电子科大微机电系统MEMS概论课件第一章Word下载.docx
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第一章
微机电系统（MEMS概论内容提要
MEMS的基本概念,与宏观机电系统的对比特征ü
MEMS技术的发展过程与大致技术现状ü
MEMS典型产品的应用
一、MEMS的形成与发展
1、MEMS的形成基础
机械电子学——机械学、电子学、计算机技术交叉MEMS——机/电/磁/光/声/热/液/气/生/化等多学科交叉
学科交叉的产物MEMS
传热学
力学
电/磁学光学化学生物学量子力学声学
流体
一、MEMS的形成与发展
1、MEMS的形成基础
与机械电子学的关系
•基本组成相同
•不是简单的提升
定子转子
扭矩传
递齿轮
LIGA工艺生成的微马达
MEMS系统框图
MEMS的组成要素:
微型传感器、微执行器、信号处理控制电路、通信系统、微电子电源
2、MEMS的特点
MEMS的定义
America——它是由电子和机械元件组成的集成微器件、微系统,它是采用与集成电路（IC兼容的工艺制造的,可批量生产。
Japan——微型机械是由只有几毫米大小的功能元件组成的,它能够执行复杂细微的工作。
Europe——微结构产品具有微米级结构并具有微结构所提供的技术功能。
China——微机电系统是一种由微机械和微电子组成的装置,其中微机械被微电子锁控制。
MEMS——21世纪微型化的前沿技术
2、MEMS的特点
MEMS的内涵•“微Micro”——小尺寸,微结构
•“机Mechanical电Electro”——拓展向更多物理量的融合•“系统Systems”——结构,设备,系统水
平
电学电子信号/控制（输入/输出
机械学（输入/输出
机械功能尺度效应
MEMS——21世纪微型化的前沿技术
A.微型机械
B.普通机械
零件微小,加工装配困难、
难以商品化。
人工操控触及不到,具有微机械自动化特性;
不与外部直接耦合微型机械易受环境影响,对
外界空间要求小
尺寸效应会引起力的尺
寸效应
按照传统产品设计、加工装
配工艺流程组织生产
需要人直接参与操作,通
过输出功率与外界联系
对环境变化不敏感,需要
一定的外界空间条件
忽略尺寸效应影响
设计制作方法
控制方法、工
作方式
与环境的关系
尺寸效应
微型机械VS普通机械2、MEMS的特点
长度1/r（m-1
••••1m
1mm
1um
1nm
1
1,000
1,000,000
1,000,000,000
具体展开
ato
m
DN
A
virus
cel
l
________________________
MEMS
hair
MEMS微机电系统
Wa
terdrop
hu
ma
n
MEMS的尺寸
机械按其特征尺寸可以做如下划分:
小型机械:
1~10mm;
微型机械:
1μm~1mm;
纳米机械:
1nm~1μm;
目前比较公认的MEMS尺寸量级是0.01μm~1mm;
MEMS的特点
特殊性能为前沿目标
•以实现新功能、殊性能
•微米量级空间里实现机电功能,提升已有性能（包括微型化、集成化、高可靠性等
•采用微加工,形成类似IC的批量制造、低成本、低消耗特征MEMS——21世纪微型化的前沿技术
1.体积小、精度高、质量轻,尺寸可达10nm级;
2.性能稳定,可靠性高。
由于体积小,几乎不受热膨胀、噪声等因素影
响。
3.能耗低,灵敏性和工作效率高。
MEMS能耗为传统机械的1/10,工作速度
为传统机械的十倍。
4.多功能及智能化。
由于集成度高,所以智能化高。
5.制造成本低。
采用IC工艺,能在一块硅片上同时制造上千个MEMS装置。
TheENIACComputer第一台计算机,1946年笔记本电脑,1996年尺寸:
106倍减少
能力:
106倍提升
计算机50年之内的微型化技术掌上电脑,2001年
电子计算机的微型化过程
-Aremarkablecaseofminiaturization!
