微机电系统MEMS的学习课件
合集下载
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
MEMS技术的应用
MEMS技术的应用
空间应用 用作运行参数测量的微加速度计已进行了地面辐照实验,正在进行飞行搭载实验 微陀螺、微推进和微喷管等微系统基础研究 通信方面 光通信正在向有光交换功能的全光通信网络方向发展 无线通信则要求增强功能如联网等和减小功耗.包括美国朗讯公司在内的一些公司和大学正在研究全光通信网用的微系统及无线通信用射频微系统
MEMS技术及其产品的增长速度非常之高,并且目前正处在加速发展时期
MEMS技术
MEMS技术
一般意义上的系统集成芯片 广义上的系统集成芯片
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
惯性器件
电容式微加速度计
光学MEMS器件
定义 Optical Transducers,MOEMS, Optical MEMS 分类 传统的光传感器、转换器 光传感、成像、发光器件光电子 利用光进行传感的器件 位置传感器、光谱仪、DNA芯片 利用微机械加工方法形成的器件 传统器件的新生命 新型器件
电、光、声、热、磁力等外界信号的采集—各种传感器
执行器、显示器等
信息输入与模/数传输
信息处理
信息输出与数/模转换
信息存储
作 业
1、MEMS工艺与微电 子工 艺技术有哪些区别. 2、列举几种你所知道的 MEMS器件,并简述其 用途.
MEMS的分类
微传感器： 机械类：力学、力矩、加速度、速度、角速度陀螺、位置、流量传感器 磁学类：磁通计、磁场计 热学类：温度计 化学类：气体成分、湿度、PH值和离子浓度传感器 生物学类：DNA芯片
MEMS的分类
微执行器：微马达、微齿轮、微泵、微阀门、微开关、微喷射器、微扬声器、微谐振器等 微型构件：微膜、微梁、微探针、微齿轮、微弹簧、微腔、微沟道、微锥体、微轴、微连杆等 微机械光学器件：微镜阵列、微光扫描器、微光阀、微斩光器、微干涉仪、微光开关、微可变焦透镜、微外腔激光器、光编码器等
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
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.
MEMS制造工艺
大机器加工小机器,小机器加工微机器
微机械
用微电子加工技术 MEMS系统
X光铸模+压塑技术LIGA
从顶层向下
从底层向上
分子和原子级加工
国防、航空航天、生物医学、环境监控、汽车都有广泛应用. 2000年有120-140亿美元市场 相关市场达1000亿美元 2年后市场将迅速成长
MEMS的分类
真空微电子器件：它是微电子技术、MEMS技术和真空电子学发展的产物,具有极快的开关速度、非常好的抗辐照能力和极佳的温度特性.主要包括场发射显示器、场发射照明器件、真空微电子毫米波器件、真空微电子传感器等 电力电子器件：包括利用MEMS技术制作的垂直导电型MOSVMOS器件、V型槽垂直导电型MOSVVMOS器件等各类高压大电流器件
研究领域
理论基础：随着MEMS尺寸的缩小,有些宏观的物理特性发生了改变,很多原来的理论基础都会发生变化,如力的尺寸效应、微结构的表面效应、微观摩擦机理等等, 微动力学 微流体力学 微热力学 微摩擦学 微光学 微结构学
研究领域
技术基础：设计、工艺加工高深宽比多层微结构、微装配工艺、微系统的测量等. 应用研究：如何应用这些MEMS系统也是一门非常重要的学问.人们不仅要开发各种制造MEMS的技术,更重要的是如何将MEMS器件用于实际系统,并从中受益.
