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1、,哈尔滨工业大学机械电子工程教研室,第10章微系统基本概念,第10章 微系统简介,主要介绍有关微系统的基本概念微机械与传统机械系统的不同点微器件（机械）的加工方法,随着微纳米科学与技术(MicroNano Science and Technology)的发展，以形状尺寸微小或操作尺度极小为特征的微机械已成为人们在微观领域认识和改造客观世界的一种高新技术。微机械由于具有能够在狭小空间内进行作业而又不扰乱工作环境和对象的特点，在航空航天、精密仪器、生物医疗等领域有着广阔的应用潜力，并成为纳米技术研究的重要手段，因而受到各国的高度重视，被列为21世纪关键技术之首。,微机械,美国国会已把微机械的研究作
2、为21世纪重点发展的学科之一，美国国家基金会也拨巨资开始了微机械的研究；日本通产省1991年开始启动一项为期10年耗资250亿日元的微机械研究计划；欧共体国家在尤里卡计划中将微机械作为一个重要的研究内容，并在法、德两国组织实施。在我国，微机械的研究也逐渐得到重视，国家科委、国防科工委、国家自然科学基金委等部门将其列为重点发展项目。,微机械国内外现状,美国：MEMS(Micro ElectroMechanical System)微机电系统日本：Micro-Machine，微机械欧洲：MicroSystems，微系统,第十章 微系统简介,微系统的习惯用语,第十章 微系统简介,微机电系统（Micro
3、electroMechanicalSystems,MEMS）是在微电子技术基础上发展起来的多学科交叉的前沿研究领域。经过几十年的发展，已成为世界瞩目的重大科技领域之一。它涉及电子、机械、材料、物理学、化学、生物学、医学等多种学科与技术，具有广阔的应用前景。目前，全世界有大约600余家单位从事MEMS的研制和生产工作，已研制出包括微型压力传感器、加速度传感器、微喷墨打印头、数字微镜显示器在内的几百种产品，其中微传感器占相当大的比例。,微机电系统,1 什么是微系统2 微系统涉及的学科3 微系统的特点4 微系统的基本特征5 微系统的实例,一、微系统的有关概念,第十章 微系统简介,微机电系统是一种集成
4、了微电子电路和微机械执行器(和微机械传感器)的微小器件(或系统)。它既可根据电路信息的指令，控制执行器实现机械操作；也可以利用传感器探测或接受外部信息，传感器转换出来的信号经电路处理后，再由执行器变为机械操作，去执行信息命令。可以说，微机电系统是一种获取、处理信息和执行机械操作的集成器件。与微机电系统研究相关的基础理论、设计、材料、加工、检测和应用技术称为微机电系统技术。,微机电系统-MEMS,1.什么是微机电系统,微机电系统一般包括微传感器、微致动器（亦称微执行器）、微能源等微机械基本部分以及高性能的电子集成线路组成的微机电器件与装置。微型机械在微机电系统中依据特征尺寸，微机械可分成 1mm
5、-10mm 微小型机械 1um-1mm 微机械 1nm-1um 纳米机械。,第十章 微系统简介,以微机械为研究对象的微机电系统技术涉及多种学科,主要包括微机械学、微电子学、自动控制、物理、化学、生物、以及材料科学等基本内容,是一个多学科、高技术的边缘学科。,2.微机电系统涉及的学科,第十章 微系统简介,微机械的一个重要特点是“微”，而随之带来的是微机械的尺寸缩小所产生的尺寸效应现象，即随着尺寸缩小，物理量并非等比例缩小，当尺寸缩小到一定程度时，宏观机械的模拟原理和相似理论不再适用。所以微机械的特征和传统机械有很多不同之处。尺度效应对材料性能、机械特性、摩擦和粘附都有影响。,3.微机电系统的特点
6、,第十章 微系统简介,(1)微机械中起主导作用的力是表面力。微型机械体积小、重量轻,因此表面力与体积力相比成为主导作用的力。故随着尺寸的缩小,静电力与重力相比成为主导作用力,所以微机械常用静电力驱动。与普通机械相比,摩擦力对微机械影响比重力更大一些。(2)微机械并不是传统机械的模拟缩小。设计微型机电系统并不是追求复杂的机械结构,而是着眼于用多个简单的机械元件、传感器和人工智能的器件完成复杂的工作。,4.微机电系统的基本特征,第十章 微系统简介,(3)在能源供给上,如果微型机械系统具有移动和转动功能,电缆就会成为运动的障碍,所以微机械一般采用静电力供能，或者使用静电力激励供能。因此,原有适用于传
7、统机械的方法和原理对于微型机械已不再适用。,4.微机电系统的基本特征,第十章 微系统简介,5 微系统的实例微马达,第十章 微系统简介,5 微系统的实例微齿轮,微流量计活动微齿轮，Ni光刻而成，齿轮半径200um，高230um,第十章 微系统简介,5 微系统的实例日本Denso公司研制的微型汽车,第十章 微系统简介,微型轴承,第十章 微系统简介,5 微系统的实例微轴承,弹簧，厚3um，间隙3-4um,第十章 微系统简介,5 微系统的实例微弹簧,微齿轮,第十章 微系统简介,5 微系统的实例微齿轮组,由4um厚的多晶硅加工而成，细梁宽2.5um，长283um,第十章 微系统简介,5 微系统的实例微平
