第三讲 MEMS
MEMS
第一章简介1.1 什么是MEMS技术？微机电系统（MEMS）是通过微加工技术将机械元件，传感器，执行器和电子元件集成在一个硅衬底上而形成的。
其中电子元件是由集成电路（IC）工艺序列加工而成（例如，CMOS，双极型晶体管，或者BICMOS），微机械部件是用可兼容的“微加工”技术加工而成的，通过这种技术可以选择性地刻蚀掉硅晶片的某些部分或者再添加新的结构层以制成机械和电机械器件。
MEMS技术通过将基于硅的微电子技术与微加工技术相结合起来，有望革新目前几乎每一种产品类型，实现完全的片上系统。
MEMS是一种使能技术，它可以促进智能产品的开发，提高微电子器件的计算能力和微传感器微执行器的感知和控制能力，扩大可能的设计和应用空间。
微电子集成电路可以看做是一个系统的“大脑“，而MEMS通过“眼睛”和“手臂”使得微系统感知和控制外部环境来增强这种决策能力。
传感器通过测量各种力学，热学，生物，化学，光学和磁现象从外界收集信息。
然后电子元件处理从传感器得到的信息并通过某些决策决定来引导执行器响应以实现诸如运动，定位，调节，抽吸和滤波等功能，从而通过控制环境得到想要的结果或目的。
因为MEMS器件是采用与集成电路相似的批加工技术制造，可以在一个小硅片上以相对低的成本在功能性，可靠性和复杂度方面达到以往不及的水平。
1.2 MEMS和纳米技术的应用目前MEMS和纳米技术有很多可能的应用。
作为一种突破技术，它使得在以前毫不相关的领域之际开展非平行的协作，比如生物学和微电子学。
许多新的MEMS和纳米技术的应用将会涌现，将我们目前已知的领域不断扩展。
下面给出的是一些当前热点应用：生物科技MEMS和纳米技术在科学和工程领域不断促成新的发现，譬如聚合酶链反应（PRC），用于DNA扩展和识别的微系统，微加工技术制造的扫描隧道显微镜（STMs），用于危险化学和生物试剂检测的生物芯片，以及高产量药品的筛选等。
通信高频电路性能将会随着射频MEMS技术的出现而得到显著提高。
MEMS器件3
线性马达
弧形梳齿 原理 应用
静电
静电
旋转马达 原理
美国喷气推进实验室(JPL)展示的采用MEMS技术的电阻电热式微推进器样机（液体气化方式）。微推进器由薄膜加热器、微型喷口等组成。其性能目标为：比冲75～125s，推力0.5mN，功率 <5W，效率≥50%，质量为几克，大小为1cm2。
微推进器
光纤加速度传感器
透射式光强器
偏振式光强调制型光纤加速度传感器
两质量块分置于弹性圆柱两端, 弹性圆柱固定在壳体上, 弹性圆柱的两端分别相向绕以椭圆芯双折射率光纤。当柱体产生轴向加速运动时, 在质量块惯性力的作用下一根光纤被拉伸, 另一根光纤被压缩, 致使两根光纤的双折率产生等量反向变化。光信号检偏后的光强即反映加速度的大小
微机械22光开关 微机械2 2光开关
光开关
RFMEMS 光开关
光纤固定结构
V形槽 各种卡紧结构
加速度计 压阻式加速度计 电容式加速度计 压电式加速度计
惯性器件
MEMS加速度
MEMS加速度分为三种:压电式、容感式、热感式。 压电式MEMS加速度计运用的是压电效应，在其内部有一个刚体支撑的质量块，有运动的情况下质量块会产生压力，刚体产生应变，把加速度转变成电信号输出。 容感式MEMS加速度计内部也存在一个质量块，从单个单元来看，它是标准的平板电容器。加速度的变化带动活动质量块的移动从而改变平板电容两极的间距和正对面积，通过测量电容变化量来计算加速度。 热感式MEMS加速度计内部没有任何质量块，它的中央有一个加热体，周边是温度传感器，里面是密闭的气腔，工作时在加热体的作用下，气体在内部形成一个热气团，热气团的比重和周围的冷气是有差异的，通过惯性热气团的移动形成的热场变化让感应器感应到加速度值。
mems 积分
mems 积分
MEMS（Micro-Electro-Mechanical System，微电子机械系统）是一个集微型传感器、执行器以及信号处理和控制电路、接口电路、通信和电源于一体的微型机电系统。
MEMS技术原理是通过系统的微型化、集成化来探索具有新原理、新功能的元件和系统，其具有微型化、智能化、多功能、高集成度和适于大批量生产等基本特点。
在MEMS中，微惯性导航系统（Micro-Inertial-Navigation System，简称“微惯导”）是一种基于MEMS传感器技术的微型惯性导航系统。
惯性导航系统的基本工作原理是以牛顿力学定律为基础，通过测量载体在惯性参考系的加速度，将其对时间进行积分，并将其变换到导航坐标系中，从而得到在导航坐标系中的速度、偏航角和位置等信息。
微机电系统（MEMS）传感器类似于人的感官系统，例如MEMS麦克风芯片相当于人的耳朵，可以感知声音；MEMS扬声器芯片相当于人的嘴巴，可以发出声音；MEMS加速度计、陀螺仪、磁传感器芯片相当于人的小脑，可以感知方向和速度；MEMS压力芯片相当于人的皮肤，可以感知压力；MEMS化学传感器相当于人的鼻腔，可以感知味道和温湿度。
没有MEMS芯片的人工智能和万物互联，就相当于没有感官器官的人。
因此，MEMS技术可以在许多领域中得到应用，例如在消防救援、武警反恐、应急救援等领域中得到了比较成熟的应用。
此外，MEMS 声学传感器主要指硅麦克风、超声波传感器等，其中硅麦克风是应用
最多的MEMS声学传感器。
硅麦克风是指利用MEMS技术，在硅基上制造的微缩麦克风，迎合目前3C产品小型化和集成化趋势，所以TWS耳机、手机麦克风，才会实现如此集成化效果。
2014(压阻-第3讲)详解
由于πE一般都比（1+2μ）大几十倍甚至上百倍，因此
