《微機電系統(tǒng)概論》課件

微機電系統(tǒng)概論微機電系統(tǒng)（MEMS）是指將機械部件、傳感器、執(zhí)行器和電子電路集成在一個微型芯片上的系統(tǒng)。MEMS技術(shù)的出現(xiàn)開創(chuàng)了微型化、智能化的新紀(jì)元，為各個領(lǐng)域帶來了革命性的變化。什么是微機電系統(tǒng)（MEMS）1微型機械MEMS是指將微米級機械結(jié)構(gòu)、傳感器、執(zhí)行器、電子電路集成到一塊微芯片上，是微電子技術(shù)與微機械技術(shù)的交叉融合。2多學(xué)科交叉MEMS涉及機械工程、電子工程、材料科學(xué)、化學(xué)、物理等多個學(xué)科，具有高度的跨學(xué)科性。3應(yīng)用廣泛MEMS技術(shù)應(yīng)用于各種領(lǐng)域，包括智能手機、汽車、醫(yī)療、航空航天、環(huán)境監(jiān)測等。MEMS的發(fā)展歷程1早期萌芽20世紀(jì)60年代，集成電路技術(shù)迅速發(fā)展，為MEMS的誕生奠定了基礎(chǔ)。2技術(shù)突破20世紀(jì)80年代，MEMS技術(shù)取得重大突破，應(yīng)用于軍事、航空等領(lǐng)域。3產(chǎn)業(yè)化發(fā)展20世紀(jì)90年代以來，MEMS技術(shù)進入快速發(fā)展階段，廣泛應(yīng)用于消費電子、汽車等領(lǐng)域。MEMS的應(yīng)用領(lǐng)域汽車行業(yè)MEMS傳感器用于汽車安全系統(tǒng)，例如防抱死制動系統(tǒng)(ABS)和電子穩(wěn)定程序(ESP)。醫(yī)療保健MEMS傳感器用于各種醫(yī)療設(shè)備，包括心臟起搏器、人工耳蝸和血糖監(jiān)測儀。消費電子智能手機、平板電腦和筆記本電腦等消費電子產(chǎn)品廣泛使用MEMS傳感器，例如加速計、陀螺儀和壓力傳感器。工業(yè)自動化MEMS技術(shù)在工業(yè)自動化中應(yīng)用廣泛，例如用于機器視覺、過程控制和機器人技術(shù)。MEMS器件的基本結(jié)構(gòu)微機電系統(tǒng)器件通常由傳感器、執(zhí)行器、控制電路和信號處理電路等組成。傳感器負責(zé)將物理量轉(zhuǎn)化為電信號，例如壓力、溫度、加速度等。執(zhí)行器負責(zé)將電信號轉(zhuǎn)化為機械運動，例如微型馬達、微型開關(guān)等?？刂齐娐泛托盘柼幚黼娐坟撠?zé)對傳感器信號進行處理，并控制執(zhí)行器。MEMS器件的基本原理微型化MEMS器件尺寸微小，通常在微米或納米級別，可實現(xiàn)高集成度和小型化設(shè)計。表面力利用表面張力、靜電力、范德華力等表面力來驅(qū)動或控制微型結(jié)構(gòu)的運動。材料特性硅、聚合物等材料具有優(yōu)異的機械性能、電學(xué)性能和熱學(xué)性能，滿足MEMS器件的要求。微加工技術(shù)利用光刻、刻蝕、薄膜沉積等微加工技術(shù)制造MEMS器件，實現(xiàn)精密的結(jié)構(gòu)和功能。MEMS器件的制造工藝1設(shè)計設(shè)計MEMS器件，確定尺寸和功能。2微加工利用各種微加工技術(shù)制備MEMS器件。3封裝將MEMS器件封裝保護，并與外部電路連接。4測試測試MEMS器件的性能和可靠性。MEMS器件的制造工藝涉及多個步驟，包括設(shè)計、微加工、封裝和測試。常見的MEMS傳感器壓力傳感器廣泛應(yīng)用于汽車安全氣囊、醫(yī)療血壓監(jiān)測、氣象預(yù)報等領(lǐng)域。加速度傳感器應(yīng)用于手機、游戲手柄、電子羅盤、汽車碰撞檢測等。陀螺儀傳感器應(yīng)用于無人機、虛擬現(xiàn)實、穩(wěn)定平臺、導(dǎo)航系統(tǒng)等。