先进制造技术__微机电系统

微机电系统(MEMS)Micro-Electro-MechanicalSystems一、MEMS技术的历史微系统是从微传感器发展而来的，已有几次突破性的进展70年代微机械压力传感器产品问世80年代末研制出硅静电微马达90年代喷墨打印头，硬盘读写头、硅加速度计和数字微镜器件等相继规模化生产充分展示了微系统技术及其微系统的巨大应用前景F微电子压力传感器利用了硅的三微结构与机械特性聚合物薄膜硅压敏电阻器吸湿膨胀微电子湿度传感器真空微电子平板显示器硅Si基体硅尖锥玻璃荧光粉电子电场发光利用了硅的三微结构与机械加工特性二、引言信息系统微型化系统体积大大减小性能、可靠性大幅度上升功耗和价格大幅度降低信息系统的目标：微型化和集成化微电子解决电子系统的微型化非电子系统成为整个系统进一步缩小的关键机械部分传感执行控制部分电子学MEMS微电子学三、MEMS概念从广义上讲，MEMS是指集微型传感器、微型执行器、信号处理和控制电路、接口电路、通信系统以及电源于一体的微型机电系统非纯电路装置FabricationofSiliconTipsforScanningProbeMicroscopyFabricationofSiliconTipsforScanningProbeMicroscopy硅微尖锥硅微齿轮弧形梳齿静电硅微转子硅微槽硅微梁硅微梁硅微转动器硅微拖动器硅微桥硅微桥硅微琴已经制造出尖端直径为5m的可以夹起一个红细胞的微型镊子可以用于医疗手术硅微型镊子四、MEMS制造工艺硅MEMS工艺（1）化学腐蚀Highaspectratio60umtrenchSTSDeepRIEsystematFID（2）反应离子刻蚀（3）LIGA工艺Lithograpie(光刻)、Galvanoformung(电铸)、Abformung(塑铸)德国为代表主要用于金属微结构器件的形成LIGA工艺模具五、MEMS的分类微执行器：微马达、微齿轮、微泵、微阀门、微开关、微喷射器、微扬声器、微谐振器等微型构件：微膜、微梁、微探针、微齿轮、微弹簧、微腔、微沟道、微锥体、微轴、微连杆等微机械光学器件：微镜阵列、微光扫描器、微光阀、微斩光器、微干涉仪、微光开关、微可变焦透镜、微外腔激光器、光编码器等MEMS在航空、航天、汽车、生物医学、环境监控、军事以及几乎人们接触到的所有领域中都有着十分广阔的应用前景六、MEMS技术的应用空间应用用作运行参数测量的微加速度计已进行了地面辐照实验，正在进行飞行搭载实验微陀螺、微推进和微喷管等微系统基础研究通信方面光通信正在向有光交换功能的全光通信网络方向发展无线通信则要求增强功能（如联网等）和减小功耗。包括美国朗讯公司在内的一些公司和大学正在研究全光通信网用的微系统及无线通信用射频微系统1、微传感器：机械类：力学、力矩、加速度、速度、角速度(陀螺)、位置、流量传感器磁学类：磁通计、磁场计热学类：温度计化学类：气体成分、湿度、PH值和离子浓度传感器生物学类：DNA芯片电容式微加速度计微惯性传感器及微型惯性测量组合能应用于制导、卫星控制、汽车自动驾驶、汽车防撞气囊、汽车防抱死系统(ABS)、稳定控制和玩具。静电旋转马达2、微马达线性马达美国提出的硅固态卫星的概念图，这个卫星除了蓄电池外，全由硅片构成，直径仅15cm3、光通信MEMS器件定义OpticalTransducers，MOEMS,OpticalMEMS分类传统的光传感器、转换器光传感、成像、发光器件（光电子）微机械光学器件：微镜阵列、微光扫描器、微光阀、微斩光器、微干涉仪、微光开关、微可变焦透镜、微外腔激光器、光编码器等(1)可转动的硅微镜数字镜面显示（DMD）可转动的硅微镜微镜的驱动方式MirrorSupportStructureSubstrateHingesTorsionHinges1stDOF2ndDOFForce-redirectingLinkage（a）微马达驱动改变反射方向（b）静电驱动-++++++++-++（c）磁力驱动（d）热驱动MEMS微镜的应用全光通信中的光交换开关平板显示器DMD——应用光交换开关微机械1X2光开关微机械1X8光开关可转动的硅微镜可转动的硅微镜入射光纤出射光纤二维光交换开关(2)光纤固定结构V形槽各种卡紧结构美国喷气推进实验室(JPL)展示的采用MEMS技术的电阻电热式微推进器样机（液体气化方式）。微推进器由薄膜加热器、微型喷口等组成。其性能目标为：比冲75～125s，推力0.5mN，功率5W，效率≥50%，质量为几克，大小为1cm2。4、微推进器美国喷气推进实验室(JPL)展示的采用MEMS技术的电阻电热式微推进器样机(固体升华方式)。微推进器由推进剂出贮箱、微阀、微过滤器、微型喷口等组成，微型喷口利用MEMS技术中的体硅工艺制作。其性能目标为：比冲50～75s，推力0.5mN，功率2W/mN，质量为几克，大小为1cm2。微推进器MEMS技术及其产品的增长速度非常之高，并且目前正处在加速发展时期七、微机电系统的设计技术MEMS用批量化的微电子技术制造出尺寸与集成电路大小相当的非电子系统，实现电子系统和非电子系统的一体化集成从根本上解决信息系统的微型化问题实现许多以前无法实现的功能今天的MEMS与40年前的集成电路类似，MEMS对未来的社会发展将会产生什么影响目前还难以预料，但它是21世纪初一个新的产业增长点，则是无可质疑的研究领域理论基础：随着MEMS尺寸的缩小，有些宏观的物理特性发生了改变，很多原来的理论基础都会发生变化，如力的尺寸效应、微结构的表面效应、微观摩擦机理等等，微动力学微流体力学微热力学微摩擦学微光学微结构学研究领域技术基础：设计、工艺加工(高深宽比多层微结构)、微装配工艺、微系统的测量等。应用研究：如何应用这些MEMS系统也是一门非常重要的学问。人们不仅要开发各种制造MEMS的技术，更重要的是如何将MEMS器件用于实际系统，并从中受益。