引起半导体材料电阻相对变化的主要原因是压阻效应， 所以上式可近似写成
dR E
R
式中 π——压阻系数；E——弹性模量；
σ——应力； ε——应变。 上式表明压阻传感器的工作原理是基于压阻效应。
扩散硅压阻式传感器的基片是半导体单晶硅。单 晶硅是各向异性材料，取向不同其特性不一样。而取 向是用晶向表示的，所谓晶向就是晶面的法线方向。
（100）晶面上的压阻系数曲线
2007
MEMS Center, Harbin Institute of Technology Harbin, 150001, China
2007
MEMS Center, Harbin Institute of Technology Harbin, 150001, China
电阻相对变化量
dR d 1 2
R
对金属材料 对半导体材料
dR 1 2
R d E
dR 1 2 E 1 2
R MEMS Center, Harbin Institute of Technology Harbin, 150001, China
2007
MEMS Center, Harbin Institute of Technology Harbin, 150001, China
随着压力传感器应用范围逐渐扩大，对其应用条件的要求
也越来越苛刻。如航空、航天、汽车用发动机的压力测量， 石油化工高温环境下的压力监测等，对300℃以上高温压 力传感器都有迫切的需要。传统的单晶硅扩散压阻式压力 传感器由于存在p-n结隔离问题，无法工作在200℃以上温 度范围。耐高温研究是硅压力传感器研究的一个主攻方向。
MEMS的原理及应用
MEMS的原理及应用前言微机电系统（Micro Electro-Mechanical Systems，MEMS）是一种将微米尺度的机械元件和微电子元件集成在一起的技术。
它结合了机械学、电子学和计算机科学等领域的知识，广泛应用于各个领域。
本文将介绍MEMS的原理及其在不同领域的应用。
MEMS的原理MEMS的核心原理是利用微米尺度的机械结构来感知和操控物理量。
这些微米尺度的结构通常由硅或其他材料制成，并且与电子元件集成在一起。
MEMS器件利用微机械结构的运动或变形来实现各种功能。
下面是一些常见的MEMS原理：1.微加工技术：MEMS器件通常是通过光刻和微加工技术制作的。
这些技术允许制造出微米级别的机械结构和电子元件。
2.机械传感器：MEMS器件中最常见的一类是机械传感器，用于感知物理量如压力、加速度、温度等。
典型的机械传感器包括压力传感器、加速度传感器和陀螺仪等。
3.微操控器件：除了传感器，MEMS还包括微操控器件，用于操控物理量如运动、振动等。
例如，微镜头用于手机的自动对焦功能就是一种微操控器件。
4.集成电子元件：最重要的一点是，MEMS器件通常与集成电子元件一起工作。
传感器通过电子元件将感知到的物理量转化为电信号，而操控器件则接收电信号并操控相应的物理量。
这种集成使得MEMS器件具有高度的智能化和自动化能力。
MEMS的应用MEMS技术在各个领域都有广泛的应用。
下面列举了几个典型的应用领域：1. 电子设备•手机：MEMS技术使得手机具备了更多的功能，如自动对焦摄像头、陀螺仪和加速度传感器等。
•智能手表：智能手表中的MEMS技术可以实现计步器、心率监测和气压计等功能。
•耳机：MEMS技术可以用于制作微型麦克风和降噪器，提高音质和通话质量。
2. 医疗领域•生物传感器：MEMS技术可以用于制作微型生物传感器，实现疾病的早期诊断和监测。
•药物传递系统：利用MEMS技术，可以制作微型药物传递系统，实现精确的药物控制和释放。
MEMS原理解读
什么是MEMS？
• MEMS是英文Micro Electro Mechanical systems的缩写，即微 电子机械系统。微电子机械系统(MEMS)技术是建立在微米/纳 米技术（micro/nanotechnology）基础上的21世纪前沿技术， 是指对微米/纳米材料进行设计、加工、制造、测量和控制的技 术。它可将机械构件、光学系统、驱动部件、电控系统集成为一 个整体单元的微型系统。这种 微电子机械系统不仅能够采集、 处理与发送信息或指令，还能够按照所获取的信息自主地或根据 外部的指令采取行动。它用微电子技术和微加工技术(包括硅体 微加工、硅表面微加工、LIGA和晶片键合等技术)相结合的制造 工艺，制造出各种性能优异、价格低廉、微型化的传感器、执行 器、驱动器和微系统。 微电子机械系统（MEMS）是近年来发 展起来的一种新型多学科交叉的技术，该技术将对未来人类生活 产生革命性的影响。它涉及机械、电子、化学、物理、光学、生 物、材料等多学科。
Materials for MEMS Manufacturing
• Silicon • Polymers [ˈpɔlimə] • Metals
MEMS Basic Processes
• This chart is not complete:
Basic Process
Deposition
Patterning
MEMS description
• MEMS technology can be implemented using a number of different materials and manufacturing techniques; the choice of which will depend on the device being created and the market sector in which it has to operate.
