微机电系统第二章MEMS设计基础
微机电系统设计和制造技术研究
微机电系统设计和制造技术研究第一章：绪论微机电系统（MEMS）是一种新兴的技术，主要是将微型化的传感器、执行器、电路等组成一个系统，并在微观尺度上进行集成和制造。
MEMS技术是集先进制造技术、材料科学、微电子技术、集成电路技术和机械工程等多个领域的技术于一身的多学科横跨领域，因其极小的尺寸与高度集成度，提供了极高的集成和多功能性，被广泛应用于微型机电系统、医疗健康、环境监测、航空航天、军事等各个领域。
本文旨在探讨MEMS在设计和制造方面的关键技术要点和未来研究发展方向。
第二章：微机电系统设计技术2.1传感器设计技术传感器是MEMS系统中最重要的组成部分之一，其设计和制造技术对整个MEMS系统的性能和功能起着至关重要的作用。
MEMS传感器的设计需要考虑到结构、材料、电路等多方面因素，不同类型的传感器有不同的设计方法和结构形式。
例如，加速度传感器大多采用薄膜压电效应实现，而压力传感器可以采用电容、电阻、压电等多种原理实现。
2.2执行器设计技术执行器是MEMS系统的另一个关键组成部分，其设计和制造技术同样具有重要性。
与传感器不同，执行器需要提供力或者位移等响应，以对外部环境做出反应。
例如，MEMS微镜头是一种可以独立移动的微型光学设备，其使用外加电压调整镜头位置，从而改变光源的焦距实现成像等。
第三章：微机电系统制造技术3.1微纳加工技术MEMS系统制造的基础是微纳加工技术，它是对传统加工技术进行了细微而又深入的拓展，能够将微细器件制造在晶片上，达到高度集成、多重功能化。
其基础是设备、制造流程以及材料选择和优化。
目前微纳加工技术主要包括激光加工、电子束制造、化学制造、机械制造等多种方法。
3.2集成电路技术集成电路技术是MEMS系统中不可或缺的工艺，其功能主要是将微机电模块的硅芯片与电路芯片有机整合起来，并完成对电路芯片的加工处理。
此种技术由于其小型化、高度集成、功耗低等特点使得其被广泛应用在各个领域，在件最大优势是在单晶硅片上实现晶体管的小型化和集成，以及相对廉价低成本。
微机电系统工程基础教学设计
微机电系统工程基础教学设计背景介绍微机电系统（MEMS）是一种集成了微型机械、微电子技术和微加工技术的新兴交叉学科，应用广泛，包括但不限于传感器、微流控、光学微系统等。
随着MEMS 技术的不断推进和发展，MEMS的应用范围也不断扩大，成为现代科技中不可或缺的一部分。
因此，对MEMS相关技术知识的教学设计至关重要。
教学目标通过本课程的学习，学生应该能够：1.了解MEMS的概念和基本原理；2.掌握MEMS的常用加工工艺；3.熟悉MEMS的力学、热力学和电子学等基本理论；4.掌握MEMS的典型应用场景和案例。
教学内容基础知识•MEMS概念和起源•MEMS的基本原理和特点•常见MEMS加工工艺的介绍和比较•MEMS力学、热力学和电子学基础理论实验环节•MEMS制备实验（如光刻、腐蚀、沉积、离子注入等）•MEMS封装和测试实验•MEMS应用实践（如微流控芯片、生物芯片、光学微系统等）教学方法本课程将采用传统的课堂讲授与现代化的实验教学相结合的方式，力求让学生尽快掌握理论知识并应用到实践当中。
课堂教学通过PPT、讨论等方式，让学生全面了解MEMS的概念、原理、应用等方面的知识，并解决学生的疑问。
实验教学实验教学是本门课程不可或缺的一部分。
通过实验可以加深学生对理论知识的理解和掌握MEMS的实际操作技能。
实验室教学包括MEMS制备、MEMS封装和测试、MEMS应用等环节。
教学资源为了保证课程能够顺利进行，需要以下资源的支持：课件和教材教师需要为课程准备PPT等教学用品和MEMS基本教材等。
