博士生课(MEMS)

微机电系统Micro-Electro-MechanicalSystems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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MEMS技术MEMS技术一般意义上的系统集成芯片广义上的系统集成芯片电、光、声、热、磁力等外界信号的采集—各种传感器执行器、显示器等信息输入与模/数传输信息处理信息输出与数/模转换信息存储MEMS技术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MEMS技术是一种多学科交叉的前沿性领域，它几乎涉及到自然及工程科学的所有领域，如电子、机械、光学、物理学、化学、生物医学、材料科学、能源科学等MEMS—微小型、智能、集成、高可靠MEMS是人类科技发展过程一次重大的技术整合微电子技术、精密加工技术、传感器技术、执行器技术微小型化、智能化、集成化、高可靠性MEMS能够完成真正意义上的微小型系统集成在芯片上实现了力、热、磁、化学到电的转变MEMS极大地改善了人类生活的质量大批量、低成本的传感器生产方式给人们更多的保护MEMS将会带动一个充满活力的产业迅速成长不是钢铁、汽车、微电子，而是微系统ADI公司生产的微加速度机MEMS芯片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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微流量系统和微分析仪可用于微推进、伤员救护MEMS系统还可以用于医疗、高密度存储和显示、光谱分析、信息采集等等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，可以在磁场中飞行的象蝴蝶大小的飞机等MEMS技术的应用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MEMS技术的应用在生物医学方面，将光、机、电、液、生化等部件集成在一起，构成一个微型芯片实验室，用于临床医学检测，为医生甚至家庭提供简单、廉价、准确和快捷的检测手段光显示、高密度存储、汽车、国防等微系统MEMS技术的应用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15cmMEMS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MEMS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。MEMS的分类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的分类真空微电子器件：它是微电子技术、MEMS技术和真空电子学发展的产物，具有极快的开关速度、非常好的抗辐照能力和极佳的温度特性。主要包括场发射显示器、场发射照明器件、真空微电子毫米波器件、真空微电子传感器等电力电子器件：包括利用MEMS技术制作的垂直导电型MOS(VMOS)器件、V型槽垂直导电型MOS(VVMOS)器件等各类高压大电流器件MEMS制造工艺大机器加工小机器，小机器加工微机器微机械用微电子加工技术MEMS系统X光铸模+压塑技术(LIGA)从顶层向下从底层向上分子和原子级加工国防、航空航天、生物医学、环境监控、汽车都有广泛应用。2000年有120-140亿美元市场相关市场达1000亿美元2年后市场将迅速成长MEMS微系统晶片键合MEMS制造工艺大机械制造小机械，小机械制造微机械日本为代表LIGA工艺Lithograpie(光刻)、Galvanoformung(电铸)Abformung(塑铸)德国为代表硅微机械加工工艺：体硅工艺和表面牺牲层工艺美国为代表LIGA工艺硅MEMS工艺化学腐蚀高深宽比深槽刻蚀键合体硅工艺表面牺牲层工艺表面牺牲层与CMOS工艺集成结构单独制造，灵活性较大灵敏度高、寄生小、体积小简化封装和组装，可靠性高加工工艺复杂，成品率较低工艺兼容的材料种类较少电路工艺与结构加工工艺交替进行先加工电路，后加工结构先加工机械结构，再加工电路几种重要的MEMS器件MEMS器件惯性MEMS器件加速度计陀螺压力传感器光学MEMS器件微光开关微光学平台微执行器微喷微马达生物MEMS器件其它加速度计压阻式加速度计电容式加速度计压电式加速度计惯性器件三种加速度计的特性比较技术指标电容式压电式压阻式阻抗高高低电负载影响非常大大小尺寸大小中等温度范围非常宽宽中等线形度误差高中等低直流响应有无有交流