MEMS — 微小型、智能、集成、高可靠
MEMS是人类科技发展过程一次重大的技术整合 微电子技术、精密加工技术、传感器技术、执行器技术 微小型化、智能化、集成化、高可靠性 MEMS能够完成真正意义上的微小型系统集成 在芯片上实现了力、热、磁、化学到电的转变 MEMS极大地改善了人类生活的质量 大批量、低成本的传感器生产方式给人们更多的保护 MEMS将会带动一个充满活力的产业迅速成长 不是钢铁、汽车、微电子,而是微系统
MEMS
微系统
MEMS制造工艺
大机械制造小机械,小机械制造微机械 日本为代表 LIGA工艺 Lithograpie光刻、Galvanoformung电铸 Abformung塑铸 德国为代表 硅微机械加工工艺：体硅工艺和表面牺牲层工艺 美国为代表
LIGA工艺
硅MEMS工艺
化学腐蚀 高深宽比深槽刻蚀 键合
微推进器
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
微推进器
结 束 语
MEMS技术的应用
在生物医学方面,将光、机、电、液、生化等部件集成在一起,构成一个微型芯片实验室,用于临床医学检测,为医生甚至家庭提供简单、廉价、准确和快捷的检测手段 光显示、高密度存储、汽车、国防等微系统
MEMS技术的应用
美国提出的硅固态卫星的概念图,这个卫星除了蓄电池外, 全由硅片构成,直径仅15cm
ADI公司生产的微加速度机MEMS芯片
MEMS在航空、航天、汽车、生物医学、环境监控、军事以及几乎人们接触到的所有领域中都有着十分广阔的应用前景 微惯性传感器及微型惯性测量组合能应用于制导、卫星控制、汽车自动驾驶、汽车防撞气囊、汽车防抱死系统ABS、稳定控制和玩具 微流量系统和微分析仪可用于微推进、伤员救护 MEMS系统还可以用于医疗、高密度存储和显示、光谱分析、信息采集等等 已经制造出尖端直径为5m的可以夹起一个红细胞的微型镊子,可以在磁场中飞行的象蝴蝶大小的飞机等
控制部分 电子学
MEMSΒιβλιοθήκη 微电子学MEMS技术
从广义上讲,MEMS是指集微型传感器、微型执行器、信号处理和控制电路、接口电路、通信系统以及电源于一体的微型机电系统 MEMS技术是一种多学科交叉的前沿性领域,它几乎涉及到自然及工程科学的所有领域,如电子、机械、光学、物理学、化学、生物医学、材料科学、能源科学等
微推进器
美国TRW公司、航空航天公司和加州理工学院CIT组成的研究小组提出了一个数字推进概念方案.硅片上有集成电路来开启和控制每个微推进器.整个推进系统还可充当卫星的散热器,以进一步减小卫星的有效载荷.制作方法可以用目前已成熟的MEMS及LIGA技术.图为他们于99年初发表了3×5阵列的电阻电热式微推进器样机.
传统的光传感器
光传感方式 成像系统Imager CCD CMOS 发光系统 LED 半导体激光器 等离子 生物发光 光调节器
发光器件 场发射FEDs 未来的显示设备FPD
新器件——组件
微镜
各种光学元器件 透镜、波带片、滤波器、光栅及各种致动机构
新器件——组件
微光学系统
微光学工作台Micro Optical Bench
MEMS技术的历史
微系统是从微传感器发展而来的,已有几次突破性的进展 70年代微机械压力传感器产品问世 80年代末研制出硅静电微马达 90年代喷墨打印头,硬盘读写头、硅加速度计和数字微镜器件等相继规模化生产 充分展示了微系统技术及其微系统的巨大应用前景
MEMS技术
MEMS用批量化的微电子技术制造出尺寸与集成电路大小相当的非电子系统,实现电子系统和非电子系统的一体化集成 从根本上解决信息系统的微型化问题 实现许多以前无法实现的功能 今天的MEMS与40年前的集成电路类似,MEMS对未来的社会发展将会产生什么影响目前还难以预料,但它是21世纪初一个新的产业增长点,则是无可质疑的
微型显示阵列光调制器
数字镜面显示DMD 原理 改变反射方向
DMD——应用
DMD——应用
光开关
微机械1X4光开关
微机械1X8光开关
微机械22光开关 微机械2 2光开关
光开关
光纤固定结构
V形槽 各种卡紧结构
光栅及光栅光谱仪
原理 不同类型的光栅
新器件——组件
微机电系统
Micro-Electro-Mechanical Systems
