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1、微机电系统技术基础,王文廉,2023/3/5,NUC 2012,2,课程内容,微机电系统概述微系统的工作原理用于MEMS和微系统的材料微系统加工工艺传感器、致动器微制造综述微系统设计,2023/3/5,NUC 2012,3,第一章微机电系统概述,主要内容：微机电系统基本概念及特点。微机电系统的历史、发展与前景。微机电系统的主要特征。微机电系统的器件、系统和应用领域。,2023/3/5,NUC 2012,4,微观世界,光学显微镜,电子显微镜,2023/3/5,NUC 2012,5,微机电系统基本概念及特点,分子的,隔膜,2023/3/5,NUC 2012,6,微机电系统基本概念及特点,批量生产,
2、2023/3/5,NUC 2012,7,什么是MEMS,微机电系统（Micor Electro Mechanical Systems,MEMS）是在微电子技术的基础上发展起来的，融合了硅微加工、LIGA技术和精密机械加工等多种微加工技术，并应用现代信息技术构成的微型系统。它包括感知和控制外界信息(力、热、光、生、磁、化等)的传感器和执行器，以及进行信号处理和控制的电路。,2023/3/5,NUC 2012,8,各个国家不同的定义,美国：微型机电系统MEMS:Micro electro mechanical system日本：微机械Micro machine欧洲：微系统Micro system,
3、2023/3/5,NUC 2012,9,从国际上开发MEMS的情况看，美国侧重在微电子技术的基础上，通过微芯片取得制造工艺的突破；日本则侧重从机械加工工艺实现微机械的制造，强调通过非光刻的传统机械线实现机械微型化，是一条用大机器制造小机器，用小机器造微机器的途径；德国的特色是在LIGA工艺的应用上取得进展。这些国家的加工工艺各有特色，但均取得显著成效。总体来看，目前美国和日本处于微米/纳米技术技术领先地位。我们应在利用国外各种微加工工艺的基础上努力创新。,2023/3/5,NUC 2012,10,什么是微型机电系统,2023/3/5,NUC 2012,11,MEMS中的核心元件一般包含两类：一
4、个传感或致动元件和一个信号传输单元。下图说明了在传感器中两类元件的功能关系。,2023/3/5,NUC 2012,12,说明了致动元件和信号传输单元之间的功能关系。传输单元将输入能量转换成为传感器的电压等形式，执行致动元件的功能。,2023/3/5,NUC 2012,13,2023/3/5,NUC 2012,14,MEMS器件和MEMS系统,清华一号,美国提出的硅固态卫星,直径仅15cm,(50kg,0.07m3),清华大学联合英国萨瑞大学研制,一只蚂蚁和微齿轮,2023/3/5,NUC 2012,15,第一章微机电系统概述,主要内容：微机电系统基本概念及特点。微机电系统的历史、发展与前景。微
5、机电系统的主要特征。微机电系统的器件、系统和应用领域。,2023/3/5,NUC 2012,16,MEMS发展历史回顾,1750s：第一个静电发电机由本杰明.富兰克林和安德鲁 戈登发明；1822年 发现了半导体硅；1927年：申请了场效应晶体管的专利1947年：发明锗晶体管-技术基础1954年：Smith,C.S.,“在锗和硅中的压电效应”，Physical Review,94.1,April 1954.,2023/3/5,NUC 2012,17,MEMS发展历史回顾,应变仪,2023/3/5,NUC 2012,18,MEMS发展历史回顾,1958年：硅应变仪得到商业应用；1959年：Feyn
6、man的报告“There is plenty of room at the bottom”.1961年：第一个硅压力传感器研制成功,2023/3/5,NUC 2012,19,MEMS发展历史回顾,1967年：发明了表面微机械加工技术；1970年：第一个硅微加速度计演示成功；1977年：第一个整体式电容式压力传感器；1988年：美国加州大学伯克利分校研制的静电微电机，标志着MEMS时代的到来；1995年：开始了Bio-MEMS的研究；,图 伯克利分校研制的微电机,2023/3/5,NUC 2012,20,MEMS的发展,硅微传感器阶段1963年日本丰田研究中心制作出硅微压力传感器。1982年美国