8、行四边形,微系统一般由传感器模块（微传感器）、执行元件模块（微致动器）、信号处理模块（处理单元）和外部接口模块构成。,二、微系统的组成与应用,第十章 微系统简介,微传感器是采用微电子和微机械加工技术制造出来的新型传感器。与传统的传感器相比，它具有体积小、重量轻、成本低、功耗低、可靠性高、适于批量化生产、易于集成和实现智能化的特点。同时，在微米量级的特征尺寸使得它可以完成某些传统机械传感器所不能实现的功能。,1.微传感器,第十章 微系统简介,2.微致动器,将由微传感器输出的电、光或热信号/信号处理单元的信号转换为力、转矩、位移和相位等物理参数输出。,第十章 微系统简介,工作原理是将其他能量（一般
9、是电能）转换为机械能。实现这一转换的执行机制有：静电力驱动、电磁力驱动、压电力驱动、热膨胀力驱动、磁致伸缩式驱动、气动、电液致动、凝胶致动、光致动、超声波致动、气泡驱动以及形状记忆合金膜片驱动等。,微致动器的类型、特点,第十章 微系统简介,静电致动原理,静电致动是一种使电能转换成机械能（变形能、动能）的方法。静电致动，可以看成是两块带有相反电荷的平行板相互吸引、产生变形而致动。在估算这种微执行器产生的力时，往往需要忽略静电力与施加电压之间的非线性关系。,第十章 微系统简介,压电致动原理,利用压电晶体（陶瓷、压电薄膜等）的逆压电效应或称电致伸缩致动。,压电执行器的不足：制作工艺比较复杂，而且在电
10、压驱动下位移很小，为了得到较大的位移，可采用双压电晶体片或多层压电陶瓷。,第十章 微系统简介,压电行波马达原理,第十章 微系统简介,形状记忆合金致动原理,形状记忆台金(Shape Memory Alloy，SMA)具有形状记忆效应，即这种合金在高温定形后，冷却到较低温度，并施加变形，使其存在残余变形；在这种状态下稍加热，可使其存在的残余变形消失，并恢复到高温下所固有的形状，就好像合金“记住了”高温状态下所赋予的形状一样，所以称为形状记忆合金。常用的形状记忆合金有镍钛(NiTi)合金、铜铝镍合金、铁镍合金和铁铂合金等。形状记忆合金有单程记忆和双程记忆两种。,第十章 微系统简介,致动器的特性比较,
11、第十章 微系统简介,SMA薄膜弹簧,SMA薄膜机械手最大开合110um,电热制动器 800um长，最大伸缩变形5um,SMA薄膜微驱动泵薄膜厚度20um,第十章 微系统简介,三、微结构分析时应该注意的问题,大变形及变形的非线性残余应力效应尺度效应耦合效应,残余应力引起的微梁屈曲,第十章 微系统简介,三、微系统的加工,微系统的加工包括两个方面 1 微器件的加工 2 微系统的封装（装配）,第十章 微系统简介,1.微器件的加工工艺,微器件的加工方法主要有：1）微电子加工 2）LIGA加工 3）机械微加工 4）放电微细加工 5）激光微细加工,第十章 微系统简介,1）微电子加工,微电子加工以集成电路的制
12、作工艺为基础，其加工方法主要是蚀刻，即腐蚀（化学腐蚀和物理腐蚀）。集成电路的制作工艺过程如下：薄膜沉积光刻表面改性蚀刻封装微电子加工分两大类：1）表面微加工制作两维结构 2）体微加工制作三维结构,第十章 微系统简介,2）LIGA加工,微系统技术中由集成电路光刻技术、电化学电铸技术、及高分子成型技术等整合的微光刻电铸模造(LIGA)工艺，是批量生产高深宽比微组件的最佳方法。标准的 LIGA 制程使用同步辐射 X 光为光刻源，可制作次微米精度之微结构，但因其制程成本高、程序复杂、时程长，使得以紫外光、激光作为光源的类 LIGA 工艺成为另一种发展趋势。,第十章 微系统简介,LIGA工艺实例,第十章
13、 微系统简介,3）机械微加工,第十章 微系统简介,在车床加工的槽,第十章 微系统简介,4）放电微细加工,主要有：微细电火花加工微细孔加工/微细轴加工/微细铣削加工微细电火花线切割加工微细二维零件和模具的加工微细电化学加工微细孔加工/微细轴加工/微细铣削加工,第十章 微系统简介,微细电火花加工,电火花加工由于其非接触加工的特点，作为一种有前途的微细加工方法引人注目。实现微细电火花加工的关键在于微小电极的在线制作、电极的精密伺服进给、放电能量的微小化、以及加工状态的检测控制等。,第十章 微系统简介,微细线切割加工的零件,第十章 微系统简介,5）激光微细加工,象硅、金刚石、石英、人造金刚石、玻璃、陶瓷和硬金属等采用普通方法很难加工，可以采用激光加工。对激光器的能量、光学系统、工作台的精度要求很高。有些加工还需要真空或冲入某种气体。,第十章 微系统简介,微系统的封装（装配）,微系统的封装（装配）是关键环节，对微系统寿命、可靠性等起关键作用。微系统封装有三个等级：芯片级封装/器件级封装/系统级封装主要技术：芯片准备表面键合引线键合密封,第十章 微系统简介,微系统的装配,象行星轮系、微马达、微涡轮等，要想将这些微零件装配到一起，目前很困难，大多用手工操作。关于微装配的研究正在进行。,第十章 微系统简介,
