/20226NUC 2012第6頁，共96頁。什么是MEMS微機電系統(tǒng)（Micor Electro Mechanical Systems, MEMS）是在微電子技術的基礎上發(fā)展起來的，融合了硅微加工、LIGA技術和精密機械加工等多種微加工技術，并應用現(xiàn)代信息技術構成的微型系統(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，以及進行信號處理和控制的電路。8/4/20227NUC 2012第7頁，共96頁。各個國家不同的定義美國：微型機電系統(tǒng)MEMS: Micro electro mechanical system日本：微機械Micro machine歐洲：微系統(tǒng)Mi

3、cro system8/4/20228NUC 2012第8頁，共96頁。從國際上開發(fā)MEMS的情況看，美國側重在微電子技術的基礎上，通過微芯片取得制造工藝的突破；日本則側重從機械加工工藝實現(xiàn)微機械的制造，強調通過非光刻的傳統(tǒng)機械線實現(xiàn)機械微型化，是一條用大機器制造小機器，用小機器造微機器的途徑；德國的特色是在LIGA工藝的應用上取得進展。這些國家的加工工藝各有特色，但均取得顯著成效。總體來看，目前美國和日本處于微米/納米技術技術領先地位。我們應在利用國外各種微加工工藝的基礎上努力創(chuàng)新。8/4/20229NUC 2012第9頁，共96頁。什么是微型機電系統(tǒng)8/4/202210NUC 2012第1

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

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

6、變儀8/4/202217NUC 2012第17頁，共96頁。MEMS發(fā)展歷史回顧1958年：硅應變儀得到商業(yè)應用；1959年：Feynman的報告“There is plenty of room at the bottom”.1961年：第一個硅壓力傳感器研制成功8/4/202218NUC 2012第18頁，共96頁。MEMS發(fā)展歷史回顧1967年：發(fā)明了表面微機械加工技術；1970年：第一個硅微加速度計演示成功；1977年：第一個整體式電容式壓力傳感器；1988年：美國加州大學伯克利分校研制的靜電微電機，標志著MEMS時代的到來；1995年：開始了Bio-MEMS的研究；圖 伯克利分校研制的

7、微電機8/4/202219NUC 2012第19頁，共96頁。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IBM和UCBerkeley研制了集成電容式加速度計。硅微致動器階段1987年UCBerkeley研制出轉子直徑為60120m的硅微靜電電機。傳感器市場化階段1993年美國Analog Devices開始生產集成加速度傳感器，開始在汽車行業(yè)大量應用。系統(tǒng)研究階段20世紀90年代末，開始微型飛行器、微型衛(wèi)星、微型機器人等研究。8/4/202220NUC 2012第20頁，共96頁。國內MEMS的發(fā)展20世紀90年代初清華大學等高校開始研究。目前有

8、100個左右的研究小組從事本領域研究研究主要領域包括硅微傳感器、硅微致動器、硅微加工技術、微系統(tǒng)等領域。主要加工基地有信息產業(yè)部電子13所，北大微電子所，清華大學微電子所，上海交通大學和上海冶金所等。8/4/202221NUC 2012第21頁，共96頁。MEMS的產業(yè)化及市場前景估計2000年MEMS的市場為470億美圓8/4/202222NUC 2012第22頁，共96頁。當前市場上存在的MEMS產品噴墨打印頭汽車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計8/4/202223NUC 2012第23頁，共96頁。MEMS下一步的主要研究內容光學MEMS（Opti

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

10、微小尺寸領域，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）等的作用相對增大，這也是MEMS常用靜電力致動的理由。 8/4/202227NUC 2012第27頁，共96頁。MEMS器件的主要特征表面效應 隨著尺寸的減小，表面積（L2）與體積（L3）之比相對增大，因而熱傳導、化學反應等加速，表面間的磨擦阻力顯著增大。 8/4/202228NUC 2012第28頁，共96頁。MEMS器件的主要特征誤差影響 對于微小構件，制造誤差與構件尺寸之比相對增大；同時，由于微型機械往往是一次加工成型，一般不進