溫度傳感器應(yīng)用于汽車發(fā)動機管理、工業(yè)過程控制、醫(yī)療設(shè)備等領(lǐng)域。壓力傳感器壓力傳感器芯片壓力傳感器芯片包含敏感元件、信號處理電路和轉(zhuǎn)換電路，將壓力信號轉(zhuǎn)換為電信號。汽車應(yīng)用汽車中應(yīng)用廣泛，包括輪胎壓力監(jiān)測、發(fā)動機管理、制動系統(tǒng)等。醫(yī)療設(shè)備應(yīng)用醫(yī)療設(shè)備中的血壓監(jiān)測、呼吸監(jiān)測、藥物輸送等應(yīng)用。工業(yè)自動化工業(yè)自動化領(lǐng)域，例如液壓系統(tǒng)、氣動系統(tǒng)、過程控制等。加速度傳感器加速度傳感器，又稱加速度計，是一種能夠測量加速度的傳感器。它可以測量物體在三個方向上的加速度，包括水平方向、垂直方向和前后方向。工作原理加速度傳感器的工作原理基于牛頓第二定律，即力等于質(zhì)量乘以加速度。加速度傳感器通常使用微機械結(jié)構(gòu)，例如懸臂梁或振動梁，這些結(jié)構(gòu)在受到加速度時會發(fā)生形變，這種形變可以通過傳感器內(nèi)部的應(yīng)變計或電容傳感器來檢測。陀螺儀傳感器11.角速度測量陀螺儀傳感器用于測量物體旋轉(zhuǎn)的角速度。22.慣性導(dǎo)航在沒有外部參考的情況下，陀螺儀可以確定物體的位置和方向。33.姿態(tài)控制陀螺儀傳感器在無人機、機器人和智能手機等設(shè)備中用于穩(wěn)定姿態(tài)。44.微型化發(fā)展MEMS技術(shù)使陀螺儀傳感器變得更小巧，更經(jīng)濟，更廣泛應(yīng)用于不同領(lǐng)域。溫度傳感器MEMS溫度傳感器利用硅基微加工技術(shù)，將溫度敏感元件與電路集成到一個芯片上。應(yīng)用廣泛例如，汽車發(fā)動機管理系統(tǒng)、醫(yī)療設(shè)備、工業(yè)過程控制等。常用類型熱敏電阻、熱電偶、鉑電阻等。濕度傳感器濕度傳感器應(yīng)用濕度傳感器被廣泛用于各種應(yīng)用，從環(huán)境監(jiān)測到工業(yè)控制。天氣預(yù)報農(nóng)業(yè)溫室控制家用電器工作原理這些傳感器利用材料對濕度變化的敏感性來測量濕度。電容式傳感器電阻式傳感器MEMS執(zhí)行器定義MEMS執(zhí)行器是將電能轉(zhuǎn)換為機械能的微型裝置。它們可用于執(zhí)行各種任務(wù)，例如移動、定位和控制。類型常見的MEMS執(zhí)行器類型包括微型馬達、微型開關(guān)和微噴墨打印頭。應(yīng)用MEMS執(zhí)行器在醫(yī)療設(shè)備、消費電子產(chǎn)品、汽車和航空航天等行業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。微型馬達電機類型微型馬達主要分為直流電機、交流電機和步進電機。直流電機尺寸小、效率高，適合用于小型設(shè)備。交流電機功率更大，適合用于需要更大功率的設(shè)備。應(yīng)用領(lǐng)域微型馬達廣泛應(yīng)用于電子設(shè)備、醫(yī)療器械、工業(yè)自動化等領(lǐng)域。例如，手機、相機、無人機、微型機器人等都使用微型馬達作為驅(qū)動裝置。微型開關(guān)微型開關(guān)概述微型開關(guān)是一種尺寸很小的開關(guān)，通常用于電子設(shè)備中。它們可以由多種材料制成，例如硅、金屬或塑料。微型開關(guān)類型微型開關(guān)通常分為兩種類型：機械式和非機械式。機械式微型開關(guān)使用機械部件來打開和關(guān)閉電路，而非機械式微型開關(guān)則使用其他方法，例如電磁場或壓力傳感器。