实验室设备和耗材教师需要确保实验室设备的正常运行，并准备相关的耗材。
行政资源需要足够的行政资源作为教学保障，例如教室、学生桌椅、科研经费等。
教学评价和课程设计改进为了衡量本门课程的学习效果，评价和反馈是必要的。
教师可以采用以下方式：•定期进行课堂练习和在线测试•每学期结束进行学生满意度评估•收集学生反馈，并根据反馈对课程进行改进总结本门课程旨在培养学生MEMS相关技术知识，为工业界和学术界培养MEMS专业人才。
微机电系统MEMS简介
陀螺仪
总结词
用于测量或维持方向的传感器
详细描述
陀螺仪是一种基于角动量守恒原理的传感器，用于测量或维持方向。它通过测量物体旋转轴的方向变 化来工作，通常由高速旋转的陀螺仪转子组成。陀螺仪广泛应用于导航、姿态控制、游戏控制等领域 ，如智能手机、无人机和导弹制导系统等。
压力传感器
总结词
用于测量流体或气体压力的传感器
MEMS市场应用领域
消费电子
汽车电子
医疗健康
工业自动化
MEMS传感器在消费电子产品 中的应用广泛，如智能手机、 平板电脑、可穿戴设备等。这 些设备中的传感器用于运动检 测、加速度计、陀螺仪、气压 计等。
随着汽车智能化的发展， MEMS传感器在汽车领域的应 用也越来越广泛，如车辆稳定 性控制、安全气囊、发动机控 制等。
MEMS材料
单晶硅
单晶硅是MEMS制造中最常用的材料 之一，具有高强度、高刚度和良好的 化学稳定性。
多晶硅
多晶硅在MEMS制造中常用于制造柔 性结构，具有较好的塑性和韧性。
玻璃
玻璃在MEMS制造中常用于制造光学 器件，具有较高的透光性和稳定性。
聚合物
聚合物在MEMS制造中常用于制造生 物传感器和柔性器件，具有较好的生 物相容性和可塑性。
集成化
未来的MEMS系统将更加集 成化，能够将多个MEMS器 件集成在一个芯片上，实现 更高效、更低成本的应用。
03
CATALOGUE
MEMS传感器与器件
加速度传感器
总结词
用于测量 物体运动状态的传感器
详细描述
加速度传感器是一种常用的MEMS传感器，主要用于测量物体运动状态的加速度。它通常由质量块和弹性支撑结 构组成，通过测量质量块因加速度产生的惯性力来计算加速度值。加速度传感器广泛应用于汽车安全气囊系统、 手机和平板电脑的姿态控制、运动检测等领域。
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
微机电系统(mems)工艺基础与应用
微机电系统(mems)工艺基础与应用
微机电系统（MEMS）是指将微型机械元件、微电子元件、微光学元件、微流体元件及其它微加工技术相集成而成的系统。
它既是微电子技术、光学技术、力学技术、材料科学技术的综合，又是精密制造技术、微加工技术与传感器技术的相结合。
本文将对MEMS的工艺基础及其应用进行探讨。
一、MEMS的工艺基础 1.硅微加工技术 MEMS的制造材料主要是硅微电子材料及其它材料，硅微加工技术是MEMS 的核心技术。
硅微加工技术的主要工艺流程包括光刻、蚀刻、金属沉积、制膜、扩散、离子注入等。
2.压力传感器的制造工艺 MEMS的压力传感器主要采用压阻效应制作。
它的基本原理是利用极细硅悬臂梁作为传感器，在外界压力下悬臂梁弯曲，悬臂梁两端的电阻发生变化，进而反映出压力。
二、MEMS的应用 1.生物医学及生物传感技术应用MEMS技术制造的微型传感器，可以在细胞水平上检测微小的信号变化，诊断疾病、研究生物学行为。
2.汽车及工业应用汽车领域是MEMS技术的主要应用领域之一。
MEMS技术应用于汽车系统中，可以制造出精密的安全气囊、一个小孔的喷油嘴、传感器等元件。
3.消费市场在消费市场上，MEMS技术的应用范围同样广泛。