11、行安裝高度和修正，這樣，微機構的運動特性受制造誤差的影響較大。再加上彈性變形等的影響，使得運動精確度成為微機構研究的關鍵問題。 8/4/202229NUC 2012第29頁，共96頁。MEMS器件的主要特征材料的尺寸效應構件尺寸減小，材料內部缺陷減少，材料的機械強度顯著增加。微構件的彈性模量、摘拉強度、斷裂韌性、疲勞強度以及殘余應力等均與大構件的不同，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，共96頁。MEMS器件的主要特征 器件微型化、集成化、尺寸達到納米數(shù)量級 ；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，共96頁。第一章微機電系統(tǒng)概述主要內容：微機電系統(tǒng)基本概念及特點。微機電系統(tǒng)的歷史、發(fā)展與前景。微機電系統(tǒng)的主要特征。微機電系統(tǒng)的器件、系統(tǒng)和應用領域。8/4/202232NUC 2012第32頁，共96頁。典型MEMS器件硅微馬達器8/4/202233NUC 2012第33頁，共96頁。典型MEMS器件硅微慣性傳感器8/4/202234NUC 2012第34頁，共96頁。典型MEMS器件光開關體積小、重量輕、波長透明、插損和串擾小、開關時間短、功耗小、成本低8/4/202235NUC 2012第35頁，共96頁。典型MEMS器件微流體器件8/4/2022

13、36NUC 2012第36頁，共96頁。典型MEMS器件微型噴8/4/202237NUC 2012第37頁，共96頁。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，共96頁。典型MEMS器件微夾鉗8/4/202239NUC 2012第39頁，共96頁。典型MEMS系統(tǒng)微型機器人8/4/202240NUC 2012第40頁，共96頁。典型MEMS系統(tǒng)微汽車車長4.8mm車速10mm/s8/4/202241NUC 2012第41頁，共96頁。紅外傳感器瑞士洛桑理工8/4/202242NUC 2012第42頁，共96頁。名古屋大學8/

14、4/202243NUC 2012第43頁，共96頁。8/4/202244NUC 2012第44頁，共96頁。典型MEMS系統(tǒng)生化分析系統(tǒng)用于生物化學化驗的集成微流體系統(tǒng)微型閥有免疫傳感器的生物過濾器有樹形分子的磁珠8/4/202245NUC 2012第45頁，共96頁。典型MEMS系統(tǒng)微型飛行器8/4/202246NUC 2012第46頁，共96頁。MEMS應用領域汽車用傳感器慣性、壓力、磁場傳感器生物、醫(yī)學傳感器（器械）化學傳感器光開關微泵、微引擎、微開關光通訊器件執(zhí)行器8/4/202247NUC 2012第47頁，共96頁。8/4/202248NUC 2012第48頁，共96頁。汽車工業(yè)每

15、部汽車內可安裝30余個傳感器： 氣囊，壓力、溫度、濕度、氣體等微噴嘴智能汽車控制系統(tǒng)8/4/202249NUC 2012第49頁，共96頁。MEMS的應用8/4/202250NUC 2012第50頁，共96頁。8/4/202251NUC 2012第51頁，共96頁。8/4/202252NUC 2012第52頁，共96頁。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，共96頁。MEMS加速度計8/4/202254NUC 2012第54頁，共96

16、頁。8/4/202255NUC 2012第55頁，共96頁。旋轉角速率傳感器8/4/202256NUC 2012第56頁，共96頁。MEMS在醫(yī)學中的應用人造器官：電子耳、電子眼、人造胰腺、人造心臟、起博器測試儀器：體溫計、血壓計、血糖計等微型手術器械：微手術鉗（刀、剪）、微手術鉆（清理血管脂肪）、微內窺鏡、微導管8/4/202257NUC 2012第57頁，共96頁。Blood Pressure8/4/202258NUC 2012第58頁，共96頁。MEMS化學傳感器陶瓷的試劑8/4/202259NUC 2012第59頁，共96頁。電子鼻美國橡樹嶺國家實驗室 8/4/202260NUC 20

17、12第60頁，共96頁。（Virtual eality）8/4/202261NUC 2012第61頁，共96頁。Ultrasonic Sensors超聲傳感器鼓膜8/4/202262NUC 2012第62頁，共96頁。MEMS在軍事領域的應用軍事領域是MEMS技術的最早應用點，對推動MEMS技術的進步起到了很大作用引信 安全、炮彈彈道修正、子母彈開倉控制、 侵徹點控制單兵攜帶雷達戰(zhàn)場毒氣檢測和救護偵察：小飛機后勤保障8/4/202263NUC 2012第63頁，共96頁。用于武器制導和個人導航的慣性導航組合用于超小型、超低功率無線通訊（RF 微米/納米和微系統(tǒng)）的機電信號處理用于軍需跟蹤、環(huán)境