尺寸减少:
108倍
能力提升:
108倍
手机的进化过程——MarketDemandforIntelligent,Robusting,Smaller,Multi-FunctionalProducts10年前的手机:
现在的手机:
只收发语音
收发语音+多媒体+其他功能（视频-摄像,emails,日历,
上网,GPSandaPCwithkeypadinput
尺寸减少
掌上无线PC
Theonlysolutionistopackmanyminiature
functioncomponentsintothedevice
微型化过程的功能集成
起源RichardFeynman的挑战
There'
sPlentyofRoomattheBottom
历史贡献
•首次制作了微机电系统实物（1959年12月26日,加州理工学院•激发了日后微机电系统制造技术的创新
•未能从根本上形成一种新的制造技术
19471954
19581962
1988发明半导体晶体管发现压阻效应生产出半导体应变片
硅压力传感器问世德国研究出LIGA
工艺1993美国研制出静电马达
谐振栅场效应晶体管（1969年,美国西屋公司•基于新的微机电系统制造技术
采用批量蚀刻硅晶片制造压力传感器（1970年代
KurtPetersen首次提出利用硅作为微机电系统的结构材料（1982年
•获得了硅的材料属性和腐蚀刻数据
表面微加工多晶硅工艺的早期试验（1980年代•首枚静电梳状光盘驱动器执行器-微定位读写头
微加工技术迅速提升微电子行业生产率（1980年代末
•大量的实验和技术文档的散播,增进了公众对MEMS的兴趣
硬币
参照物:
米粒
米粒之物,也放光华
20世纪60年代,集成电路制造工艺,CD目前已达22nm,在1mm2内有若干个G以上容量的单元电路
体微加工、深槽加工技术发展,形成MEMS制造技术。
典型代表:
德国LIGA技术（X光深度同步辐射光刻,电铸制模和注模复制三个工艺步骤
MEMS与国家战略
1950年年代钱学森在西北工业大学所提的交叉学科概念ü
MEMS在我国/我校的情况
硅微型机械振动陀螺仪,指标漂移率0.1-10度/小时,最大冲击加速度>
500,带宽100HZ等.
3、MEMS的发展
MEMS发展的重要标志
•制作水平方面——微马达（静电
•应用水平方面——Lab-on-a-Chip、微飞行器、微机器人
表面微机械马达
SurfaceMicromachinedMotor
FanL-S,TaiY-CandMullerRS1988
Integrated
moveablemicromechanicalstructures
for
sensorsandactuatorsIEEETrans.
Electron
DevicesED-35724–30
旋转式静电微电机RotaryElectrostaticMicromotor
FanLong-Shen,TaiYu-ChongandMullerRS1989IC-processedelectrostaticmicromotorsSensorsActuators2041–
7BerkeleySensor&
ActuatorCenter
静电摆动微电机ElectrostaticWobbleMicromotor
BerkeleySensor&
比较:
微机电系统与尘螨EntertainmentforDustMites
MEMS与NEMS的关系
——概念延伸、MEMS工艺为基础、对象向生物化学扩展•生物微马达
•生物工程操作
•碳纳米管
MEMS发展面临的机遇和挑战•MEMS工艺的可重复性
•MEMS产品性能的稳定性和可靠性•MEMS产品的成品率
•MEMS产品的封装和测试
•MEMS器件与电路集成形成微系统
二、MEMS设计的基本问题q工程技术的三要素
时间过程
衣食
住行
精神信息
能量
物质
生活
需求
供给
MEMS目前阶段关键要素:
材料、工艺、结构
qMEMS设计要求和设计基本思想
要求——高性能/智能化/高效率/低成本/高可靠性ü
方法——设计中必须考虑
分系统设计层次
按信息流程
建立统一物理特征参量
q按系统设计层次考虑设计
功能——MEMS主功能含变换、传输、存储三方面。
为便于研究、分析、设计……
层次——分系统、子系统、元件（元素三层次。
