电子科大微机电系统MEMS概论课件第一章Word下载.docx

1、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MEMS 技术的发展过程与大致技术现状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

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。MEMS21世纪微型化的前沿技术2、MEMS 的特点MEMS 的内涵“微M icro ”小尺寸,微结构“机M echanical 电E lectro ”拓展向更多物理量的融合“系统S ystems ”结构,设备,系统水平电学电子信

3、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-11 m1 mm1 um1 nm11,0001,000,0001,000,000,

4、000具体展开a t omD NAv i r u sc e ll_MEMSh a i rMEMS 微机电系统W at e r d r o ph um anMEMS 的尺寸机械按其特征尺寸可以做如下划分:小型机械:110mm ;微型机械:1m 1mm ;纳米机械:1nm 1m ;目前比较公认的MEMS 尺寸量级是0.01m 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MEMS21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.

5、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。The ENIAC Computer 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-A remarkable case of miniaturization!尺寸减少: 108倍能力提升: 108 倍手机的

6、进化过程Market Demand for Intelligent, Robusting, Smaller, Multi-Functional Products 10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, GPS and a PC with key pad input尺寸减少掌上无线PCThe only solution is to pack many miniaturefunction components into the device微型化过程的功能集成起源Richard Feynman 的挑战Theres Plenty

7、 of Room at the Bottom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19471954195819621988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Kurt Petersen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

8、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22 nm,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

9、、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Surface Micromachined MotorFan L-S, Tai Y-C and Muller R S 1988Integratedmoveable micromechanical structuresforsensors and actuators IEEE Trans.ElectronDevices ED-35 72430旋转式静电微电机Rotary Electrostatic MicromotorFan Long-Shen, Tai Yu-C

10、hong and Muller R S 1989 IC-processed electrostatic micromotors Sensors Actuators 20 417Berkeley Sensor & Actuator Center静电摆动微电机Electrostatic Wobble MicromotorBerkeley Sensor &比较:微机电系统与尘螨Entertainment for Dust MitesMEMS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

11、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q MEMS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

12、/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

13、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

14、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/DEMLIGA= X射线光刻+电铸制模+注塑复制德文li thograph g alvanformung und a b

15、formug深度可达数百至1000m,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（Microreplicationq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

16、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q MEMS实例Inertia Sensor for Automobile “Air Bag” Deployment System Micro inertia sensor （accelerometer in place: Sensor-on-a-chip: （the size of a rice grain （Courtesy of Analog Devices, 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。