mems硅麦内部结构
mems硅麦内部结构
MEMS（Micro-Electro-Mechanical Systems）是一种微型电子机械系统，它由微型机械结构、电子电路和传感器组成。
而硅麦则是MEMS中的一种常见应用，它利用硅片制作微型机械结构，并通过电子电路和传感器实现声音的转换和放大。
硅麦的内部结构主要包括声音传感器、微型机械结构和电子电路三部分。
首先是声音传感器，它是硅麦的核心部件。
声音传感器通常采用压电材料制成，如铌酸锂晶体。
当声波通过声音传感器时，晶体会受到声波的压力而产生微小的形变，形变后的晶体会产生电荷累积，进而产生电压信号。
接下来是微型机械结构，它承载着声音传感器并起到了放大声音信号的作用。
微型机械结构通常由硅片制成，其表面被刻蚀成类似蜂窝状的结构，这种结构能够起到放大声音信号的作用。
当声波通过微型机械结构时，声波的振动力会使微型机械结构发生振动，进而使声音信号得到放大。
最后是电子电路，它负责接收和处理声音信号。
电子电路通常由放大器、滤波器和模数转换器等组成。
放大器负责放大声音信号，使其能够更好地被后续电路处理；滤波器则用于滤除噪音，提取出纯净的声音信号；模数转换器将模拟声音信号转换为数字信号，以便
后续数字设备进行处理。
MEMS硅麦的内部结构包括声音传感器、微型机械结构和电子电路三部分。
声音传感器通过压电材料将声波转化为电压信号，微型机械结构起到放大声音信号的作用，而电子电路则负责接收、处理和转换声音信号。
这一结构的设计使得MEMS硅麦具有了高灵敏度、低功耗和小尺寸等优势，广泛应用于手机、耳机、录音设备等音频领域。
MEMS技术 第三讲 工艺设计及版图设计
器件设计
• 原理
• 性能
第三讲主要内容
(3)
1、系统设计与器件设计 2、工艺设计 3、版图设计 4、关于微器件的一般知识
电容原理加速度传 感器
？
工艺流程设计
• Substrate passivation and poly ground plane
• n+ diffusion, 0.5 m thermal oxide, 0.15 m LPCVD nituride • 0.3 m phosphorus-doped LPCVD poly
进口
硅
出口
利用这种双金属 片致动原理研制 的阀如图4-319 所示。其中，硅 膜厚、直径为， 铝层厚，常开间 隙为的阀可控 0.2MPa、的气流， 泄漏仅为 45μL/min
体积膨胀和相变执行器
• 不利用固体的线形膨胀，而是利用体积膨胀也可
以制造出微机械执行器。一种典型的方法是形成 带有密封流体的空腔（如：空气、水蒸汽和液态 水等），这些物质可以被加热，然后就会膨胀。 但是，就象别的许多热驱动方法一样，这种方法 功耗较大，带宽较低，这是由于热时间常数所致。 变相的热执行器包括加热时相态可变的材料，这 样体积发生膨胀从而产生压力以及机械载荷。例 如，可以通过加热将水从液态转变为气态，产生 的气泡可以用作驱动力。
－Depositon of material Pattern transfer Removal of material
probe testing secticning individual DIE Assembly into package package seal final test
MEMS和微系统设计
课程内容
微机电系统MEMS的学习 ppt课件
先加工机械结构，再加工电路
几种重要的MEMS器件
微机电系统MEMS的学习
惯性MEMS器件
➢ 加速度计 ➢ 陀螺 ➢ 压力传感器
光学MEMS器件
➢ 微光开关 ➢ 微光学平台
微执行器
➢ 微喷 ➢ 微马达
生物MEMS器件 其它
微机电系统MEMS的学习
加速度计
➢压阻式加速度计 ➢电容式加速度计 ➢压电式加速度计
微机电系统MEMS的学习
美国喷气推进实验室(JPL)展示的采用MEMS技术的电阻电热 式微推进器样机(固体升华方式)。微推进器由推进剂出贮箱、 微阀、微过滤器、微型喷口等组成，微型喷口利用MEMS技术 中 的 体 硅 工 艺 制 作 。 其 性 能 目 标 为 ： 比 冲 50 ～ 75s ， 推 力 0.5mN，功率 <2W/mN，质量为几克，大小为1cm2。
微机电系统MEMS的学习
新概念的微型双组元火箭发动机结构图
组成: 由5到6片芯 片叠在一起，内有混合 燃烧室、喷口喷管、两 个泵和两个阀以及冷却 管道的多器件集成系统 。用液态氧和乙醇作燃 料
性能：能产生15N 的推力，推力重量比达 1500:1，是大火箭推进 器的10~100倍，反映了 微系统的潜力
微机电系统MEMS的学习 三种加速度计的特性比较
技术指标 阻抗
电负载影响 尺寸
电容式 高
非常大 大
压电式 高 大 小
压阻式 低 小
中等
温度范围 线形度误差
直流响应 交流响应 有无阻尼
灵敏度 冲击造成的零位漂移 旋转或无需校准功能
电路复杂程度 成本
交叉轴敏感度
非常宽
宽
中等
高
中等
低
有
mems的基本工作原理
mems的基本工作原理MEMS，听起来是不是有点高大上？其实它就是“微机电系统”的缩写。
想象一下，微小的机械和电子元件一起跳舞，嘿，就是这么神奇！MEMS的基本工作原理，其实就是利用微小的结构和传感器来感知、操作和控制各种环境因素，简单来说，就是把大脑放在小小的芯片里。