7、IBM和UCBerkeley研制了集成电容式加速度计。硅微致动器阶段1987年UCBerkeley研制出转子直径为60120m的硅微静电电机。传感器市场化阶段1993年美国Analog Devices开始生产集成加速度传感器，开始在汽车行业大量应用。系统研究阶段20世纪90年代末，开始微型飞行器、微型卫星、微型机器人等研究。,2023/3/5,NUC 2012,21,国内MEMS的发展,20世纪90年代初清华大学等高校开始研究。目前有100个左右的研究小组从事本领域研究研究主要领域包括硅微传感器、硅微致动器、硅微加工技术、微系统等领域。主要加工基地有信息产业部电子13所，北大微电子所，清华大学
8、微电子所，上海交通大学和上海冶金所等。,2023/3/5,NUC 2012,22,MEMS的产业化及市场前景,估计2000年MEMS的市场为470亿美圆,2023/3/5,NUC 2012,23,当前市场上存在的MEMS产品,喷墨打印头汽车安全气囊用加速度传感器游戏杆用加速度传感器压力传感器微型控制阀微型磁强计,2023/3/5,NUC 2012,24,MEMS下一步的主要研究内容,光学MEMS（Optical MEMS）生物MEMS（Bio-MEMS）量子加密和计算（Quantum encrypting and computing）,2023/3/5,NUC 2012,25,第一章微机电系统
9、概述,主要内容：微机电系统基本概念及特点。微机电系统的历史、发展与前景。微机电系统的主要特征。微机电系统的器件、系统和应用领域。,2023/3/5,NUC 2012,26,MEMS器件的主要特征,工程技术上说大批量生产(低成本)小尺寸(新的应用)性能(改善),2023/3/5,NUC 2012,27,MEMS器件的主要特征,尺寸微小是微机电系统的基本特征力的尺寸效应 在微小尺寸领域，与特征尺寸L的高次方成比例的惯性力、电磁力（L3）等的作用相应减小，而与尺寸的低次方成比例的粘性力、弹性力（L2）、表面张力（L1）、静电力（L0）等的作用相对增大，这也是MEMS常用静电力致动的理由。,2023/
10、3/5,NUC 2012,28,MEMS器件的主要特征,表面效应 随着尺寸的减小，表面积（L2）与体积（L3）之比相对增大，因而热传导、化学反应等加速，表面间的磨擦阻力显著增大。,2023/3/5,NUC 2012,29,MEMS器件的主要特征,误差影响 对于微小构件，制造误差与构件尺寸之比相对增大；同时，由于微型机械往往是一次加工成型，一般不进行安装高度和修正，这样，微机构的运动特性受制造误差的影响较大。再加上弹性变形等的影响，使得运动精确度成为微机构研究的关键问题。,2023/3/5,NUC 2012,30,MEMS器件的主要特征,材料的尺寸效应构件尺寸减小，材料内部缺陷减少，材料的机械强
11、度显著增加。微构件的弹性模量、摘拉强度、断裂韧性、疲劳强度以及残余应力等均与大构件的不同，而且有些表征材料性能的物理理需要重新定义，等等。,2023/3/5,NUC 2012,31,MEMS器件的主要特征,器件微型化、集成化、尺寸达到纳米数量级；功能多样化、智能化；功能特殊性；能耗低、灵敏度高、工作效率高,2023/3/5,NUC 2012,32,第一章微机电系统概述,主要内容：微机电系统基本概念及特点。微机电系统的历史、发展与前景。微机电系统的主要特征。微机电系统的器件、系统和应用领域。,2023/3/5,NUC 2012,33,典型MEMS器件硅微马达器,2023/3/5,NUC 2012
12、,34,典型MEMS器件硅微惯性传感器,2023/3/5,NUC 2012,35,典型MEMS器件光开关,体积小、重量轻、波长透明、插损和串扰小、开关时间短、功耗小、成本低,2023/3/5,NUC 2012,36,典型MEMS器件微流体器件,2023/3/5,NUC 2012,37,典型MEMS器件微型喷,2023/3/5,NUC 2012,38,典型MEMS器件微电源,锂,三硝基甲苯,甲烷,燃料电池,温差电池，热电发生器,2023/3/5,NUC 2012,39,典型MEMS器件微夹钳,2023/3/5,NUC 2012,40,典型MEMS系统微型机器人,2023/3/5,NUC 2012