引 言
信息系统微型化 系统体积大大减小 性能、可靠性大幅度上升 功耗和价格大幅度降低 信息系统的目标：微型化和集成化 微电子解决电子系统的微型化 非电子系统成为整个系统进一步缩小的关键
机械 部分 传感 执行
体硅工艺
表面牺牲层工艺
表面牺牲层与CMOS工艺集成 结构单独制造,灵活性较大 灵敏度高、寄生小、体积小 简化封装和组装,可靠性高 加工工艺复杂,成品率较低 工艺兼容的材料种类较少
电路工艺与结构加工工艺交替进行
先加工电路，后加工结构
先加工机械结构，再加工电路
几种重要的MEMS器件
MEMS器件
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
MEMS技术的应用
空间应用 用作运行参数测量的微加速度计已进行了地面辐照实验,正在进行飞行搭载实验 微陀螺、微推进和微喷管等微系统基础研究 通信方面 光通信正在向有光交换功能的全光通信网络方向发展 无线通信则要求增强功能如联网等和减小功耗.包括美国朗讯公司在内的一些公司和大学正在研究全光通信网用的微系统及无线通信用射频微系统
MEMS技术及其产品的增长速度非常之高,并且目前正处在加速发展时期
MEMS技术
MEMS技术
一般意义上的系统集成芯片 广义上的系统集成芯片
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
惯性器件
电容式微加速度计
光学MEMS器件
定义 Optical Transducers,MOEMS, Optical MEMS 分类 传统的光传感器、转换器 光传感、成像、发光器件光电子 利用光进行传感的器件 位置传感器、光谱仪、DNA芯片 利用微机械加工方法形成的器件 传统器件的新生命 新型器件
电、光、声、热、磁力等外界信号的采集—各种传感器
执行器、显示器等
信息输入与模/数传输
信息处理
信息输出与数/模转换
信息存储
作 业
1、MEMS工艺与微电 子工 艺技术有哪些区别. 2、列举几种你所知道的 MEMS器件,并简述其 用途.
MEMS的分类
微传感器： 机械类：力学、力矩、加速度、速度、角速度陀螺、位置、流量传感器 磁学类：磁通计、磁场计 热学类：温度计 化学类：气体成分、湿度、PH值和离子浓度传感器 生物学类：DNA芯片
MEMS的分类
微执行器：微马达、微齿轮、微泵、微阀门、微开关、微喷射器、微扬声器、微谐振器等 微型构件：微膜、微梁、微探针、微齿轮、微弹簧、微腔、微沟道、微锥体、微轴、微连杆等 微机械光学器件：微镜阵列、微光扫描器、微光阀、微斩光器、微干涉仪、微光开关、微可变焦透镜、微外腔激光器、光编码器等
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
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.
MEMS制造工艺
大机器加工小机器,小机器加工微机器
微机械
用微电子加工技术 MEMS系统
X光铸模+压塑技术LIGA
从顶层向下
从底层向上
分子和原子级加工
国防、航空航天、生物医学、环境监控、汽车都有广泛应用. 2000年有120-140亿美元市场 相关市场达1000亿美元 2年后市场将迅速成长
MEMS的分类
真空微电子器件：它是微电子技术、MEMS技术和真空电子学发展的产物,具有极快的开关速度、非常好的抗辐照能力和极佳的温度特性.主要包括场发射显示器、场发射照明器件、真空微电子毫米波器件、真空微电子传感器等 电力电子器件：包括利用MEMS技术制作的垂直导电型MOSVMOS器件、V型槽垂直导电型MOSVVMOS器件等各类高压大电流器件
研究领域
理论基础：随着MEMS尺寸的缩小,有些宏观的物理特性发生了改变,很多原来的理论基础都会发生变化,如力的尺寸效应、微结构的表面效应、微观摩擦机理等等, 微动力学 微流体力学 微热力学 微摩擦学 微光学 微结构学
研究领域
技术基础：设计、工艺加工高深宽比多层微结构、微装配工艺、微系统的测量等. 应用研究：如何应用这些MEMS系统也是一门非常重要的学问.人们不仅要开发各种制造MEMS的技术,更重要的是如何将MEMS器件用于实际系统,并从中受益.