你知道吗？这些小家伙们就像我们的手指头，能够感知温度、压力、加速度等等，简直厉害得不行。
说到MEMS，大家可能首先想到的就是那些在手机里用得飞起的传感器。
每当你把手机横着拿，画面瞬间转变，那就是MEMS的功劳。
小小的加速度计在不停地感知你的手机角度，迅速做出反应，简直像个小精灵，灵敏得让人惊叹。
还有更酷的，像是那些智能手表、运动追踪器，都在用MEMS来监测你的步伐、心率，嘿，这些都是小小的MEMS在背后默默奉献，真的是为科技增添了不少光彩。
再说说这些微小元件的制造过程，听起来可能有点复杂，但其实它们的制造工艺就像做蛋糕一样，需要精确的配比和步骤。
制造商会在硅片上进行光刻，这就像在硅片上画图，接着通过刻蚀、沉积等步骤，逐步形成我们需要的微小结构。
整个过程细致入微，就像是在做一个精美的手工艺品，谁敢小觑这其中的艺术呢？哦对了，MEMS还广泛应用于汽车行业哦！比如说，你坐在车里，突然发现车子在转弯的时候会自动调整，这可不是魔法，而是MEMS加速度计在“帮忙”呢。
它们能够实时感知车辆的动态变化，帮助驾驶员保持稳定，简直是开车的小助手。
再比如，气囊的启用也是靠这些传感器的反应，保护你的安全，真是“英雄救美”！说到MEMS的优点，那可是数不胜数。
它们体积小巧，能量消耗低，轻松适应各种设备，真是无处不在。
就像那个你总在包里翻找的多功能工具，什么都有。
MEMS的成本相对较低，这让许多科技产品得以普及，人人都能享受到科技带来的便利。
它们的响应速度快，简直是一秒钟的事情，真是快得让人眼花缭乱。
MEMS也不是完美无瑕的，偶尔也会有些小问题，比如说灵敏度不够，或者在极端环境下表现不佳。
mems概念 -回复
mems概念-回复“mems概念”是指微机电系统（Micro-Electro-Mechanical Systems）的缩写，是一种将微观尺度的电子技术、机械工程和传感器技术相结合的技术及应用领域。
本文将分为以下几个部分对“mems概念”进行详细介绍。
第一部分：mems的概述Micro-Electro-Mechanical Systems（MEMS），又称为微机电系统，是一种集成微小电子器件、机械结构以及传感器等元件于一体的技术。
其工作原理是利用半导体制造工艺和微纳米加工技术，将微小尺寸的机械系统与电子系统结合在一起，形成了一个具有自主感知、控制和执行功能的系统。
第二部分：mems的组成和原理mems由微小的机械结构、电子元件、传感器和通信接口等组成。
其中，微小的机械结构包括微机械臂、微机械电机、微弹簧等，它们通过微纳米加工技术制造而成。
电子元件包括处理器、存储器、电源等，用于控制微机械系统的运动和执行功能。
传感器用于感知外界的物理和化学变量，例如温度、压力、光线等。
通信接口用于与外界进行数据交互和通信。
mems的工作原理是通过电子和机械之间的相互作用，实现信号的感知、控制和执行。
当外界物理或化学变量改变时，传感器将信号转换为电信号，并通过通信接口传输给处理器。
处理器根据接收到的信号，计算出相应的控制信号，并送达给微机械系统。
微机械系统根据控制信号进行运动和执行相应的功能。
第三部分：mems的应用领域mems技术具有广泛的应用领域，包括但不限于以下几个方面：1. 传感器：mems传感器广泛应用于汽车、智能手机、医疗设备等各种领域，用于测量和感知环境中的物理和化学参数，例如温度、压力、加速度等。
2. 生物医学：mems在生物医学领域被用于制造微型药物输送系统、生物传感器和微型手术工具，为医学诊断和治疗提供了新的手段和工具。
3. 光学：mems技术在光学领域用于制造微型光学元件，例如显示器中使用的微型投影仪和光学陀螺仪。
半导体应变片 mems
半导体应变片 mems
半导体应变片（MEMS）是一种微型机电系统，由微电子和微机械结合而成，用于测量和控制物理量。
它通常由半导体材料制成，并具有微小的尺寸和高度集成的特点。
半导体应变片利用半导体材料的特性，通过应变效应来测量压力、力、振动、加速度等物理量。
其工作原理是通过将应变片固定在测量物体上，当物体受到外力作用时，应变片会发生形变，进而改变其电阻、电容或震动频率等性质，从而实现对物理量的测量。
半导体应变片具有灵敏度高、响应速度快、体积小、功耗低等优点，广泛应用于汽车、航空航天、医疗、智能手机等领域。
例如，在汽车领域，半导体应变片可用于测量轮胎压力、引擎油位等，以提高车辆的安全性和性能。
半导体应变片是一种微型传感器，利用半导体材料的应变效应来测量物理量，具有广泛的应用前景。
MEMS简介3PPT课件
✓在全球前30名MEMS公司的榜单中，很多公司受惠于智能手机市场的 蓬勃发展。例如瑞声科技（AAC）凭借MEMS麦克风的强劲增长（2012 年营收增长90%，达到6500万美元），首次挤进全球前30名。 ✓中国驻极体麦克风供应商购买英飞凌（Infineon）的MEMS裸片，然后 自己做封装、测试和销售，并成为苹果iPhone的第二货源。
• 意法半导体于2006 年成为全球首家以200 mm 晶圆生产MEMS 传感 器的厂商；
• IHS iSuppli 的统计数据显示：
a. 2012 年全球MEMS 芯片市场成长约5%，规模达到83 亿美元； b. 意法半导体与博世并列全球第一大MEMS 供应商，其中意法半导体营收年成长率23%