18、監(jiān)控、安全勘察和無人值守分布式傳感器用于小型分析儀器、推進和燃燒控制的集成流量系統(tǒng)武器安全、保險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)據存儲器件用于敵友識別系統(tǒng)、顯示和光纖開關的集成微光學機械器件用于飛機分布式空氣動力學控制和自適應光學的主動的、共型表面。8/4/202264NUC 2012第64頁，共96頁。魚雷雷管8/4/202265NUC 2012第65頁，共96頁。8/4/202266NUC 2012第66頁，共96頁。聲電子學混合傳感器陣列8/4/202267NUC 2012第67頁，共96頁。多色儀化學遙感分光計衍射光柵8/4/202268NUC 20

19、12第68頁，共96頁。軍需品8/4/202269NUC 2012第69頁，共96頁。微型飛行器“微星”，海軍陸戰(zhàn)隊士兵可以通過便攜式電腦的畫面，操縱“微星”偵察機，可偵察前方5km的情況8/4/202270NUC 2012第70頁，共96頁。微型飛行器8/4/202271NUC 2012第71頁，共96頁。利用昆蟲攜帶傳感器 機器昆蟲 8/4/202272NUC 2012第72頁，共96頁。微型芯片火箭 在6mm4mm芯片上制造出15只火箭，并在10cm2的芯片上設計了1000萬只火箭 8/4/202273NUC 2012第73頁，共96頁。機器人阿蒂拉”型機器人 50cm仿人機器人（東京大

20、學） 美國麻省理工學院研制的“阿蒂拉”型機器人重1.6kg，有32臺電機，10個微處理器和150個傳感器，并帶有一臺微型攝象機 8/4/202274NUC 2012第74頁，共96頁。2001年，美國IEC公司研制的MIMU在155mm火炮發(fā)射 8/4/202275NUC 2012第75頁，共96頁。信息領域全光通信網：光開關和開關陣列、光可變衰減器、光無源互連耦合器、可調濾波器、光相干探測器、光功率限幅器、微透鏡、光交叉連接器OXC、光分插復用器OADM和波分復用器無線電話； MEMS電容、電感、傳輸線、RF MEMS濾波器、RF MEMS振蕩器、MEMS移相器、微波收發(fā)機MEMS集成化射頻

21、前端計算機；攝像頭、鼠標投影儀、噴墨打印機數(shù)據存儲8/4/202276NUC 2012第76頁，共96頁。數(shù)字彩色投影顯示數(shù)字微鏡芯片（DMD）可以對光進行數(shù)字化調理，在不同的光照環(huán)境，最真實地投影圖像。8/4/202277NUC 2012第77頁，共96頁。 原子(微粒子)成像原理使存儲容量遠大于傳統(tǒng)的磁和光原理存儲。8/4/202278NUC 2012第78頁，共96頁。航空、航天航空：改進飛機性能、保證飛機安全舒適、減少躁聲航天：天際信息網、微重力測量8/4/202279NUC 2012第79頁，共96頁?；糜皯?zhàn)斗機8/4/202280NUC 2012第80頁，共96頁。噴氣發(fā)動機鎳 管

22、火焰檢測8/4/202281NUC 2012第81頁，共96頁。8/4/202282NUC 2012第82頁，共96頁。皮(p)衛(wèi)星 2000年2月用30m連接的兩個皮衛(wèi)星從母船上投放。2000年1月第一個皮衛(wèi)星發(fā)射。驗證了30m距離內的跟蹤和通信。8/4/202283NUC 2012第83頁，共96頁。8/4/202284NUC 2012第84頁，共96頁。環(huán)境保護無人值守大氣環(huán)境監(jiān)測網高速公路環(huán)境監(jiān)測網消費類、玩具消費類電器模糊控制：攝象機、洗衣機虛擬現(xiàn)實目鏡、游戲棒、智能玩具8/4/202285NUC 2012第85頁，共96頁。其它應用8/4/202286NUC 2012第86頁，共9

23、6頁。微型馬達納米馬達分子馬達8/4/202287NUC 2012第87頁，共96頁。ATP納米馬達的可能應用一種超微型的生化酶分類器未分類的分子分類的分子一種超微型的ATP生化酶流量計8/4/202288NUC 2012第88頁，共96頁。納米電動機有望制造出納米級的光學振蕩器 美國加利福尼亞大學的研究人員已制造出迄今為止最小的合成電動機，它由裝在510nm厚的碳元素納米管軸上的長度不足300nm的金質轉子組成。這種微型電動機可在光學電路中用于改變光路，或迅速地來回旋轉以形成一個微波振蕩器。金質轉子在一個由排布在硅表面的兩個充電定子來驅動的碳納米管軸上旋轉8/4/202289NUC 2012第89頁，共96頁。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