借助MEMS技术，可以生产出更小、更趋近于无形的产品，如MEMS振动器、MEMS加速计、MEMS麦克风。
总之，MEMS技术的应用范围和前景十分广阔，它在不断地为各个领域带来更多革命性的变革和新的想象空间。
同时，要想在MEMS领域取得更为显著的进展，需要更多的前沿科技、人才、资金等方面的支持和加速发展。
《微机电系统》课件 (2)
6. MEMS在生命科学中的应用
MEMS在生命科学领域具有广泛的应用前景。本节将介绍MEMS在医疗领域、 生物检测和环境检测中的应用案例，以及相关的技术发展和挑战。
7. MEMS未来的发展趋势
MEMS技术正在不断发展，为各行各业带来了巨大的影响。本节将回顾MEMS技术的发展历程，并展望未来的 发展方向和市场前景分析。
2. MEMS制造工艺
MEMS制造工艺包括生产MEMS器件所需的工艺流程和技术。本节将介绍常用 的MEMS加工工艺，以及在MEMS制造过程中可能面临的问题和解决方案。
3. MEMS传感器
MEMS传感器是一种将感知物理量转换为电信号的器件。本节将介绍MEMS传感器的基本原理，并重点讨论 MEMS压力传感器、加速度传感器、陀螺仪和微波传感器。
4. MEMS执行器
MEMS执行器是一种能够执行特定任务的器件。本节将介绍MEMS执行器的基本原理，并重点讨论MEMS振动器、 阀门和显示器。
5. MEMS系统集成
MEMS系统集成是将多个MEMS器件和其他电子元器件组合成一个整体系统的 过程。本节将介绍MEMS系统的集成方法、设计要点和未来发展趋势。
微机电系统 PPT课件 (2)
本课件将介绍微机电系统（MEMS）的概述、应用领域、制造工艺、传感器与 执行器、系统集成、在生命科学中的应用、未来发展趋势等内容。
1. 简介
微机电系统（MEMS）是一种将微电子技术与机械工程相结合的多学科交叉领域。本节将概述MEMS的定义、 发展历程和重要性，为后续内容打下基础。
8. 总结
本课件综合介绍了MEMS的概述、制造工艺、传感器与执行器、系统集成、在生命科学中的应用以及未来的发 展趋势。同时探讨了MEMS对未来的影响，以及提高MEMS技术研究和应用水平的挑战与机遇。
MEMS设计知识点总结
MEMS设计知识点总结MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems) 是一种微机电系统，通过利用微观尺度的物理、机械、光电学和化学特性，将微型传感器、执行器以及电子控制电路集成在一起。
MEMS设计是一项涉及多领域知识的复杂过程，本文将对MEMS设计的关键知识点进行总结，以帮助读者更好地了解和应用MEMS技术。
一、MEMS设计流程MEMS设计的流程一般包括以下几个步骤：1. 定义需求：明确设计的目的和要求，包括感测或执行的物理参数、性能指标等。
2. 概念设计：通过分析和评估不同的设计方案，选择最合适的设计方案。
3. 详细设计：进行具体的器件结构设计，包括材料的选择、尺寸的确定、布局的设计等。
4. 模拟仿真：利用计算机辅助工具进行工艺和物理仿真，验证设计的可行性和性能。
5. 制造工艺：将设计转化为实际器件，包括制程流程的制定、工艺设备的选择等。
6. 测试与验证：对制造出的器件进行测试和验证，评估其性能是否满足设计要求。
7. 优化与改进：根据测试结果和反馈，对设计进行优化和改进。
二、MEMS设计中的关键问题1. 材料选择：MEMS器件需要具备特定的物理和机械性能，如高硬度、抗腐蚀性、低热膨胀系数等。
常用的材料包括硅、氮化硅、金属、玻璃等。
2. 结构设计：根据不同的应用需求，设计合适的MEMS结构，如梁、薄膜、微型通道等。
结构设计要考虑到器件的稳定性、可靠性和性能。
