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1微电子机械系统学时:32考试方式:课堂开卷地点:二教206教师:蒋洪川Tel:83200866E-mail:hcjiang@uestc.edu.cn教学目的：¾掌握微机电系统的基本概念与特性、常用材料、制备方法与工艺¾了解微机电系统的应用前景及发展动态主要内容：微机电系统概述、微系统的工作原理、微系统的尺度效应、微机电系统的材料、微机械加工技术基础、微制造综述、微系统设计、微系统封装教材：《MEMS和微系统——设计与制造》,徐泰然,机械工业出版社，2004第一章：MEMS概论第二章：微系统的工作原理第六章：微型化中的尺度效应第七章：用于MEMS和微系统的材料第八章：微系统加工工艺第九章：微制造综述第十章：微系统设计第十一章：微系统封装教材涉及的章节参考书：¾《微机电系统及其相关技术》，章吉良，上海交通大学出版社，2000；¾《微机械电子系统及其应用》，刘广玉，北京航空航天大学出版社，2003；¾《微机电系统技术》，石庚辰，国防工业出版社，2002）；¾《微机电系统封装》，徐泰然，清华大学出版社，2005；¾NadimMaluf,AnIntroductiontoMicroelectromechanicalSystemsEngineering,ArtechHousePublishers,2004考试方式及成绩构成考试方式：开卷成绩构成：平时30%+期末考试70%要求：•上课时关闭手机或调到振动、静音第一章MEMS概论2曾经有人问1996年化学Nobel奖获得者-Rice大学的RichardSmalley，如果重新开始，最希望从事什么领域的研究工作，他不假思索的提出一个预言性的概念：Lilliputian工程.We'retalkingabouttheminiaturizationofeverythingyoucanimagine,Smalleysaid.Eventually,wewillbedesigningtinydevicessothateveryatomisthereforaparticularreason.”1.1概念的提出¾微型导航传感器确保救护车不偏离高速公路¾当汽车发生碰撞时，碰撞加速度传感器确保安全气囊打开保护乘客¾发动机上的多功能压力传感器（MAP)确保适当的空气/汽油混合比¾血压计监控病人的血压和心律¾微针确保药物及时输送到病人血管中，同时微型电子阀确保适当的药物剂量¾电笔中的微型加速度计验证手的活动规律并将手写体转换为文本¾植入心脏起搏器中的微型加速度计可使病人继续打网球¾当病人睡觉时，微镜投影仪在悬挂显示器上显示高分辨率的、令人愉快的画面¾上述微型导航传感器、加速度传感器、压力传感器、微镜投影仪已实现商品化。碳纳米管研制，直径约为500nm，能够在电压驱动下转动。电动机的旋转叶片是一片金叶，长度不到300nm，叶片安装在一根由多层碳纳米管做成的转轴上。2003年世界十大科技进展:纳米电动机2004年世界十大科技进展:分子马达通过光或电的驱动，使分子围绕一个轴旋转，能够停止或暂停。这一成果将使纳米级“分子机械”能够在一些较大机械无法应用的工业和外科手术中大显身手.2005年世界十大科技进展:找到控制单分子行动的方法利用特种显微镜仪器，让一个分子做出各种动作。使用金属探针，刺激联苯分子的不同部位，还可以使其产生不同的电子反应。2006年世界十大科技进展:最小发电机问世纳米发电机。它可以收集机械能，比如人体运动、肌肉收缩、血液流动等所产生的能量；震动能，比如声波和超声波产生的能量；流体能量，比如体液流动、血液流动和动脉收缩产生的能量，并将这些能量转化为电能提供给纳米器件。欧洲科学家开发出一种基于脱氧核糖核酸（DNA）的转换器，名为DNA制动器或分子发电机。在活的生物有机体和计算机之间建立联系架设了桥梁。