MEMS — 微小型、智能、集成、高可靠
MEMS是人类科技发展过程一次重大的技术整合 微电子技术、精密加工技术、传感器技术、执行器技术 微小型化、智能化、集成化、高可靠性 MEMS能够完成真正意义上的微小型系统集成 在芯片上实现了力、热、磁、化学到电的转变 MEMS极大地改善了人类生活的质量 大批量、低成本的传感器生产方式给人们更多的保护 MEMS将会带动一个充满活力的产业迅速成长 不是钢铁、汽车、微电子,而是微系统
MEMS
微系统
MEMS制造工艺
大机械制造小机械,小机械制造微机械 日本为代表 LIGA工艺 Lithograpie光刻、Galvanoformung电铸 Abformung塑铸 德国为代表 硅微机械加工工艺：体硅工艺和表面牺牲层工艺 美国为代表
LIGA工艺
硅MEMS工艺
化学腐蚀 高深宽比深槽刻蚀 键合
微推进器
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
微推进器
结 束 语
MEMS技术的应用
在生物医学方面,将光、机、电、液、生化等部件集成在一起,构成一个微型芯片实验室,用于临床医学检测,为医生甚至家庭提供简单、廉价、准确和快捷的检测手段 光显示、高密度存储、汽车、国防等微系统
MEMS技术的应用
美国提出的硅固态卫星的概念图,这个卫星除了蓄电池外, 全由硅片构成,直径仅15cm
ADI公司生产的微加速度机MEMS芯片
MEMS在航空、航天、汽车、生物医学、环境监控、军事以及几乎人们接触到的所有领域中都有着十分广阔的应用前景 微惯性传感器及微型惯性测量组合能应用于制导、卫星控制、汽车自动驾驶、汽车防撞气囊、汽车防抱死系统ABS、稳定控制和玩具 微流量系统和微分析仪可用于微推进、伤员救护 MEMS系统还可以用于医疗、高密度存储和显示、光谱分析、信息采集等等 已经制造出尖端直径为5m的可以夹起一个红细胞的微型镊子,可以在磁场中飞行的象蝴蝶大小的飞机等
控制部分 电子学
MEMSΒιβλιοθήκη 微电子学MEMS技术
从广义上讲,MEMS是指集微型传感器、微型执行器、信号处理和控制电路、接口电路、通信系统以及电源于一体的微型机电系统 MEMS技术是一种多学科交叉的前沿性领域,它几乎涉及到自然及工程科学的所有领域,如电子、机械、光学、物理学、化学、生物医学、材料科学、能源科学等
微推进器
美国TRW公司、航空航天公司和加州理工学院CIT组成的研究小组提出了一个数字推进概念方案.硅片上有集成电路来开启和控制每个微推进器.整个推进系统还可充当卫星的散热器,以进一步减小卫星的有效载荷.制作方法可以用目前已成熟的MEMS及LIGA技术.图为他们于99年初发表了3×5阵列的电阻电热式微推进器样机.
传统的光传感器
光传感方式 成像系统Imager CCD CMOS 发光系统 LED 半导体激光器 等离子 生物发光 光调节器
发光器件 场发射FEDs 未来的显示设备FPD
新器件——组件
微镜
各种光学元器件 透镜、波带片、滤波器、光栅及各种致动机构
新器件——组件
微光学系统
微光学工作台Micro Optical Bench
MEMS技术的历史
微系统是从微传感器发展而来的,已有几次突破性的进展 70年代微机械压力传感器产品问世 80年代末研制出硅静电微马达 90年代喷墨打印头,硬盘读写头、硅加速度计和数字微镜器件等相继规模化生产 充分展示了微系统技术及其微系统的巨大应用前景
MEMS技术
MEMS用批量化的微电子技术制造出尺寸与集成电路大小相当的非电子系统,实现电子系统和非电子系统的一体化集成 从根本上解决信息系统的微型化问题 实现许多以前无法实现的功能 今天的MEMS与40年前的集成电路类似,MEMS对未来的社会发展将会产生什么影响目前还难以预料,但它是21世纪初一个新的产业增长点,则是无可质疑的
微型显示阵列光调制器
数字镜面显示DMD 原理 改变反射方向
DMD——应用
DMD——应用
光开关
微机械1X4光开关
微机械1X8光开关
微机械22光开关 微机械2 2光开关
光开关
光纤固定结构
V形槽 各种卡紧结构
光栅及光栅光谱仪
原理 不同类型的光栅
新器件——组件
微机电系统
Micro-Electro-Mechanical Systems
引 言
信息系统微型化 系统体积大大减小 性能、可靠性大幅度上升 功耗和价格大幅度降低 信息系统的目标：微型化和集成化 微电子解决电子系统的微型化 非电子系统成为整个系统进一步缩小的关键
机械 部分 传感 执行
体硅工艺
表面牺牲层工艺
表面牺牲层与CMOS工艺集成 结构单独制造,灵活性较大 灵敏度高、寄生小、体积小 简化封装和组装,可靠性高 加工工艺复杂,成品率较低 工艺兼容的材料种类较少
电路工艺与结构加工工艺交替进行
先加工电路，后加工结构
先加工机械结构，再加工电路
几种重要的MEMS器件
MEMS器件
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