3. 尺寸优化：通过尺寸的调整和优化，可以提高MEMS器件的性能。
例如，更小的尺寸可以提高器件的灵敏度和响应速度。
4. 电路设计：为了实现信号的处理和控制，需要设计相应的电子电路。
电路设计要考虑电源的噪声、功耗以及信号的放大和滤波等问题。
5. 封装与封装技术：为了保护MEMS器件，减少干扰和外界环境的影响，需要进行封装处理。
封装技术包括芯片封装、耦合封装等。
6. 可靠性设计：MEMS器件往往要工作在复杂的环境条件下，如高温、高湿、振动等。
mems设计考试知识点
mems设计考试知识点在MEMS设计考试中，了解并掌握关键的知识点是非常重要的。
这些知识点涵盖了MEMS器件的基本原理、设计流程、模拟和数字设计等方面。
以下是MEMS设计考试的一些重要知识点。
一、MEMS器件的基本原理MEMS（Micro-Electro-Mechanical Systems）是微机电系统的简称，是一种将微小的机械结构与电子技术相结合的技术。
MEMS器件包括传感器和执行器，其作用是将物理量转换为电信号或者通过电信号控制机械运动。
1. 传感器：MEMS传感器是测量和检测物理量（如压力、温度、加速度等）的器件。
常见的MEMS传感器有压力传感器、温度传感器、加速度传感器等。
2. 执行器：MEMS执行器是根据电信号来控制机械运动的器件。
常见的MEMS执行器有微型喷墨头、微型马达等。
二、MEMS设计流程在进行MEMS设计时，按照一定的流程进行是非常重要的。
这里介绍一般的MEMS设计流程。
1. 需求分析：首先确定所设计的MEMS器件的具体需求和功能。
2. 设计概念：根据需求确定设计的整体思路和方案。
3. 建立模型：使用专业的软件工具进行MEMS器件的三维建模。
4. 仿真分析：通过仿真软件对MEMS器件进行电学和结构仿真分析。
5. 优化设计：根据仿真结果进行设计参数的优化，以满足特定的性能需求。
6. 制造工艺：将设计好的MEMS器件进行工艺制造。
7. 封装测试：对制造完成的MEMS器件进行封装和测试，以验证设计的性能指标。
三、MEMS模拟设计MEMS模拟设计是指使用模拟电路设计方法来设计MEMS器件。
以下是其中的几个重要知识点。
1. MEMS传感器的模拟电路设计：对于使用MEMS传感器来测量物理量的系统，需要进行模拟电路设计。
例如，对于压力传感器，需要考虑电桥、放大器等电路的设计。
2. MEMS执行器的模拟电路设计：对于使用MEMS执行器控制机械运动的系统，需要进行模拟电路设计。
例如，对于微型马达，需要有适当的电路来控制其运动。
微机电系统工程基础课程设计
微机电系统工程基础课程设计随着人们对科技的不断研究和探索，微机电系统（MEMS）作为一种新兴技术正在得到越来越多的关注。
微机电系统工程基础课程设计是专门针对MEMS领域的基础性课程，旨在帮助学习者掌握MEMS相关的理论、设计与制造基础知识和技能。
课程目标微机电系统工程基础课程设计的核心目标是使学生掌握MEMS系统设计的基础理论和工程方法，包括MEMS相关材料、工艺、器件设计、技术实现、测试和质量控制等方面的知识。
通过学习，学生将掌握以下技能：•了解MEMS领域的基础知识•熟悉MEMS设备的制造流程•能够设计MEMS相关的器件和系统•能够进行MEMS技术的实现和测试课程内容微机电系统工程基础课程设计内容包括以下板块：1. MEMS基础知识1.MEMS相关定义2.MEMS分类和应用领域3.MEMS发展历程和趋势2. MEMS材料和工艺1.MEMS材料2.MEMS制备工艺和技术3.MEMS加工技术和设备3. MEMS器件设计1.MEMS传感器和执行器原理2.MEMS器件设计方法3.MEMS器件结构和参数4. MEMS技术实现1.MEMS技术实现原理2.MEMS技术实现方法3.MEMS器件测试技术及方法5. MEMS质量控制1.MEMS器件制造过程的质量控制2.MEMS器件测试过程的质量控制3.MEMS器件可靠性测试课程评估方式微机电系统工程基础课程设计的评估方式主要采用以下的形式：•平时课堂实验和作业占30%•设计课程实践项目占30%•期末考试占40%课程实践项目1.