13、,41,典型MEMS系统微汽车,车长4.8mm车速10mm/s,2023/3/5,NUC 2012,42,红外传感器,瑞士洛桑理工,2023/3/5,NUC 2012,43,名古屋大学,2023/3/5,NUC 2012,44,2023/3/5,NUC 2012,45,典型MEMS系统生化分析系统,用于生物化学化验的集成微流体系统,微型阀,有免疫传感器的生物过滤器,有树形分子的磁珠,2023/3/5,NUC 2012,46,典型MEMS系统微型飞行器,2023/3/5,NUC 2012,47,MEMS应用领域,汽车用传感器惯性、压力、磁场传感器生物、医学传感器（器械）化学传感器光开关微泵、微引
14、擎、微开关光通讯器件执行器,2023/3/5,NUC 2012,48,2023/3/5,NUC 2012,49,汽车工业,每部汽车内可安装30余个传感器：气囊，压力、温度、湿度、气体等微喷嘴智能汽车控制系统,2023/3/5,NUC 2012,50,MEMS的应用,2023/3/5,NUC 2012,51,2023/3/5,NUC 2012,52,2023/3/5,NUC 2012,53,This image depicts a mirror system moved by a small rotating gear,用微小齿轮控制的微镜系统,2023/3/5,NUC 2012,54,MEMS
15、加速度计,2023/3/5,NUC 2012,55,2023/3/5,NUC 2012,56,旋转角速率传感器,2023/3/5,NUC 2012,57,MEMS在医学中的应用,人造器官：电子耳、电子眼、人造胰腺、人造心脏、起博器测试仪器：体温计、血压计、血糖计等微型手术器械：微手术钳（刀、剪）、微手术钻（清理血管脂肪）、微内窥镜、微导管,2023/3/5,NUC 2012,58,Blood Pressure,2023/3/5,NUC 2012,59,MEMS化学传感器,陶瓷的,试剂,2023/3/5,NUC 2012,60,电子鼻,美国橡树岭国家实验室,2023/3/5,NUC 2012,6
16、1,（Virtual eality）,2023/3/5,NUC 2012,62,Ultrasonic Sensors,超声传感器,鼓膜,2023/3/5,NUC 2012,63,MEMS在军事领域的应用,军事领域是MEMS技术的最早应用点，对推动MEMS技术的进步起到了很大作用引信 安全、炮弹弹道修正、子母弹开仓控制、侵彻点控制单兵携带雷达战场毒气检测和救护侦察：小飞机后勤保障,2023/3/5,NUC 2012,64,用于武器制导和个人导航的惯性导航组合用于超小型、超低功率无线通讯（RF 微米/纳米和微系统）的机电信号处理用于军需跟踪、环境监控、安全勘察和无人值守分布式传感器用于小型分析仪器
17、、推进和燃烧控制的集成流量系统武器安全、保险和引信用于有条件保养的嵌入式传感器和执行器用于高密度、低功耗的大量数据存储器件用于敌友识别系统、显示和光纤开关的集成微光学机械器件用于飞机分布式空气动力学控制和自适应光学的主动的、共型表面。,2023/3/5,NUC 2012,65,鱼雷,雷管,2023/3/5,NUC 2012,66,2023/3/5,NUC 2012,67,声电子学,混合传感器阵列,2023/3/5,NUC 2012,68,多色仪,化学遥感,分光计,衍射光栅,2023/3/5,NUC 2012,69,军需品,2023/3/5,NUC 2012,70,微型飞行器,“微星”，海军陆战
18、队士兵可以通过便携式电脑的画面，操纵“微星”侦察机，可侦察前方5km的情况,2023/3/5,NUC 2012,71,微型飞行器,2023/3/5,NUC 2012,72,利用昆虫携带传感器,机器昆虫,2023/3/5,NUC 2012,73,微型芯片火箭,在6mm4mm芯片上制造出15只火箭，并在10cm2的芯片上设计了1000万只火箭,2023/3/5,NUC 2012,74,机器人,阿蒂拉”型机器人,50cm仿人机器人（东京大学）,美国麻省理工学院研制的“阿蒂拉”型机器人重1.6kg，有32台电机，10个微处理器和150个传感器，并带有一台微型摄象机,2023/3/5,NUC 2012,
