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1、第1章 绪论(第1部分),MEMS研究发展史MEMS概念MEMS技术发展概况器件及应用实例MEMS的本质特征小型化微电子集成高精度的批量制造器件：传感器与执行器能量域与换能器传感器执行器MEMS与微电子学,What？,MEMS研究发展史MEMS基本概念,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,尺度,Factor Prefix Symbol Factor Prefix Symbol10+24 yotta Y 10-24 yocto y10+21 zet
2、ta Z 10-21 zepto z10+18 exa E 10-18 atto a10+15 peta P 10-15 femto f10+12 tera T 10-12 pico p10+9 giga G 10-9 nano n10+6 mega M 10-6 micro 10+3 kilo k 10-3 milli m10+2 hecto h 10-2 centi c10+1 deca da 10-1 deci d,典型尺寸,1光年=9.461015米美特好到中北大学15公里人身高1.x米小米直径1毫米红细胞直径8微米可见光波长380-780纳米氢原子直径0.1纳米，质子直径1.610-
3、15米,1 cm beetle 甲虫1 mm head louse 跳蚤100 m hair 头发 10 m blood cells 血球 1 m bacteria 细菌100 nm virus 病毒 10 nm IC features 线宽 1 nm DNA双螺旋结构 0.1-0.3nm atom 原子,自然的微小世界,微型车床 Micro Lathe-Japan,小汽车和米粒Mini Car and Rice-Toyota,微型飞行器Micro Aerial Vehicle-MIT,微型机器人 Micro Robot-US,人造的微小世界,（28克，4cm3）,定义,定义MEMS是什么？M
4、irco-微-（尺寸、适于批量加工）Electro-电子-Mechanical机械-System系统-（解决系统问题）,换能,微加工和小型化技术与科技生活,计算机、互联网、蜂窝电话、数码照相、平板显示、等离子电视、节能汽车、人类基因组测序、快速DNA序列识别、新材料和药物、电子战等,集成电路技术是MEMS发展历史的起点电子器件小型化和多功能集成是微加工技术的推动力,MEMS研究发展史MEMS技术发展概况,MEMS研究发展史,19世纪：照相制版1947年：发明晶体管技术基础1951年：显象管遮蔽屏光学应用1952年：表面微加工专利(美)1954年：Si、Ge压阻效应1955年：IC概念的出现19
5、58年：第一个集成电路1960年：开始使用硅各向同性腐蚀工艺1962年：晶体的异向腐蚀1963年：日本丰田研究中心制作出硅微压力传感器1966年：机械研磨做硅腔1967年：振动门晶体管牺牲层腐蚀,1967年：发明硅各向异性腐蚀工艺1968年:阳极键合1969年:基于掺杂浓度的腐蚀1970年：硅微电极（斯坦福大学）1973年：内窥镜用硅压力传感器（斯坦福大学）1974年：集成气相质谱仪（斯坦福大学）1976年：KOH 腐蚀，MEMS加工手段1979年：集成压力传感器（密西根大学）1979年：第一个压阻式微加速度计1982年：LIGA工艺（德国原子力研究所）1982年：第一个静电微马达、“微制造”
6、的出现,1982年：美国IBM和UC Berkeley研制了集成电容加速度计1986年：硅反馈式加速度计（瑞士CSEM）1986年：集成流量控制器（日本东北大学）1987年：微齿轮等（UC Berkeley、贝尔研究所）1987年：UC Berkeley研制出转子直径为60120m的硅微 静电电机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20世纪90年代中：ICP促进体硅工艺快速发展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20世纪90年代末：美国Sandia实验室发表5层多晶硅工艺,第一个晶体管（NPN Ge）1947年
7、12月23日W.SchokleyJ.BardeenW.Brattain,1958年第一块集成电路：TI公司的Kilby，12个器件，Ge晶片,获得2000年Nobel物理奖,82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,1988年：静电旋转微马达,Richard S.MullerUCB,Berkeley,CA,USA,Fan Long-Shen,Tai Yu-Chong and Muller R S 1989,IC-processed electrostatic micromotors Sensors Actuators,20 417,20世纪90年代