设计并制造一个MEMS流量传感器2.利用MEMS技术制造和测试一个微型压力传感器3.设计和实现一个MEMS陀螺仪系统参考书籍1.MEMS传感器设计与制造，张三、李四，电子工业出版社，2012年。
2.微机电系统原理、技术与应用，王五、赵六，清华大学出版社，2009年。
3.MEMS技术入门，郭七、张八，机械工业出版社，2010年。
总结微机电系统工程基础课程设计是一门理论与实践相结合的课程，学生将在课程中掌握MEMS系统设计的基础理论和工程方法，同时能够进行实践项目，帮助学生实现理论和知识的转化，提高学生的实践能力和锻炼自己的设计能力，提高学生的专业水平。
MEMS系统设计基本理论及设计关键技术
MEMS系统设计基本理论及设计关键技术汽车传感器设计是汽车生产较为重要环节，对于汽车的整体性能的提高有着直接的影响。
随着社会的快速发展，对汽车传感器的性价比也提出了更高的要求，从设计的理念、原则等角度出发，对设计技术进行更好的优化成为发展的关键。
因此，加强对MEMS汽车传感器设计关键技术的研究具有很大的现实意义，发现当前技术中存在的不足，提出针对性的指导建议，在保证传感器性能满足要求的同时，降低生产陈本，取得更好的竞争优势。
1 MEMS系统设计基本理论1.1 MEMS设计技术MEMS设计技术的综合性是比较强，涵盖各个方面的内容，不仅需要有相应的概念设计作为指导，还需要相应的计算机提供服务，从而对数据进行更好的分析。
MEMS产品设计的后续加工与测试工作的进行也在设计技术涵盖的范围之内，设计技术对整体的产品性能发挥着关键性的作用。
相较于加工技术，MEMS设计技术有着更高的要求，其辅助机械与技术是非常重要的，尤其是计算机辅助设计的应用。
MEMS设计技术在当前的发展中更为趋向于自动化、智能化，满足时代多元化发展的需求，提高产品设计的效率，更好的拓展市场，也实现产品设计的实用性。
1.2 MEMS设计方法设计方法是设计工作的基础，其不仅是设计理念的充分体现，也是对设计行为的基本规范。
MEMS设计技术的重点主要体现非电信号与电信号、电能与机械能等能量之间的转换，对MEMS系统设计有着较大的影响。
MEMS设计方法主要有三种，一是有限元FEM，另一个是边界元BEM，有限差分也是数值分析方法之一。
系统级设计、器件级设计、工艺级设计是不同的设计手段要求，其难度层次逐级递减。
首先，系统级设计的整体性是比较强的，需要综合各个方面的内容进行分析，数值分析法在其中的应用具有一定的局限性，其设计方法的优化更加趋向于简单动态模型的构建，减少了MEMS设计技术中多种能量之间的转换。
器件级设计是较为单一的，有着针对性的。
2-MEMS课程报告
《微机电系统（MEMS）》课程报告题目：微执行器设计与制备学号：10171157姓名：张天圣班级：101717专业：遥感科学与技术二O一三年1 月3 日目录一、意义与现状 (1)二、机理分析 (1)三、设计与计算 (2)四、制造与工艺 (2)五、总结 (4)请谈一下你对MEMS的认识（500字-1000字） (4)一、意义与现状ＭＥＭＳ(微机电系统)在过去二十年间得到了广泛的研究和发展, 在研究人员的努力下,多结构精巧、功能强大的微传感器和微执行器应运而生。
在基于各种工作原理的ＭＥＭＳ微执行器中, 静电驱动方式由于结构和原理简单而得到最广泛的应用。