19、75,2001年，美国IEC公司研制的MIMU在155mm火炮发射,2023/3/5,NUC 2012,76,信息领域,全光通信网：光开关和开关阵列、光可变衰减器、光无源互连耦合器、可调滤波器、光相干探测器、光功率限幅器、微透镜、光交叉连接器OXC、光分插复用器OADM和波分复用器无线电话；MEMS电容、电感、传输线、RF MEMS滤波器、RF MEMS振荡器、MEMS移相器、微波收发机MEMS集成化射频前端计算机；摄像头、鼠标投影仪、喷墨打印机数据存储,2023/3/5,NUC 2012,77,数字彩色投影显示,数字微镜芯片（DMD）可以对光进行数字化调理，在不同的光照环境，最真实地投影图像
20、。,2023/3/5,NUC 2012,78,原子(微粒子)成像原理使存储容量远大于传统的磁和光原理存储。,2023/3/5,NUC 2012,79,航空、航天,航空：改进飞机性能、保证飞机安全舒适、减少躁声航天：天际信息网、微重力测量,2023/3/5,NUC 2012,80,幻影战斗机,2023/3/5,NUC 2012,81,喷气发动机,镍 管,火焰检测,2023/3/5,NUC 2012,82,2023/3/5,NUC 2012,83,皮(p)卫星,2000年2月用30m连接的两个皮卫星从母船上投放。,2000年1月第一个皮卫星发射。,验证了30m距离内的跟踪和通信。,2023/3/5
21、,NUC 2012,84,2023/3/5,NUC 2012,85,环境保护,无人值守大气环境监测网高速公路环境监测网消费类、玩具消费类电器模糊控制：摄象机、洗衣机虚拟现实目镜、游戏棒、智能玩具,2023/3/5,NUC 2012,86,其它应用,2023/3/5,NUC 2012,87,微型马达,纳米马达,分子马达,2023/3/5,NUC 2012,88,ATP纳米马达的可能应用,一种超微型的生化酶分类器,未分类的分子,分类的分子,一种超微型的ATP生化酶流量计,2023/3/5,NUC 2012,89,纳米电动机有望制造出纳米级的光学振荡器,美国加利福尼亚大学的研究人员已制造出迄今为止最
22、小的合成电动机，它由装在510nm厚的碳元素纳米管轴上的长度不足300nm的金质转子组成。,这种微型电动机可在光学电路中用于改变光路，或迅速地来回旋转以形成一个微波振荡器。,金质转子在一个由排布在硅表面的两个充电定子来驱动的碳纳米管轴上旋转,2023/3/5,NUC 2012,90,Atom Moving,In 1989 researchers at IBM figured out how to move single atoms on a crystalline surface using the STMThey later figured out how to move larger mo
23、lecules using mechanical force,用扫描隧道显微镜在晶体表面移动单个的原子。,2023/3/5,NUC 2012,91,Other Atom rearrangements,2023/3/5,NUC 2012,92,Other Atom Rearrangements,2023/3/5,NUC 2012,93,Move em out at the O.K.Corral!,With new unholy powers at their disposal the researchers at IBM decided to create a ring of Iron on t
24、he(111)surface of Copper.The ripples can actually be predicted using quantum mechanics using the particle in a box model(for those who want to try),在铜的表面实现凸起的铁边缘。,可以用量子力学来分析。,2023/3/5,NUC 2012,94,Other Quantum corals,量子 珊瑚,2023/3/5,NUC 2012,95,主要参考书,1、微机械传感器与执行器大全，张文栋等译，科学技术出版社2、微机械加工技术，黄庆安，东南大学出版社，3、微机电系统技术，石庚辰著，国防工业出版社4、微机械电子系统及其应用，刘广玉等著，北京航空航天大学出版社 5、微机械与微细加工技术，苑伟政等，西北工业大学出版社,2023/3/5,NUC 2012,96,讨 论,你个人对MEMS的认识及对MEMS发展前景的预测（300字左右）你认为什么可以用MEMS代替？谈谈你的设想（清楚即可）,