，博世年成长率为8%；
MEMS产业现状 及全球MEMS市场
(1)美国
MEMS的研究在60年代首先从斯坦福大学开始，逐步扩展到佐治亚理 工学院和加利福尼亚大学洛杉矶分校等大学，众多美国大学拥有了 100～150mm晶圆生产线。
(2)法国
法国有关MEMS的研发基地较为集中，主要由国立研究所法国LETI（ Laboratoire dElectronique de Technologie de lInformation，电子和信息 技术实验室）承担。
➢ MEMS与CMOS制程技术的整合
➢ 3D 封装技术在异质整合特性下，可进一步整合模拟RF、数字Logic、 Memory、Sensor、混合讯号、MEMS 等各种组件
MEMS产业现状 及全球MEMS市场
MEMS产业现状 及全球MEMS市场
3.2.3 MEMS晶圆代工厂
• 近几年以来美国也有几家规模较小的晶圆代工厂，持续投入资源用 于MEMS晶圆代工；
压力传感器MEMS简介演示
，且制造工艺复杂。
03
压电式
利用压电晶体感受压力，将压力转化为电压或电荷变化，输出电信号。
具有灵敏度高、响应速度快、体积小等优点，但易受温度和湿度影响，
且制造工艺复杂。
压力传感器的应用场景
工业控制
用于生产过程中的压力控制、 气体分析等。
汽车电子
用于汽车发动机控制、刹车系 统等。
医疗设备
用于血压、呼吸等生理参数的 监测。
谐振式MEMS压力传感器
利用谐振腔的谐振频率变化感应压力，具有高精 度和稳定性好的特点，适用于高端应用和工业过 程控制。
MEMS压力传感器制造工艺流程
制造工艺流程
MEMS压力传感器制造涉及微机械 加工、微电子加工、光电子加工等技 术，包括硅片加工、薄膜加工、掺杂 、光刻、腐蚀等工艺步骤。
制造材料
MEMS压力传感器制造常用的材料包 括单晶硅、多晶硅、玻璃、聚酰亚胺 等，不同材料适用于不同的应用场景 和性能要求。
医疗压力传感器应用案例
总结词
医疗领域是MEMS压力传感器的另一个重要应用领域，主要 用于监测血压、呼吸和内压等。
详细描述
在医疗领域，MEMS压力传感器主要用于监测人体的生理参 数，如血压、呼吸和内压等。这些传感器能够实时监测患者 的生理状态，为医生提供准确的数据参考，有助于诊断和治 疗。
工业过程控制压力传感器应用案例
总结词
工业过程控制是MEMS压力传感器的另一个应用领域，主要用于控制和监测工业生产过程中的各种气体和液体压 力。
详细描述
在工业过程控制中，MEMS压力传感器主要用于检测和控制各种气体和液体的压力，如空气、燃气、蒸汽、水等 。这些传感器能够实时监测压力变化，确保工业生产过程的稳定性和安全性。
mems原理
mems原理MEMS原理。
MEMS，即微机电系统（Micro-Electro-Mechanical Systems），是一种将微小的机械和电子元件集成在一起的系统，它将微机械技术、微电子技术和信息处理技术相结合，是微纳技术的重要组成部分。
MEMS技术的发展，极大地推动了传感器、执行器、微型化机械和微型化电子系统的发展，广泛应用于医疗、军事、通信、汽车、航空航天等领域。
MEMS的工作原理主要基于微机械结构和微电子元件的相互作用。
微机械结构是MEMS的核心，它由微型传感器和微型执行器组成。
微型传感器可以将机械、热、光、声、化学等各种信号转换为电信号，而微型执行器则可以将电信号转换为机械、光、热等各种形式的能量输出。
微电子元件则是用于控制和处理传感器采集到的信号，以及驱动执行器进行相应的操作。
MEMS的工作原理可以简单概括为三个步骤，传感、处理和执行。
首先是传感，传感器将外界的各种信号转换为电信号，然后是处理，微电子元件对传感器采集到的信号进行处理和分析，最后是执行，执行器根据处理后的信号进行相应的操作。
这三个步骤相互配合，完成了MEMS系统对外界信号的感知、处理和响应。
在MEMS的工作原理中，微机械结构的设计和制造是至关重要的。
微机械结构的设计需要考虑到微小尺寸、高灵敏度、低功耗等特点，同时还需要考虑到材料的选择、制造工艺、可靠性等方面的问题。
微机械结构的制造则需要借助微纳加工技术，例如光刻、薄膜沉积、离子刻蚀等工艺，来实现微米甚至纳米级别的精密加工。
除了微机械结构的设计和制造，MEMS的工作原理还与微电子技术密切相关。
微电子元件的设计和制造需要考虑到功耗、集成度、信噪比等因素，同时还需要考虑到与微机械结构的集成和互联。
微电子元件的制造则需要借助半导体工艺，例如光刻、薄膜沉积、离子注入等工艺，来实现微型电子元件的制造和集成。
综上所述，MEMS的工作原理是基于微机械结构和微电子元件的相互作用，通过传感、处理和执行三个步骤来实现对外界信号的感知、处理和响应。
MEMS工艺讲义
MEMS工艺讲义MEMS技术是一种利用微纳米加工技术制造微型机械系统的技术。
这种技术在生产过程中，将先进的微电子技术、微加工工艺和制造技术相结合，以实现对微型机械系统的制造。
它广泛应用于人类生活的各个领域，例如医疗检测、计算机、通信、生物医疗、环境检测等领域。
本文将介绍MEMS的工艺过程。
MEMS制造技术主要分为三个步骤，分别是芯片制造、表面加工和封装。
