微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)的學(xué)習(xí)

微機(jī)電系統(tǒng)Micro-Electro-MechanicalSystems?

.?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)鍵引?信息系統(tǒng)微型化?.言機(jī)械部分傳感執(zhí)行控制部分電子學(xué)微電子學(xué)?.MEMS?.4??.

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?不是鋼鐵、汽車、微電子,而是微系統(tǒng)??.6ADI公司生產(chǎn)的微

加速度機(jī)

MEMS芯片?.MEMS技術(shù)的應(yīng)用?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5m的可以夾起一個(gè)紅細(xì)胞的微型鑷子,可以在磁場中飛行的象蝴蝶大小的飛機(jī)等??.8MEMS技術(shù)的應(yīng)用?空間應(yīng)用?用作運(yùn)行參數(shù)測量的微加速度計(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)??.9MEMS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,為醫(yī)生甚至家庭提供簡單、廉價(jià)、準(zhǔn)確和快捷的檢測手段?光顯示、高密度存儲(chǔ)、汽車、國防等微系統(tǒng)?.0美國提出的硅固態(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),直徑僅15cm1MEMS技術(shù)的應(yīng)用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?.2MEMS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)增長點(diǎn),則是無可質(zhì)疑的?.3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)?.4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。?.5MEMS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?.6MEMS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??.17MEMS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。主要包括場發(fā)射顯示器、場發(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?.8MEMS制造工藝?.9國防

、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-

140億美元市場相關(guān)市場達(dá)1000億美元2年后市場將迅速成長分子和原子級(jí)加工MEMS

從頂層向下大機(jī)器加工小機(jī)器,小機(jī)器加工微機(jī)器?

從底層向上.用微電子加

工技術(shù)MEMS系統(tǒng)X光鑄模+壓塑技術(shù)(LIGA)微機(jī)械微系統(tǒng)0MEMS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?美國為代表??.21LIGA工藝2?.硅MEMS工藝?化學(xué)腐蝕?高深寬比深槽刻蝕?鍵合?.3體硅工藝?.4?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表面犧牲層工藝.先加工機(jī)械結(jié)構(gòu),再加工電5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)?幾種重要的MEMS器件?.6MEMS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?.7慣性器件?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)?.8慣性器件?.9電容式微加速度計(jì)??.30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?1.?光傳感方式?成像系統(tǒng)(Imager)?CCD?CMOS?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)器傳統(tǒng)的光傳感器??.32?.

3?發(fā)光器件?場發(fā)射（FEDs）?未來的顯示設(shè)備(FPD)?新器件?微鏡——

組件SupportStructureSubstrate

Hinges1st

DOFForce-redirecting

LinkageTorsion

HingesMirror2nd

DOF4.新器件——

組件?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)?.3?5?微光學(xué)工作臺(tái)（Micro

Optical

Bench）微光學(xué)系統(tǒng)??.36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??.37DMD——應(yīng)用??.38DMD——應(yīng)用?.9微機(jī)械1X8光開關(guān)?光開關(guān)微機(jī)械1X4光開關(guān)?.40微機(jī)械2

2光開關(guān)

微機(jī)械2

2光開關(guān)光開關(guān)?.1?V形槽?各種卡緊結(jié)構(gòu)光纖固定結(jié)構(gòu)?.42?光柵及光柵光譜儀?原理?不同類型的光柵?.43??.4?4新器件——

組件?線性馬達(dá)??.45靜?弧形梳齒?原理?應(yīng)用電?.4?6靜電?旋轉(zhuǎn)馬達(dá)?原理.7?美國噴氣推進(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?.8美國噴氣推進(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?克，大小為1cm2。9微推進(jìn)器美國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