工作原理微型開關(guān)的原理是通過改變開關(guān)的物理狀態(tài)來控制電流的流動。當(dāng)開關(guān)處于閉合狀態(tài)時，電流可以流過開關(guān)。當(dāng)開關(guān)處于斷開狀態(tài)時，電流將無法流過開關(guān)。微型開關(guān)應(yīng)用微型開關(guān)廣泛應(yīng)用于各種電子設(shè)備中，包括手機、筆記本電腦、汽車和工業(yè)設(shè)備。微噴墨打印頭噴墨原理微型噴嘴將墨水以精確的液滴噴射到打印介質(zhì)上，形成圖像。微型噴嘴微噴墨打印頭采用微米級尺寸的噴嘴，精確控制墨滴大小和噴射方向。集成電路集成了驅(qū)動電路和控制電路，實現(xiàn)墨滴噴射的精確控制。MEMS集成電路設(shè)計11.關(guān)鍵技術(shù)MEMS集成電路設(shè)計需要考慮器件的物理特性和工作環(huán)境，并進行優(yōu)化設(shè)計。22.設(shè)計軟件常用的MEMS設(shè)計軟件包括CadenceVirtuoso、SynopsysHSPICE、ANSYS等。33.仿真與驗證利用仿真軟件對MEMS器件進行建模、分析和驗證，確保設(shè)計方案的可行性。MEMS代設(shè)計軟件CAD軟件用于設(shè)計MEMS器件的結(jié)構(gòu)和布局，例如CoventorWare、Cadence、ANSYS.仿真軟件用于模擬MEMS器件的性能，例如COMSOL、ANSYS、MATLAB。工藝仿真軟件用于模擬MEMS器件的制造工藝，例如Sentaurus、TCAD。MEMS系統(tǒng)仿真1模型建立建立MEMS器件的幾何模型2材料特性定義材料的物理特性3邊界條件設(shè)置模擬的邊界條件4數(shù)值求解使用有限元方法進行求解MEMS系統(tǒng)仿真可以幫助工程師預(yù)測器件的性能、優(yōu)化設(shè)計、減少原型制造成本。MEMS器件可靠性可靠性測試MEMS器件的可靠性測試至關(guān)重要，以確保它們在實際應(yīng)用中能夠穩(wěn)定可靠地運行。環(huán)境測試測試包括溫度、濕度、振動、沖擊和壓力等因素，以評估器件在各種惡劣環(huán)境中的性能。壽命測試壽命測試模擬器件在長時間使用過程中的性能衰減，以評估其可靠性和使用壽命。MEMS器件包裝保護MEMS器件封裝是保護微型傳感器和執(zhí)行器不受外部環(huán)境影響的關(guān)鍵。封裝材料和結(jié)構(gòu)需要堅固耐用，防止沖擊、振動和污染。連接封裝需要提供電氣連接，使器件能夠與外部電路連接。封裝材料應(yīng)具有良好的電氣絕緣性能，防止短路或信號干擾。尺寸MEMS器件的尺寸通常很小，封裝需要設(shè)計得緊湊，以適應(yīng)各種應(yīng)用場景。封裝需要滿足特定應(yīng)用的尺寸要求。MEMS市場分析汽車消費電子醫(yī)療工業(yè)航空航天其他MEMS市場正在快速增長，預(yù)計未來幾年將持續(xù)增長。汽車、消費電子和醫(yī)療是MEMS市場的主要應(yīng)用領(lǐng)域。MEMS市場分析包含市場規(guī)模、市場份額、市場增長率、市場趨勢、市場競爭等內(nèi)容。MEMS行業(yè)發(fā)展趨勢小型化MEMS器件不斷朝著更小尺寸發(fā)展。集成化傳感器、執(zhí)行器、控制器等集成在一個芯片上。智能化與人工智能技術(shù)結(jié)合，實現(xiàn)更復(fù)雜的功能。物聯(lián)網(wǎng)MEMS器件成為物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵組成部分。