具体而言，在芯片制造部分，主要是利用微电子加工技术来制造硅晶片等材料的基片。
在这个过程中，反复进行投影光刻、氧化和刻蚀等步骤，将微细的结构形状逐渐雕刻出来。
这个过程中，需要使用到物理和化学的反应过程，对芯片表面进行微细加工。
其中，最重要的是投影光刻技术，这个技术是利用光去逐渐剥离出细小的结构。
在表面加工环节，MEMS的制造遵循一样的制造工艺，通常涉及到湿法腐蚀、干法腐蚀、染色、表面处理等技术。
这些加工可以进行到其中一个芯片的特定区域，并且有助于减小MEMS芯片的波纹度、便于微小结构的制造。
在封装过程中，最关键的是将制作好的微型器件较好地保护，以避免受到因未知环境产生的磨损或噪音等影响。
通常，MEMS器件剩余的背景片需被凿短至可被封装，然后门径将封装、存储、供能电池以及不同模块重新组合在一起，以完成整体器件。
总之，MEMS工艺流程是一个技术密集型、高度精细的过程，在整个制造过程中，无论是在芯片制造还是表面加工和封装过程中，都需要严格按照规定的加工流程和标准去完成各个环节。
只有这样才能保证制作出的微型器件的质量和性能完全符合设计要求，一方面，增强了远距离控制机器、电子设备和各种通信设备的功能性能，同时又可显着地减少采集数据时的时间和成本。
MEMS技术导论3
刻蚀的选择比：被刻蚀材料与另一种材料的刻蚀速 度比。在选择掩模时特别考虑。 刻蚀的横向钻蚀和倾斜。
光刻胶和一些材料的薄膜可用于掩模。必须有足够 高的选择比。其腐蚀速率如下。
Si的腐蚀
• • • • • 若干中体Si的腐蚀技术，各有优势。 各向同性，腐蚀方法，选择性是考虑腐蚀技术的关键。 各向异性，刻蚀深沟和腔。 湿法腐蚀：成本低，批量大，各向同性或各向异性。 干法刻蚀：设备成本高。专用真空管路系统。
• 溅射用于MEMS的优势：低温淀积（<150 度）各种金属，玻璃，压电陶瓷。 • 通常淀积气压低（0.1-1Pa)膜层压应力，高 气压（1-10Pa)膜层张应力。衬底温度提高 可减小应力。 • 靶材料比wafer大时，台阶覆盖好。
蒸发
加热坩锅中的材料使之蒸气压高于背景蒸气压（0.1-1Pa)，而淀 积在衬底上。
• 双面光刻：两面图案要求精确对准的场合 • 如压力传感器要求正面压阻敏感元对准背 面的腔的边缘。误差大于5微米，则产生二 级信号。 • 双面对准工具：德国Karl Suss公司，奥地 利Electronic Visions Company 公司。
1。将被固定住的掩模上的对准 标记调清。存储图像
厚光刻胶
• 厚胶用于深刻蚀的掩模或电铸模版(1—100 微米） • 多次涂胶或低速涂黏性光刻胶（厚度控制 和均匀性控制是主要困难 • 精度受损（光刻胶厚于5微米），曝光区域 的表面形貌成斜坡。胶厚与最小特征尺寸 比约为3。 • 可用特殊曝光方法。但成本高。
• 深沟或深腔（深度大于10微米）情况，膜 厚均匀性差。 • 曝光困难（镜深限制）。投射式曝光更适 合。（系列调焦步骤），成本高。
• 氧化物的生长速 率：温度、压力 氧化方式、晶向、 掺杂水平 • 线性阶段：150 埃左右。（反应 速率控制） • 抛物线阶段： （扩散控制阶段） 受氧在氧化Si中 扩散速率控制。
MEMS的工作原理
MEMS的工作原理
微电机系统（MEMS）是一类集成微小机械结构、电子电路、传感器和控制电路的微型设备。
MEMS的主要工作原理是利
用微小机械结构来实现物理效应的转换和传感，从而实现各种功能。
MEMS中最常见的指南针传感器的工作原理是基于霍尔效应。
微小的磁场传感器使用三个互相垂直的霍尔元件来测量外部磁场的大小和方向。
当外部磁场作用于传感器时，霍尔元件中的载流子受到洛伦兹力的作用，产生电位差，从而测量磁场的大小和方向。
MEMS加速度计的工作原理是利用微小的质量加速时产生的
惯性力来测量加速度。
一般采用微机械结构中的质量块与衬底进行相对运动，当外部加速度作用于微小质量块时，质量块相对于衬底会产生位移，通过测量位移量就可以计算出加速度的大小。
MEMS压力传感器的工作原理是利用微小机械结构的形变来
测量外部压力的大小。
一般采用微小的弯曲或拉伸结构，当外部压力作用于结构上时，结构会产生微小的形变，通过测量形变量就可以计算出压力的大小。
以上只是MEMS中几种常见传感器的工作原理，实际上MEMS可以应用于各种传感器和执行器中，其工作原理因具
体应用而不同。
通过微小机械结构与电子电路的结合，MEMS
在微观尺度上实现了各种传感、测量、控制和执行功能，广泛应用于手机、汽车、医疗器械等领域。
《MEMS技术及其应用》课件
欢迎来到《MEMS技术及其应用》PPT课件，我们将介绍MEMS技术的基本原 理和应用领域，以及其未来发展趋势。
什么是MEMS技术
MEMS技术是微电子机械系统（Micro-Electro-Mechanical Systems）的简称。它是一种将微尺寸机械系统、电子 元器件和集成电路技术结合在一起的技术。 MEMS技术的发展历程经历了多年的研究和创新，目前已在许多领域得到广泛应用。 MEMS技术主要应用于传感器、执行器、生物医学、无线通信等领域，为现代科技带来了巨大的进步。
MEMS执行器的应用
MEMS执行器是一种能够通过控制电信号产生机械运动的微小器件，具有高精 度和高响应速度的特点。