响应宽宽稍宽有无阻尼有无有灵敏度高中等中等冲击造成的零位漂移无有无旋转或无需校准功能有无有电路复杂程度高中等低成本高高低交叉轴敏感度主要取决于机械设计，而非转导作用惯性器件电容式微加速度计光学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）利用光进行传感的器件位置传感器、光谱仪、DNA芯片利用微机械加工方法形成的器件传统器件的新生命新型器件传统的光传感器光传感方式成像系统(Imager)CCDCMOS发光系统LED半导体激光器等离子生物发光光调节器发光器件场发射（FEDs）未来的显示设备(FPD)新器件——组件微镜MirrorSupportStructureSubstrateHingesTorsionHinges1stDOF2ndDOFForce-redirectingLinkage各种光学元器件透镜、波带片、滤波器、光栅及各种致动机构新器件——组件微光学系统微光学工作台（MicroOpticalBench）微型显示阵列（光调制器）数字镜面显示（DMD）原理改变反射方向DMD——应用DMD——应用光开关微机械1X4光开关微机械1X8光开关微机械22光开关微机械24光开关光开关光纤固定结构V形槽各种卡紧结构光栅及光栅光谱仪原理不同类型的光栅新器件——组件线性马达弧形梳齿原理应用静电静电旋转马达原理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。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。微推进器美国TRW公司、航空航天公司和加州理工学院（CIT）组成的研究小组提出了一个“数字推进概念”方案。硅片上有集成电路来开启和控制每个微推进器。整个推进系统还可充当卫星的散热器，以进一步减小卫星的有效载荷。制作方法可以用目前已成熟的MEMS及LIGA技术。图为他们于99年初发表了3×5阵列的电阻电热式微推进器样机。微推进器新概念的微型双组元火箭发动机结构图组成:由5到6片芯片叠在一起，内有混合燃烧室、喷口喷管、两个泵和两个阀以及冷却管道的多器件集成系统。用液态氧和乙醇作燃料性能：能产生15N的推力，推力重量比达1500:1，是大火箭推进器的10~100倍，反映了微系统的潜力微推进器微麦克风电容式微麦克风的典型结构SMM的应用hearingaiddetectaphoneultrasonicandprecisionacousticmetrologycommercialelectronicsspeechrecognitioninnoisyenvironmentactivenoisecontrolacousticA/DconversionWithitssmallsizeandsuperiorperformance,thepossibilityisendless.SchematicdescriptionofthemicrophonestructureThreetypesoflayoutSMM的制造过程基于MEMS技术的DNA芯片单一功能的DNA芯片DNA扩增聚合酶链反应（PCR）芯片DNA分离毛细管电泳（CE）芯片集成芯片PCR－CE集成芯片PCR－CE－电化学检测集成芯片芯片检测技术PCR-PolymeraseChainReactionPCR扩增原理DNA扩增－DNA放大（amplification)2nA基本“元件”PCR扩增原理PCR芯片的研究三个步骤：高温变性（90ºC以上）低温退火（37ºC～55ºC）中温延伸（70ºC左右）温度循环！集成PCR扩增芯片的结构1.样品池,2.进样通道,3.玻璃盖板,4.进样孔,5.氮化硅底,6.加热子,7.温度传感器芯片尺寸：4×8mm2反应室尺寸：2×4×0.27mm3封装后的芯片PDMS－CE芯片PDMS－玻璃毛细管芯片气体传感器1.气体传感器的用途及特点•应用军事：防备敌方生化武器的攻击——体积小、重量轻，由它组成的环境监测系统有望实现单兵配备民用：大气污染、工业废气的监控，以及对食品的质量检测、伪劣产品的鉴别1.可燃性气体传感器：液化石油气（丙烷）、煤气（CO+H2)、天然气（CH4)、乙醇、丙酮、汽油等。2.毒性气体传感器：H2S、CO、Cl2等。3.大气污染气体传感器：NOx、SOx、HCl;COx、CH4、NO2、O3;碳氟化合物、卤化碳。4.汽车工业用途的传感器：O2、NOx和空燃比（A/F)一个理想的气敏传感器应有如下几个特点：•选择性好；•灵敏度高；•响应时间短；•长期工作稳定性好；•寿命长；•成本低，使用维修方便。2.分类•按基体材料——金属氧化物系、有机高分子半导体系、固体电解质系等•按被测气体——