MEMS技术(1概述)-王文廉

微机电系统技术基础王文廉2019/10/5NUC20122课程内容微机电系统概述微系统的工作原理用于MEMS和微系统的材料微系统加工工艺传感器、致动器微制造综述微系统设计2019/10/5NUC20123第一章微机电系统概述主要内容：微机电系统基本概念及特点。微机电系统的历史、发展与前景。微机电系统的主要特征。微机电系统的器件、系统和应用领域。2019/10/5NUC20124微观世界光学显微镜电子显微镜2019/10/5NUC20125微机电系统基本概念及特点分子的隔膜2019/10/5NUC20126微机电系统基本概念及特点批量生产2019/10/5NUC20127什么是MEMS微机电系统（MicorElectro—MechanicalSystems,MEMS）是在微电子技术的基础上发展起来的，融合了硅微加工、LIGA技术和精密机械加工等多种微加工技术，并应用现代信息技术构成的微型系统。它包括感知和控制外界信息(力、热、光、生、磁、化等)的传感器和执行器，以及进行信号处理和控制的电路。2019/10/5NUC20128各个国家不同的定义美国：微型机电系统MEMS:Microelectromechanicalsystem日本：微机械Micromachine欧洲：微系统Microsystem2019/10/5NUC20129从国际上开发MEMS的情况看，美国侧重在微电子技术的基础上，通过微芯片取得制造工艺的突破；日本则侧重从机械加工工艺实现微机械的制造，强调通过非光刻的传统机械线实现机械微型化，是一条用大机器制造小机器，用小机器造微机器的途径；德国的特色是在LIGA工艺的应用上取得进展。这些国家的加工工艺各有特色，但均取得显著成效。总体来看，目前美国和日本处于微米/纳米技术技术领先地位。我们应在利用国外各种微加工工艺的基础上努力创新。2019/10/5NUC201210什么是微型机电系统传感器模拟信号处理器数字信号处理器模拟信号处理器执行器信息处理单元通讯/接口单元光光/电/磁其它化学声运动能量压力温度信息其它感测量控制量2019/10/5NUC201211MEMS中的核心元件一般包含两类：一个传感或致动元件和一个信号传输单元。下图说明了在传感器中两类元件的功能关系。2019/10/5NUC201212说明了致动元件和信号传输单元之间的功能关系。传输单元将输入能量转换成为传感器的电压等形式，执行致动元件的功能。2019/10/5NUC2012132019/10/5NUC201214MEMS器件和MEMS系统清华一号美国提出的硅固态卫星,直径仅15cm(50kg,0.07m3)清华大学联合英国萨瑞大学研制一只蚂蚁和微齿轮2019/10/5NUC201215第一章微机电系统概述主要内容：微机电系统基本概念及特点。微机电系统的历史、发展与前景。微机电系统的主要特征。微机电系统的器件、系统和应用领域。2019/10/5NUC201216MEMS发展历史回顾1750s：第一个静电发电机由本杰明.富兰克林和安德鲁戈登发明；1822年发现了半导体硅；1927年：申请了场效应晶体管的专利1947年：发明锗晶体管--技术基础1954年：Smith,C.S.,“在锗和硅中的压电效应”，PhysicalReview,94.1,April1954.2019/10/5NUC201217MEMS发展历史回顾应变仪2019/10/5NUC201218MEMS发展历史回顾1958年：硅应变仪得到商业应用；1959年：Feynman的报告“Thereisplentyofroomatthebottom”.1961年：第一个硅压力传感器研制成功2019/10/5NUC201219MEMS发展历史回顾1967年：发明了表面微机械加工技术；1970年：第一个硅微加速度计演示成功；1977年：第一个整体式电容式压力传感器；1988年：美国加州大学伯克利分校研制的静电微电机，标志着MEMS时代的到来；1995年：开始了Bio-MEMS的研究；图伯克利分校研制的微电机2019/10/5NUC201220MEMS的发展硅微传感器阶段1963年日本丰田研究中心制作出硅微压力传感器。1982年美国IBM和UCBerkeley研制了集成电容式加速度计。硅微致动器阶段1987年UCBerkeley研制出转子直径为60~120m的硅微静电电机。传感器市场化阶段1993年美国AnalogDevices开始生产集成加速度传感器，开始在汽车行业大量应用。系统研究阶段20世纪90年代末，开始微型飞行器、微型卫星、微型机器人等研究。2019/10/5NUC201221国内MEMS的发展20世纪90年代初清华大学等高校开始研究。目前有100个左右的研究小组从事本领域研究研究主要领域包括硅微传感器、硅微致动器、硅微加工技术、微系统等领域。主要加工基地有信息产业部电子13所，北大微电子所，清华大学微电子所，上海交通大学和上海冶金所等。2019/10/5NUC201222MEMS的产业化及市场前景估计2000年MEMS的市场为470亿美圆2019/10/5NUC201223当前市场上存在的MEMS产品喷墨打印头汽车安全气囊用加速度传感器游戏杆用加速度传感器压力传感器微型控制阀微型磁强计2019/10/5NUC201224MEMS下一步的主要研究内容光学MEMS（OpticalMEMS）生物MEMS（Bio-MEMS）量子加密和计算（Quantumencryptingandcomputing）2019/10/5NUC201225第一章微机电系统概述主要内容：微机电系统基本概念及特点。微机电系统的历史、发展与前景。微机电系统的主要特征。微机电系统的器件、系统和应用领域。