MEMS执行器在光学、声学、微流控等领域发挥着重要作用，例如光学开关、 喷墨打印头和微型马达等。
MEMS执行器的典型应用还包括振动马达、微型阀门和微钳等，为各种微机电 系统提供动力和控制。
MEMS感器的应用
MEMS传感器是一种能够转换感知参数为电信号的微小器件，具有体积小、功 耗低和高灵敏度的特点。
MEMS传感器广泛应用于汽车、智能手机、医疗设备等领域，为实时监测、精 确测量和智能控制提供了关键支持。
典型的MEMS传感器应用包括加速度计、陀螺仪、压力传感器等，在自动驾驶、 健康监测等方面具有重要作用。
MEMS技术未来发展趋势
MEMS技术未来的发展方向包括更小尺寸、更低功耗、更高性能、更多功能的 微型器件和系统。
MEMS技术在人工智能、物联网、无人驾驶等领域具有极大的应用前景，将为 社会带来更多便利和创新。
随着MEMS技术的进一步发展，我们可以期待更多智能、高效和可靠的微型设 备的出现。
MEMS技术的基本原理
MEMS技术利用微纳加工艺制造微小的机械结构，并将其与电子元器件集成在一起，形成复杂的功能器件。
《MEMS微电感》课件
应用领域
01
通信领域
用于无线通信、卫星通信、雷达等高频信号处理系统。
02
能源领域
用于微型电源、储能系统等。
03
生物医学领域
用于生物传感器、医学诊断和治疗等。
02 MEMS微电感的设计与制造
设计流程
A
需求分析
明确MEMS微电感的应用场景和性能要求，如 工作频率、Q值、尺寸等。
原理图设计
根据需求，设计MEMS微电感的原理图， 包括结构、形状、尺寸等。
B
C
仿真优化
利用仿真软件对设计的MEMS微电感进行性 能分析和优化，提高性能参数。
版图绘制
将原理图转化为制版图，为后续制造提供依 据。
D
材料选择
01
02
03
材料类型
选择适合MEMS微电感制 造的材料，如单晶硅、多 晶硅、氮化硅等。
材料纯度
确保所选材料的纯度，以 满足MEMS微电感的性能 要求。
材料特性
《MEMS微电感》 PPT课件
目录
• MEMS微电感简介 • MEMS微电感的设计与制造 • MEMS微电感的性能测试与评估 • MEMS微电感的发展趋势与挑战 • MEMS微电感的应用案例
01 MEMS微电感简介
定义与特性
定义
MEMS微电感是指利用微电子机械系 统（MEMS）技术制作的微型电感器 。
案例二：MEMS传感器
总结词
MEMS传感器是利用微电感技术实现传感器功能的重要应用，具有高精度、高可靠性、低功耗等优点 。
详细描述
MEMS传感器利用微电感作为敏感元件，可以感知温度、压力、磁场、加速度等物理量，广泛应用于 汽车、医疗、航空航天等领域。MEMS传感器的精度和可靠性高，能够提供准确的测量数据，并且具 有低功耗的特点，能够延长设备的续航时间。
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电子束方法产生离子过程
1. 从电子枪中被加热的阴极中产生电子束 2. 电子被高压电场动能加速 3. 电子束与介质分子碰撞，介质电离
• 离子化能：移走被电离介质最外层电子所
需要的能量
• 从最外层轨道中移走第一个电子所需要的
能量要远小于移走同一轨道其它电子所需 要的能量。
• 气体最理想的离子化需要大约50到100电子
• 等离子体 在微加工中基本功能:
1. 帮助淀积杂质材料到基底材料里面，例如硅基底
2. 帮助所需要的穿透性杂质到基底材料里面，促进杂质材料 的注入
3. 通过从材料中敲出原子，除去一部分基底材料
• 在微加工中使用等离子体的一个优点是利用静电力或电磁 场操纵它的流动相对容易。等离子帮助腐蚀和溅射以及等 离子增强气相淀积是微加工中通用及有效的技术
• 电泳泵分离小的杂质粒子和杂物常用在化
学和生物分析中 ，因为分离各种各样的 小颗粒往往是非常困难的任务。
• 电渗和电泳泵的流速都与施加的电场线性
地成正比 ，电泳泵送中运动的自由电荷的
速度可以通过下式来确定 ：
vi
zi q
6ri
E
vi－－在单质流体中带电荷zi的离子i 的速度
E－－施加的电场
例题３－１
磷通过扩散工艺被掺杂到硅基底中。基底 在掺杂剂前在1000C温度下加热30分钟。 求出基底表面以下深度x=0.075微米处掺 杂剂的浓度。
• 解： • 由图3.11，我们可以得到在1000C磷的固溶度为
4.51020atoms/cm3（即这个温度下那种材料的最大浓 度）。因此，有Cs=4.51020atoms/cm3。同样由图3.12， 有(D)1/2=0.085m/(h)1/2。
• 增加这两个分子的距离将促使吸引力的增
加，因为必需克服分子间固有的内聚力。
• 当分开到距离很大的时候，一旦原子内聚
力被完全克服了，这样导致吸引力的快速 减小。
• 另一方面，如果缩短分子间的距离，使之
小于自然状态，会产生斥力。
表3-1 含有带电原子的分子间力
相互作用类型 离子-离子
力或能量与距离的 例子 关系
分类 导体
锗（Ge） 硅（Si） 砷化镓（GaAs） 磷化镓（GaP） 氧 玻璃 镍（纯的）
101.5 104.5 108.0 106.5 109 1010.5 1013
金刚石
1014
半导体 绝缘体
掺杂
• 掺杂:在半导体材料中植入一定的外来物的方
法,将其变成电导体的工艺称为掺杂.
