MEMS和微系统概述.ppt

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1、MEMS和微系统概述工学院机械系张晓蕾目录MEMS的定义及组成MEMS的发展史MEMS的特点典型MEMS器件及应用一尺之锤，日取其半，万事不绝。——庄子：天下篇（公元前571年至公元前471年之间）《西游记》中孙悟空变成小虫钻进铁扇公主的肚子里美国科幻电影《惊异大奇航》中在人血管中前进的微型舰艇多年的期盼发生在20世纪90年代的故事如胆结石手术、心脏搭桥手术、肿瘤切除手术等。能够减轻病人的痛苦。1.微创手术腹腔插入腹腔镜、手术工具、摄像头等监视器遥控操作发生在20世纪90年代的故事气囊加速度传感器：感受振动信号，避免强烈冲击对驾驶员

2、造成伤害。发生在20世纪90年代的故事2.汽车中气囊发生在20世纪90年代的故事发生在20世纪90年代的故事3.微型摄像系统背着微型摄像系统的蟑螂微型摄像机在地震废墟中传回图形信号一、MEMS的定义及组成MEMS（MicroElectro-MachanicalSystem,微机电系统)是20世纪末发展起来的一门新兴的前沿学科，它是在微电子二维表面加工技术的基础上发展起来的，以硅、玻璃、有机材料以及金属材料的三维加工技术为基础，结合功能材料及薄膜化制备工艺，把微型传感单元、执行单元、微能源以及微电子电路集成在一个芯片上的具有传感、执行

3、和数据处理功能的微型系统。1.MEMS的定义一、MEMS的定义及组成美国：微型机电系统(Microelectro-mechanicalSystem,MEMS)日本：微机械(Micro-machine)欧洲：微系统(Micro-system)我们把这些通称为微机电系统(MEMS)2.MEMS的三大流派小型(mini-)机械(1mm~10mm)微型(micro-)机械(1μm~1mm)纳米(nano-)机械(1nm~1μm)1μm=10-6m（微米）、1nm=10-9m（纳米）1um~100μm为微米尺度100nm~1μm为亚微米尺度1

4、nm~100nm为纳米尺度小于1nm为原子团簇一、MEMS的定义及组成3.微型机械尺寸范围（按特征尺寸）微型机械三、MEMS组成MEMS是微电子同微机械的结合，如果把微电子电路比作人的大脑，微机械比作人的五官（传感器）和手脚（执行器），两者的紧密结合，就是一个功能齐全而强大的微系统。4.MEMS的组成一、MEMS的定义及组成机械部分传感执行控制部分电子学MEMS控制部分微电子学传统的机械电子系统IC工艺发展后的机械电子系统机械系统和传感系统缩小后与控制系统平衡的MEMS4.MEMS的组成一、MEMS的定义及组成二、微机电发展史“如果

5、有一天可以按照人们的意志安排一个个原子，那将会产生什么样的奇迹呢？”1959年量子物理学家理查德·费曼在加州理工学院演讲推荐书：《别逗了，费曼先生：怪才历险记》1.追溯（1）起始点（20世纪50年代末、60年代初）集成电路（IC）技术出现，实现在微米尺度上规模制作电子元器件和电路。重要研究成果：1954年：史密斯发现了压阻效应。1958年：人们用单晶硅制作了半导体应变片，其灵敏度是金属应变片的数十倍。1962年：第一个硅压力传感器问世。二、微机电发展史2.三十年的积累（20世纪50年代末到20世纪80年代末）（2）萌芽阶段（20世纪

6、60年代中期到20世纪80年代）开展了一些有关MEMS的零散研究：硅各向异性腐蚀技术用于在平面硅衬底上加工三维结构。利用集成电路的加工技术制造MEMS器件，如悬臂梁、薄膜和喷嘴等。20世纪70年代，IBM实验室研发了薄膜型硅微压力传感器。这种传感器比传统薄膜传感器有更高灵敏度，并可批量化生产。二、微机电发展史2.三十年的积累1987年，微机电研究真正兴起标志：加州大学伯克利分校研制成功了直径为10μm的硅微马达。第一个丰收的季节第一台静电微马达3.丰收的季节（20世纪80年代末，90年代初）世界上第一个微电机（1988）12个固定电

7、极、8个转子电极1988年，伯克利分校科研人员为直径约120μm的静电马达通电并成功使其运转。二、微机电发展史90年代初，ADI的气囊加速度计实现产业化。90年代末，Sandia实验室5层多晶硅技术代表最高水平。二、微机电发展史3.丰收的季节三、MEMS的特点MEMS器件体积小、重量轻、耗能低、惯性小、谐振频率高、响应时间短。因为惯性质量小，小的系统比大的系统移动更迅速小器件的小尺寸所面临的热变形和振动问题会更小小系统除了具有更精确的性能外，它们的小尺寸也使得它们更适合应用在药品和手术中1.微型化主要材料：硅优点：强度、硬度、杨氏模

8、量：与铁相当密度：近似铝热传导率：接近钼和钨其他材料：石英，砷化镓——基底材料玻璃、塑料和金属——封装材料聚合物、金属材料——微系统制作硅片三、MEMS的特点2.制造材料性能稳定用硅微加工工艺在一片硅片上可同时制造成百上千个微型机电装