DNA制动器的组成包括一组固定在极小芯片上的DNA、一个带有磁性的珠子、一个提供动力的生物发动机——通过活的生物细胞三磷酸腺苷（ATP）所发出的能量提供动力。2007年世界十大科技进展:发明DNA制动器2008:设计出杀灭癌细胞的“纳米机器”美国加利福尼亚大学洛杉矶分校的研究人员新设计出一种“纳米机器”，它可以储藏、输送抗癌药物并在光的作用下释放药物攻击癌细胞。这种“纳米推进器”的装置是第一种由光驱动的“纳米机器”，可在活细胞内发挥作用。研究人员用结肠癌和胰腺癌等多种人类癌细胞进行了实验。他们首先使上述“纳米机器”在黑暗中进入置于玻璃器皿中的人类癌细胞内，然后用光照射使“纳米机器”振动，“纳米机器”细孔中的抗癌药物随之被释放出来攻击癌细胞。32011年世界十大科技进展英国发明超薄“纳米片”制备方法最大太阳能飞机首次跨国飞行成功科学家成功“抓住”反物质原子长达一千秒美国研制出世界上第一束生物激光美国研制成功反激光器美国“好奇”号火星探测器发射升空晶体中量子纠缠态信息存储成功中外科学家完成马铃薯基因组测序日本研制出世界最快计算机荷兰制造出世界最小分子“电动车”这是一个结构特殊的分子，它也有四个“轮子”，当接收到电流时就向前“行驶”，不过，它“行驶”的距离要以纳米来计算这种分子“电动车”将来可用于许多微观领域，比如把微量药物送达人体所需要的地点。不过研究人员表示，这还有很长路要走，因为本次实验是在零下200多摄氏度的低温和高度真空环境中完成的，如何在常规环境下也能让分子“电动车”工作是首先要解决的问题。机械部分传感执行控制部分电子学MEMS微电子学提出思路:微型化传感、致动、处理、控制、能源供应，并集成化•科学上满足人们对未知世界探索的本能需要:新效应、新现象、新理论、新应用？•技术和工程上批量加工(降低成本):薄膜沉积、切割等小型化(新应用)：1μm-1mm性能(改善)小型化概念:更小尺度上的复制，其本质是在保留或增加原物体性能的前提下，尽可能减小复制品的尺寸的技术。小型化的优势：¾惯性质量小，移动更迅速¾系统的谐振与质量成反比，小系统的固有频率比大系统高得多，小系统面临的热变形和振动问题更小¾小型化是卫星和航天器工程中所急需，可满足高精度和有效载荷的需要¾微系统在运动、尺寸稳定性方面的高精度更适合于远程通信¾能耗小1.2小型化历程(1)晶体管的发明•1946年1月，Bell实验室正式成立半导体研究小组•Bardeen提出了表面态理论，Schokley给出了实现放大器的基本设想，Brattain设计了实验•1947年12月23日，W.Schokley、J.Bardeen、W.Brattain制备出第一个NPNGe晶体管,第一次观测到了具有放大作用的晶体管4（2）集成电路的发明•1952年5月，英国科学家G.W.A.Dummer第一次提出了集成电路的设想•1958年TI公司的科学家Kilby的研究小组研制出了世界上第一块集成电路，1959年公布了该结果（3）微电子的发展•1962年Wanlass、C.T.Sah——CMOS技术•1967年Kahng、S.Sze——非挥发存储器•1968年Dennard——单晶体管DRAM•1971年Intel公司微处理器——计算机的心脏第一个CPU：4004PentiumIIICPU芯片（4）STM的发明1982年IBM公司苏黎士研究实验室的Binning和Rohrer利用原子之间的隧道电流效应发明了扫描隧道显微镜STM(ScanTunnelMicroscope),第一次直观地看到了原子、分子2009年,IBM的科学家首次拍摄了单个并五苯分子结构的照片，并五苯分子结构呈矩形，是一种有机化合物，由22个碳原子和14个氢原子组成，并五苯碳环之间的间隙非常狭小，只有0.14纳米，除了要用到最为先进的原子力显微镜，对单个分子观测拍照还必须在零下268摄氏度的真空环境中进行。