• 掺杂的应用:
菲克定律的数学形式表达(假设C1>C2):
3.1a
3.1b
Ca－－液体A在单位面积和时间t 下 距初始接触面x的位置的浓度 X0－－两种液体的初始接触面位置 Ca,x0 和Ca,x－－分别是液体A在x0 和x处的浓度
式（3.1b）可以用差分的形式表示成浓度Ca沿着x
轴连续变化：
3.2
其中的常数D是液体A的扩散率。扩散率D通常
伏特(eV)的输入能量（1eV=1.602210-19 焦耳）。
分子
• 分子的组成 • 分子间的作用力
图3-5 物质的分子结构 A）硅固体中的原子 b）水中的分子
• 分子间力实际上是
静电力，大小与分 子间的距离d相关
• 同性相斥，异性相
吸。
• 两个分子之间的作
用力的大小随距离 的变化，如图所示
n是整数（n=1,2,3……）
h－－普朗克常数 （h=6.62607610-34Js） V－－谐振的频率（s-1）
光子理论
• 阿尔伯特爱因斯坦在1905年提出了他的光子理论，
单个光子的能量：
E hv 其中v是光的频率
• 按照爱因斯坦的光子理论，我们可以解释很多古
典波动理论所无法支持的光学现象，例如光电效 应
第三章主要内容（2）
• 物理知识
原子结构、离子化、分子作用力、参杂、 扩散、等离子体、量子物理
• 电化学知识
电解、电动
提纲
• 概述学习本章的意义 • 物理知识 • 电化学知识
概述本章的意义
• 物理,化学是认知的基础科学 • 设计原理和加工技术与物理、化学知识是
密切相关
• MEMS经常用到的粒子及其特性：原子、分
ri－－离子i的半径 －－流体的粘滞常数
q－－电子电荷（1.6610-19库仑）
• 根据以上所述，有：
• 因此，扩散30分钟后深度x处磷的浓度可以由式（3.5）
计算得到：
• 通过查表3.4，我们可以估计在深度0.075微
米处磷的浓度为：
等离子体
• 等离子体 定义:等离子体是携带电子电荷的气体。它
包含近似相同数目的电子和正电荷离子。因此，作 为一个整体，等离子体是一个中性的离子化气体的 混合物
导电性增加的 程度和材料中电 阻的减少有关。 掺杂浓度越高， 电阻率越低，硅 越容易导电。
图3-8 参杂与硅的电阻特性
扩散
• 扩散工艺是在一种材料的选定区域引入数
量受控的异质材料的工艺
• 扩散的应用:
1. 导电性改变 2. CVD中的薄膜生产过程 3. 微流体器件的机理
扩散工艺的基本数学模型--菲克定律
数表或原子序数
• 103种元素的周期表
• 在周期表中，每种元素包含特定数目的质
子，没有任何两种元素的质子数是相同的。
• 包含同样外层电子数的元素具有相似的性
能。
• 外层具有8个电子的元素是稳定的。 • 一种原子寻找其它原子结合形成满的外层
电子层，即在外层具有8个电子。
离子
• 离子、副离子、正离子 • 离子化：（1）电解工艺；（2）电子束
当作材料特性。 对于大部分材料，扩散率D随着温度增加而增 加。
一维固-固扩散
• 一维固-固扩散相似的公式
3.3
J－－被扩散进基底材料的异质材料的原子或分子，或离子的 通量（原子数/m2·s） D－－异质材料在基底材料中的扩散 因子或扩散率（m2/s） C－－异质材料在基底中的浓度（原 子数/m３）
• 等离子体的离子的产生过程
1. 自由电子首先在电子枪中入反应腔，从离子化的介质（例如 氢气、氦气、或氟化硼等运载气体）中撞击出 更多的电子
4. 接下来的行为发生在等离子发生器里面，
如图3-14：（1）离子化；（2）分裂；（3）激 发；（4）复合
接近原子尺度的物质中的热传输中起着重要的作 用
电化学知识
• 电化学 • 电解 • 电动
电化学
• 电化学定义:
电化学是对电流通过导致的化学反应的研究
• 电化学在微加工和微系统设计中的应用
1. 电镀 2. 驱动微流体
电解
• 电解定义：电流通过电解质溶液，在阴阳
两极引起的氧化—还原反应的过程
• 一些相关定义
结论
• 声子和光子都是能量载体。它们都没有质量，尽
管它们在量子物理学里都被当作“粒子”看待
• 光可以从用电加热的金属辐射，输入到金属中的
电能越多，发出的光就越亮。这个现象说明了声 子和光子都是能量载体
• 按照爱因斯坦的光子理论，光是由光子携带的，
因此，更亮的光应该携带了更多的光子能量
• 因为声子和光子都是能量载体，所以这些载体在
电子吸收能量，被提升到一个电子激发态(M*)
e M M * e
• 复合：
e M M orM *
量子物理
• 量子物理学的发展 ：
Max Planck在1900年左右的热辐射公式中假设了 能量的量子化
• 原子被激发后在晶格中振荡辐射出的能量：
E nhv
上式中的原子谐振的 单位能量称为声子
图3-14 等离子发生器框图
• 离子化：在这个工艺中，电子被从介质M中撞击出
来，导致分子带正电荷，或离子
e M M 2e
• 分裂：介质M2的分子碎裂成很多小的碎片，
有或没有离子化
e M2 M M e
M M 2e
• 激发：分子结合在一起，但是从腔室中的高速
图3-16 一种溶液的电液动力学泵
电渗原理
1、中性液体 2、管壁为可离
子化的材料 3、管壁上有不
移动的电荷
电渗的原理
电泳泵
1、自由电荷或 自由离子的存 在
2、电场存在
电泳原理
• 电泳泵分离小的杂质粒子和杂物过程
1. 在分离过程中，带不同电荷的离子沿着管道 向相反的方向移动。
2. 当流体被充分作用后，流道中的离子在施加 电场的影响下，由于它们固有的电渗迁移率， 可以自动分离出来。
特点：
• 高场强 • 电解作用 • 常用溶剂：乙醇、甲醇、丙酮、去离子水
非注入型EHD（全书，P613，图9-49）
非注入EHD
• 被用来输送极小截面管道中的电中性液体。
条件是导管或管道的壁上必需有附加的不 移动的电荷。
• 图3.16是管道电渗泵中离子溶液的产生示意
图。溶液由两种不同电阻率1和2，不同 的介电常数1和2的材料组成。
1. 携带离子的溶液是电导体 2. 传导电流的溶液被称为电解液，电解液可能
是液体溶液，也可能是熔盐，还可能是离子 化的导电固体。 3. 容纳电解液的容器被称为电解池。
电解例子
2NaCl 2Na 2Cl
电动
• 电液动力学（EHD）：注入型EHD、非注
入型EHD
• 电泳、电渗
• 在溶剂中产生自由电荷方法
子、离子、导电性（参杂：扩散与离子注 入）、以及液体中的离子及其运动控制原 理
物理知识
• 原子 • 离子 • 分子 • 参杂 • 扩散 • 注入（等离子体） • 量子物理
原子结构
•物质的结构 •原子的基本结构 •质子、电子以及中子的 基本特性：重量、电特性 •由原子结构决定的物质的特性