MEMS在工業(yè)、醫(yī)療等領(lǐng)域的應(yīng)用工業(yè)應(yīng)用MEMS傳感器廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動化領(lǐng)域，例如監(jiān)測機器設(shè)備的運行狀態(tài)，提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本。MEMS執(zhí)行器也應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)過程，例如微型閥門、微型泵等，實現(xiàn)精準(zhǔn)控制，提高生產(chǎn)精度。醫(yī)療應(yīng)用MEMS傳感器在醫(yī)療診斷和治療中發(fā)揮著越來越重要的作用，例如血壓監(jiān)測、血糖監(jiān)測、心電圖監(jiān)測等。MEMS執(zhí)行器也被用于醫(yī)療器械的微型化和智能化，例如微型注射器、微型手術(shù)器械等，提高醫(yī)療效率，改善患者體驗。MEMS在消費電子領(lǐng)域的應(yīng)用1智能手機MEMS傳感器廣泛應(yīng)用于智能手機中，包括加速度傳感器、陀螺儀傳感器、壓力傳感器等，實現(xiàn)手機的姿態(tài)感知、運動檢測、觸控功能等。2可穿戴設(shè)備MEMS傳感器為智能手表、智能手環(huán)等可穿戴設(shè)備提供了心率監(jiān)測、運動追蹤等功能，提升了用戶健康管理體驗。3游戲機MEMS傳感器在游戲機中實現(xiàn)體感操控功能，增強游戲互動性和沉浸感，例如任天堂的Wii游戲機和索尼的PSMove體感控制器。4虛擬現(xiàn)實/增強現(xiàn)實MEMS傳感器為VR/AR設(shè)備提供更精準(zhǔn)的頭部追蹤和空間定位功能，提升用戶體驗，豐富應(yīng)用場景。MEMS在航天領(lǐng)域的應(yīng)用導(dǎo)航與控制MEMS傳感器應(yīng)用于航天器姿態(tài)控制系統(tǒng)，提供準(zhǔn)確的姿態(tài)信息。MEMS加速度計和陀螺儀幫助航天器進行精確的軌道調(diào)整和姿態(tài)控制，提高航天器飛行安全性和穩(wěn)定性。環(huán)境監(jiān)測MEMS傳感器用于監(jiān)測航天器周圍環(huán)境，如溫度、壓力、濕度等。MEMS傳感器還可監(jiān)測航天器內(nèi)部環(huán)境，保障航天員安全。MEMS在國防領(lǐng)域的應(yīng)用武器系統(tǒng)MEMS傳感器，如加速度計和陀螺儀，用于提高武器的精度和穩(wěn)定性。無人機小型MEMS傳感器，用于小型無人機的導(dǎo)航、姿態(tài)控制和目標(biāo)識別。通信和偵察MEMS傳感器用于開發(fā)小型、輕便、低功耗的通信和偵察設(shè)備。防御系統(tǒng)MEMS傳感器用于開發(fā)用于爆炸物檢測、化學(xué)武器識別和敵方目標(biāo)跟蹤的防御系統(tǒng)。MEMS未來發(fā)展展望納米技術(shù)集成納米技術(shù)的進步將推動MEMS器件向更小的尺寸發(fā)展，提升性能和功能。人工智能結(jié)合AI技術(shù)將增強MEMS的智能化，實現(xiàn)更復(fù)雜的功能和自主控制。物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用MEMS將成為物聯(lián)網(wǎng)的核心組成部分，為智能感知和控制提供關(guān)鍵支持。生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域MEMS在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域?qū)l(fā)揮重要作用，推動醫(yī)療診斷