子系统和元件（元素之间必须平稳可靠地输入/输出物质、能量、信息……
接口——
硬接口——以硬件形式。
分零接口/主动接口/被动接口/智能接口
软接口——对信息进行平稳的传递、变换、调
整。
例如平稳地输入输出规格、标准、程序、法律、符号等。
q按信息、物质、能量流程考虑设计
信息流程、能量流程的概念
智能化的作用、内部构造、信息流程（见书
q建立统一的物理特征参量
作用——对机、电、磁、热、流、光等不同物理现象作统一方法的描述,从而纳入统一模型中进行分析原理——各物理分支特征参量关系均遵从阻量、容量、惯量（感量作用的相似规律
方法——都参照于同一概念的物理特征参量——电描述,因其分析方法较为成熟方便
阻量=势能变化/速度、电流或流量的变化
容量=质量或位移变化/势能变化
惯量=势能变化/流量（速度或电流每秒的变化
三、MEMS的制造方法概述
MEMS与IC工艺追求不同
•从二维到“假三维”、“真三维”
•以IC平台发展起来为主,非IC工艺日渐丰富
MEMS与IC之间的主要差别
1IC本质上是平面器件,典型的MEMS不是;
2IC依赖于隐埋于IC表面之下的效应,而MEMS通常是表面效应器件;
3IC无活动的零部件,而典型的MEMS是活动器件;
4IC的制作工艺方式使得它在以大圆片形式流入小心控制的IC标准生产线之前对环境相对地不敏感,而大圆片形式的MEMS到它封装好之前对环境都非常敏感。
这就使得MEMS制造的每道后工序-划片、装架、引线制作、封装密封等都与IC不同且花费非常昂贵;
5IC器件主要是电信号,而MEMS器件有机械、光、电、多种信号;
6IC主要是表面加工工艺,而MEMS有多种加工工艺;
7IC主要是半导体材料,而MEMS有多种加工材料。
1、在IC加工平台上发展的工艺
q体微加工技术
§
湿法加工（化学
原理:
局部区域化的电解电池作用。
特点:
质量控制难,对腐蚀速度及腐蚀结构质量的影响因素多§
干法加工（物理/化学
离子轰击、腐蚀分子与硅衬底表面反应
分辨率高,各向异性腐蚀能力强,腐蚀选择比大,能进行自动化操作,设备与工艺成本高等
混合加工法
先进性在于制造新的微结构装置,如波导
q高深宽比批量复制微加工技术
——专为MEMS的LIGA系工艺（LIGA/准LIGA/DEM
LIGA=X射线光刻+电铸制模+注塑复制
德文lithographgalvanformungundabformug
深度可达数百至1000μm,
高宽比大于200
侧壁平行线偏离在亚微米范围内
利用微电铸和微塑铸可大规模生产
DEM技术=深层刻蚀（Deepetching+微电铸（Electroforming+微复制工艺（Microreplication
q表面微加工技术
表面微加工是在基体上连续淀积结构层、牺牲层和图形加工制备微器件。
其应用材料为多晶硅、二氧化硅、氮化硅、磷硅玻璃等。
2、非IC工艺
•微细电火花
•约束化学加工
•激光微加工
•微注塑、模压加工
•激光微固化等
特点
•可实现二维半、真三维加工
•与超精密机械加工互相借鉴,具有更广应用范围
•与IC兼容性问题不利于目前在MEMS中的应用,需要解决
3、封装（键合、封装、检测
键合
•基本原理
•是封装的主要手段
封装对于IC、MEMS的重要性
四、MEMS的应用qMEMS实例
InertiaSensorforAutomobile“AirBag”DeploymentSystemMicroinertiasensor（accelerometerinplace:
Sensor-on-a-chip:
（thesizeofaricegrain（CourtesyofAnalogDevices,Inc
本章重点难点q重点：
微机电系统的发展过程、实际意义与典型应用q难点：
MEMS比宏观机电系统优越的基本原理，结合尺度效应理解；
MEMS发展与加工技术的关系。
q作业：
教材第368页第1题
本章学习要求•理解MEMS的基本概念，明确其与宏观机电系统的对比特征。
•了解MEMS技术的发展过程与大致技术现状。
•了解MEMS在军事、汽车、医学等重要领域中的应用，特别是一些典型产品。
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