2019/10/5NUC201226MEMS器件的主要特征工程技术上说大批量生产(低成本)小尺寸(新的应用)性能(改善)2019/10/5NUC201227MEMS器件的主要特征尺寸微小是微机电系统的基本特征力的尺寸效应在微小尺寸领域，与特征尺寸L的高次方成比例的惯性力、电磁力（L3）等的作用相应减小，而与尺寸的低次方成比例的粘性力、弹性力（L2）、表面张力（L1）、静电力（L0）等的作用相对增大，这也是MEMS常用静电力致动的理由。2019/10/5NUC201228MEMS器件的主要特征表面效应随着尺寸的减小，表面积（L2）与体积（L3）之比相对增大，因而热传导、化学反应等加速，表面间的磨擦阻力显著增大。2019/10/5NUC201229MEMS器件的主要特征误差影响对于微小构件，制造误差与构件尺寸之比相对增大；同时，由于微型机械往往是一次加工成型，一般不进行安装高度和修正，这样，微机构的运动特性受制造误差的影响较大。再加上弹性变形等的影响，使得运动精确度成为微机构研究的关键问题。2019/10/5NUC201230MEMS器件的主要特征材料的尺寸效应构件尺寸减小，材料内部缺陷减少，材料的机械强度显著增加。微构件的弹性模量、摘拉强度、断裂韧性、疲劳强度以及残余应力等均与大构件的不同，而且有些表征材料性能的物理理需要重新定义，等等。2019/10/5NUC201231MEMS器件的主要特征器件微型化、集成化、尺寸达到纳米数量级；功能多样化、智能化；功能特殊性；能耗低、灵敏度高、工作效率高2019/10/5NUC201232第一章微机电系统概述主要内容：微机电系统基本概念及特点。微机电系统的历史、发展与前景。微机电系统的主要特征。微机电系统的器件、系统和应用领域。2019/10/5NUC201233典型MEMS器件—硅微马达器2019/10/5NUC201234典型MEMS器件—硅微惯性传感器2019/10/5NUC201235典型MEMS器件——光开关体积小、重量轻、波长透明、插损和串扰小、开关时间短、功耗小、成本低2019/10/5NUC201236典型MEMS器件——微流体器件泵腔硅硅出口入口阀阀双金属膜2019/10/5NUC201237典型MEMS器件——微型喷2019/10/5NUC201238典型MEMS器件——微电源锂三硝基甲苯甲烷燃料电池温差电池，热电发生器2019/10/5NUC201239典型MEMS器件——微夹钳2019/10/5NUC201240典型MEMS系统——微型机器人2019/10/5NUC201241典型MEMS系统——微汽车车长4.8mm车速10mm/s2019/10/5NUC201242红外传感器瑞士洛桑理工2019/10/5NUC201243名古屋大学2019/10/5NUC2012442019/10/5NUC201245典型MEMS系统——生化分析系统用于生物化学化验的集成微流体系统微型阀有免疫传感器的生物过滤器有树形分子的磁珠2019/10/5NUC201246典型MEMS系统——微型飞行器2019/10/5NUC201247MEMS应用领域汽车用传感器惯性、压力、磁场传感器生物、医学传感器（器械）化学传感器光开关微泵、微引擎、微开关光通讯器件执行器2019/10/5NUC2012482019/10/5NUC201249汽车工业每部汽车内可安装30余个传感器：气囊，压力、温度、湿度、气体等微喷嘴智能汽车控制系统2019/10/5NUC201250MEMS的应用2019/10/5NUC2012512019/10/5NUC2012522019/10/5NUC201253Thisimagedepictsamirrorsystemmovedbyasmallrotatinggear用微小齿轮控制的微镜系统2019/10/5NUC201254MEMS加速度计2019/10/5NUC2012552019/10/5NUC201256旋转角速率传感器2019/10/5NUC201257MEMS在医学中的应用人造器官：电子耳、电子眼、人造胰腺、人造心脏、起博器测试仪器：体温计、血压计、血糖计等微型手术器械：微手术钳（刀、剪）、微手术钻（清理血管脂肪）、微内窥镜、微导管2019/10/5NUC201258BloodPressure2019/10/5NUC201259MEMS化学传感器陶瓷的试剂2019/10/5NUC201260电子鼻美国橡树岭国家实验室2019/10/5NUC201261ＶＲ（VirtualＲeality）2019/10/5NUC201262UltrasonicSensors超声传感器鼓膜2019/10/5NUC201263MEMS在军事领域的应用军事领域是MEMS技术的最早应用点，对推动MEMS技术的进步起到了很大作用引信安全、炮弹弹道修正、子母弹开仓控制、侵彻点控制单兵携带雷达战场毒气检测和救护侦察：小飞机后勤保障2019/10/5NUC201264用于武器制导和个人导航的惯性导航组合用于超小型、超低功率无线通讯（RF微米/纳米和微系统）的机电信号处理用于军需跟踪、环境监控、安全勘察和无人值守分布式传感器用于小型分析仪器、推进和燃烧控制的集成流量系统武器安全、保险和引信用于有条件保养的嵌入式传感器和执行器用于高密度、低功耗的大量数据存储器件用于敌友识别系统、显示和光纤开关的集成微光学机械器件用于飞机分布式空气动力学控制和自适应光学的主动的、共型表面。2019/10/5NUC201265鱼雷雷管2019/10/5NUC2012662019/10/5NUC201267声电子学混合传感器阵列2019/10/5NUC201268多色仪化学遥感分光计衍射光栅2019/10/5NUC201269军需品2019/10/5NUC201270微型飞行器“微星”，海军陆战队士兵可以通过便携式电脑的画面，操纵“微星”侦察机，可侦察前方5km的情况2019/10/5NUC201271微型飞行器2019/10/5NUC201272利用昆虫携带传感器机器昆虫2019/10/5NUC201273微型芯片火箭在6mm×4mm芯片上制造出15只火箭，并在10cm2的芯片上设计了1