（5）MEMS产品的出现•1982年：美国U.C.Bekeley，表面牺牲层技术,微型静电马达成功,MEMS进入新纪元•20世纪九十年代初,ADI的气囊加速度计实现产业化•20世纪90年代中,RIE的出现促进体硅工艺的快速发展•20世纪九十年代末,Sandia实验室实现5层多晶硅技术5微电子机械系统：微电子技术与机械、光学、力学、材料学、化学等领域结合而诞生的z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zMEMS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1.3MEMS的概念和特征微机器:Micromachine(Japan)微电子机械系统:MicroElecoMechanicalSystem(USA,China)微系统MicroSystem(Europe)MEMS的主要特点（1）器件微型化、集成化、尺寸达到纳米量级（2）功能多样化、智能化：可将硅基光电传感器、力学传感器、温度传感器、信号处理集成，提高信噪比、灵敏度、响应速度、提高智能化程度（3）功能特殊化：如MEMS微电机可进入血管，清理血管堵塞（4）能耗低、灵敏度高、工作效率高：MEMS不存在信号延迟，可高速工作MEMS中可能用到的传感器：生物传感器、化学传感器、光传感器、压力传感器、加速度传感器……输入信号传感元件传输单元输出信号能量供给MEMS核心元件包含两类：传感或致动单元、信号传输处理单元（1）传感器感知某些物理、化学或生物量的存在和强度，温度、压力、电、磁、声、光、热……（2）致动器MEMS中执行动作的元件，微阀、微泵、微夹钳……致动元件传输单元输出动作能量供给6静电致动MEMS微夹钳(3)微系统微系统是一个包含多个MEMS器件，面向特定工程任务而设计的工程系统。典型的微系统尺寸介于宏观和微观之间(1mm-1cm)。信号传输和处理单元传感器传感器微系统能量供给1.4典型MEMS和微系统产品蚂蚁腿上的微齿轮微型车床TI的数字光学处理器DLP硅微马达器硅微惯性传感器7光开关微流体器件微型喷微夹钳微电源集成加速度计8微型机器人微型机器人微型卫星清华一号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15cm生化分析系统微型飞行器电子昆虫电子昆虫的飞行电子昆虫传回的图片9装备了小型电子装备军队在危险地区执行任务机器鸟Electrodepatternmadeona1mmdiameterSiball,Esashi,2001Nano-heaterprobearray(32×32)(D.W.Leeet.al.,J.ofMicroelectromechanicalSystems,11,3(2002),215-219)微型制造技术精密加工微细超声加工微细电解加工微细电火花加工立体光刻能束加工激光加工电子束加工离子束加工硅微细加工光刻电铸加工准LIGA加工LIGA加工体硅加工硅表面微加工各向异性腐蚀自停止腐蚀深层离子刻蚀电化学腐蚀等离子及反应离子刻蚀淀积光刻牺牲层腐蚀扩散1.5微加工的现状与发展趋势典型微加工技术•微系统尺寸越来越小,达到亚微米量级•传统加工方法如车、钻、磨等已不适应要求•微加工技术与IC加工技术密不可分，微加工的很多手段都是在IC技术基础上发展起来的•“微加工”术语1982年公开出现,关键工艺硅各向同性腐蚀(1960),各向异性腐蚀(1967)•依托IC工艺基础的硅微细加工技术主要通过光刻及化学刻蚀得到微小的沟槽、筋板、孔洞等结构，但此工艺只限于硅材料。微加工的现状10•LIGA工艺可以对许多金属材料进行微细加工，尺寸可小至1μm，精度达亚μm级，但LIGA技术所需要的深层X射线辐射源价格昂贵，推广应用受到限制。•电火花磨削技术WEDM使微细加工电极的在线制作、安装得到较好的解决，微细电火花加工因此有了迅速发展。•微细激光加工技术应用范围广泛、加工精度及效率高，便于计算机控制，是一种很有发展前景的微细工艺。•电子束加工用于小孔、窄缝、刻蚀等微细工艺，加工孔径可达3μm，刻线宽度可达1μm。•离子束加工可用于精密微量去除、离子刻蚀、离子镀膜