8、初：气囊微加速度计产业化,气囊微加速度计的集成电路版图,20世纪90年代中：ICP的出现促进体硅工艺快速发展,90年代末：Sandia实验室5层多晶硅技术代表最高水平,2000年底：MEMS Si宣布研制成功与标准 CMOS兼容的加速度计 最新动向,MEMS研究发展史器件及应用实例,(1)压力传感器最成熟、最早开始产业化压阻式和电容式 压阻式微压力传感器的精度：0.050.01，年稳定性达0.1/F.S，温度误差为2ppm，耐压可达几百兆帕，过压保护范围可达传感器量程的20倍以上。,几个商业化了的MEMS产品,(2)微加速度计 微加速度计是微型惯性测量组合的关键基础元件汽车安全气囊系统：体积小
9、、成本低、集成化等特点美国AD公司的ADXL美国摩托罗拉公司批量生产汽车用MMAS40G电容式微加速度计美国EG&G IC,(3)微喷基于MOEMS技术的微喷已成为MOEMS领域的一种典型器件，它的应用涉及科学仪器、工业控制以及生物医疗等多个领域，目前主要的应用方向有喷墨打印、芯片冷却、气流控制以及微推进系统，应用于药物雾化供给的微喷研究也正在兴起。喷墨打印机的喷墨打印头，年产值数亿美元。,(4)数字微镜器件 与传统的CRT和LCD投影显示技术相比：足够的亮度，均匀性和稳定性反射显示：德州仪器设计的数字驱动微简易阵列芯片（DMD，Digital Micromirror Device)，实际上是
10、反射式微光开关阵列。每一个微镜对应图象的一个像素，一个微镜的尺寸仅为16m16m。DMD可以承受1500g的机械冲击、20g的机械振动，设备的使用寿命超过了100,000小时。一块完整的DMD半导体芯片：镜面是由一百三十万个微反射镜组成的长方形阵列，每个微镜对应于投影画面中的一个光学像素。,典型MEMS器件硅微惯性传感器,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,典型MEMS器件微流体器件,典型MEMS器件微型喷,典型MEMS系统微型机器人,典型MEMS系统微汽车,车长4.8mm车速10mm/s,典型MEMS系统微型卫星,美国提出的硅固态卫星的
11、概念图，这个卫星除了蓄电池外，全由硅片构成，直径仅15cm,典型MEMS系统微型飞行器,MEMS的发展趋势,表面牺牲层技术向多层化、集成化方向发展体硅工艺主要表现为键合与深刻蚀技术的组合，追求大质量块和低应力表面工艺与体硅工艺进一步结合设计手段向专用CAD工具方向发展,强国：美国、日本、德国美国在几年前已经有DMD数字微镜器件、加速度计等批量产品进入市场；德国制定了从1990年起5年周期，投资4亿马克的微机械系统技术计划日本通产省工业技术院将微型机械技术列入1990s的九个大型计划之一。,微机电系统的实例,Examples,CMOS压阻式微加速度计,IC Sensors研制的CMOS压阻式微加
12、速度计，量程为500g。,ADXL-202E的集成芯片电路版图,双轴数字输出加速度计ADXL-202E量程是 2g带宽可以通过外,界电容从0.01Hz调到5kHz，噪声指数是,能同时测量,动态和静态加速度，且采用了脉冲调制占空比输出，可以直接进入单片机处理，或者通过滤波器转换成模拟量.,静电驱动电容检测微陀螺仪,伯克利的振动轮式微陀螺仪,差分电容式微麦克风,压电式微麦克风的照片,双轴倾斜微镜结构,TNI公司的四自由度微镜与集成电路,朗讯公司,光交叉连接器结构图,德国Campus Micro Technologies GmbH压阻式流量传感器,热流式微型流量传感器实例,香港科技大学研制的微管道,
13、典型的MEMS器件的长度尺寸1m1cm小型化带来的优点：质量减少柔性支撑、高谐振频率、低热惯性不容易损伤生物体神经探针阵列小型化带来的问题：比例尺度定律弹性常数与尺度的关系：kl表面积/体积比与尺度关系：1/L,MEMS的本质特征小型化,在实际工程应用中，需要同时评估几个不同性能的比例尺度关系，以得到总体上的性能优点例如对于AD公司的加速度传感器，下面的几个关键性能都会随着尺寸的变化而发生改变：支撑梁的弹性常数与灵敏度有关支撑梁的谐振频率与带宽有关总电容值与灵敏度有关。小型化可以使支撑梁的刚度更小、谐振频率更高和带宽更宽，但这同时会减小电容值，使得接口电路变得复杂（因为要读取非常小的信号）,进一步减小尺寸到NEMS领域，可以得到超高的谐振频率（1GHz），以至于其灵敏度足以探测单个细菌、细胞、分子甚至光子间的相互作用。,将传感器、执行器与处理及控制电路同时集成在单一芯片上，形成单片集成的MEMS系统。在某些成熟的商业化MEMS产品中，将电路与MEMS结构集成所带来的性能优势起到关键性作用：气囊加速度传感器、数字光处理器、喷墨头,MEMS的本质特征微电子集成,传统机械系统的制造方法：设计零件加工装配安装MEMS的制造方法：设计一次性批量加工成型封装所使用方法：微加工技术批量制造的优势：成本优势，均匀性，一致性和重复性,MEMS的本质特征批量制造,
