MEMS技术(1概述)-王文廉
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2013-5-26
图 伯克利分校研制的微电机
NUC 2012
19
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 60~120m的硅微静电电机。
2013-5-26
NUC 2012
9
什么是微型机电系统
光 声 压力 温度 化学 其它 能量 传 感 器 模 拟 信 号 处 理 器 数 字 信 号 处 理 器 模 拟 信 号 处 理 器 执 行 器 信息 其它 信息处理单元 运动
感测量 通讯/接口单元
控制量
光/电/磁
2013-5-26
NUC 2012
2013-5-26
NUC 2012
18
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；
12
2013-5-26
NUC 2012
13
MEMS器件和MEMS系统
一只蚂蚁和微齿轮
美国提出的硅固态卫星, 直径仅15cm
NUC 2012
清华一号
(50kg, 0.07m3)
14
清华大学联合英国萨瑞大学研制
2013-5-26
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。
2013-5-26
NUC 2012
15
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.
2013-5-26
NUC 2012
7
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
2013-5-26
NUC 2012
8
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。
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。
2013-5-26
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20
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，清华大学微电子所，上海交通大 学和上海冶金所等。
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MEMS发展历史回顾
应变仪
2013-5-26
NUC 2012
17
MEMS发展历史回顾
1958年：硅应变仪得到商业应用； 1959年：Feynman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
2013-5-26
NUC 2012
21
MEMS的产业化及市场前景
估计2000年MEMS的市场为470亿美圆
2013-5-26
NUC 2012
22
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
2013-5-26
NUC 2012
2013-5-26
NUC 2012
3
微观 世界
光学显微镜
电子显微镜
2013-5-26
NUC 2012
4
微机电系统基本概念及特点
隔膜
2013-5-26
分子的
NUC 2012
5
微机电系统基本概念及特点
批量生产
2013-5-26
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6
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。
微机电系统技术基础
王文廉
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
2013-5-26
NUC 2012
2
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。
23
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）
2013Baidu Nhomakorabea5-26
NUC 2012
24
第一章微机电系统概述
10
MEMS中的核心元件一般包含两类：一个传 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。
2013-5-26
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11
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。
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图 伯克利分校研制的微电机
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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 60~120m的硅微静电电机。
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什么是微型机电系统
光 声 压力 温度 化学 其它 能量 传 感 器 模 拟 信 号 处 理 器 数 字 信 号 处 理 器 模 拟 信 号 处 理 器 执 行 器 信息 其它 信息处理单元 运动
感测量 通讯/接口单元
控制量
光/电/磁
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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；
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MEMS器件和MEMS系统
一只蚂蚁和微齿轮
美国提出的硅固态卫星, 直径仅15cm
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清华一号
(50kg, 0.07m3)
14
清华大学联合英国萨瑞大学研制
2013-5-26
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。
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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.
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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
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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。
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。
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20
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，清华大学微电子所，上海交通大 学和上海冶金所等。
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MEMS发展历史回顾
应变仪
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MEMS发展历史回顾
1958年：硅应变仪得到商业应用； 1959年：Feynman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
2013-5-26
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MEMS的产业化及市场前景
估计2000年MEMS的市场为470亿美圆
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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
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微观 世界
光学显微镜
电子显微镜
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微机电系统基本概念及特点
隔膜
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分子的
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微机电系统基本概念及特点
批量生产
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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。
微机电系统技术基础
王文廉
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
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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。
23
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）
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第一章微机电系统概述
10
MEMS中的核心元件一般包含两类：一个传 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。
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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。
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