静电驱动主要包括梳齿静电驱动和平行板电容驱动两种驱动方式。
与平行板电容驱动器相比, 梳齿静电驱动可以提供更大的线性驱动位移以及较高的Ｑ值。
1989年, Ｔａｎｇ首次将静电梳齿驱动器引入到ＭＥＭＳ领域[ 1] 。
从此以后, 梳齿驱动器在谐振器[ 2, 3] 、微型傅立叶变换光谱仪[ 4] 、微夹钳[ 5] 、光开关[ 6] 、微型滤波器[ 7] 、加速度计[ 8] 、微陀螺[ 9] 以及两维微操作台[ 10] 等器件中得到了广泛应用。
对微驱动器而言, 较大的驱动位移对很多ＭＥＭＳ器件尤其是可调谐器件, 例如光开关、可调谐衰减器等的性能提高非常重要;而较低的驱动电压可以较容易的实现传感器、执行器以及信号处理芯片的单片集成。
前人研究表明, 对经典的静电梳齿驱动器, 其可以实现的最大驱动位移主要受到侧向不稳定性也即侧向吸合现象的限制, 实现50μｍ以上的驱动位移非常困难。
因此, 研究和制作低电压、大位移的梳齿驱动器有其重要意义。
二、机理图1所示为一经典梳齿驱动器示意图。
由图可以看出, 驱动器沿ｘ和ｙ轴两个方向都具有对称性,且有四对折叠直支撑梁, 折叠支撑梁的采用是为了消除器件制作过程中产生的应力。
在接下来的讨论中, 为了简化分析, 固定梳齿与可动梳齿之间以及梳齿顶端与相对的梳齿根部之间的电场区域采用二维平板近似模型。
微机电系统MEMS惯性传感器设计与制备
微机电系统MEMS惯性传感器设计与制备微机电系统(MEMS)是一种集成了微型机械、微电子、微光学和微纳系统等技术的多学科交叉领域。
在现代科技领域中，MEMS技术广泛应用于传感器、执行器、生物医学、通信等领域。
其中，MEMS惯性传感器是一种重要的应用。
MEMS惯性传感器是一种能够通过测量物体的加速度和角速度来判断其运动状态的装置。
其设计与制备是使用MEMS技术实现的。
首先，MEMS惯性传感器的设计包括三个重要的组成部分：传感器结构、悬浮结构和电极结构。
传感器结构是由加速度计和陀螺仪两部分组成的。
其中，加速度计通过测量物体的加速度来判断其运动状态，而陀螺仪则通过测量物体的角速度来判断其转动状态。
这两个部分都需要具备高灵敏度和高精确度的特点，因此在设计时需要考虑悬浮结构和电极结构的优化。
其次，MEMS惯性传感器的制备是使用MEMS技术进行的。
首先，需要利用光刻技术在硅片上制备出传感器结构、悬浮结构和电极结构。
然后，通过刻蚀技术将不需要的硅片部分去除，形成所需的结构。
接着，使用薄膜技术在传感器结构和电极结构上沉积金属层，并进行光刻和刻蚀，从而形成细小而精确的结构。
最后，将制备好的MEMS惯性传感器封装起来，以保护其结构和电路。
MEMS惯性传感器的设计与制备需要考虑许多因素。
首先，需要考虑传感器所能承受的加速度和角速度范围，以确定其灵敏度和响应速度的要求。
其次，需要考虑传感器的大小和重量，以便能够适应各种应用场景。
此外，还需要考虑制备工艺的可行性和成本效益。
值得注意的是，MEMS惯性传感器在实际应用中具有广泛的应用前景。
在航空航天领域，MEMS惯性传感器可以用于姿态控制和导航系统。
在汽车工业中，MEMS惯性传感器可以用于车辆稳定控制和自动驾驶系统。
在体育运动领域，MEMS惯性传感器可以用于运动追踪和分析。
在生物医学领域，MEMS惯性传感器可以用于人体健康监测和康复治疗。
总的来说，MEMS惯性传感器的设计与制备是使用MEMS技术实现的。
微机电系统工程基础课程设计 (2)
微机电系统工程基础课程设计1. 简介微机电系统（MEMS）是微米到纳米级别的机械、光学和电子元器件集成在一起的微型系统。
这些元器件包括传感器、执行器、电子器件、微型泵和微型发电机等。
MEMS技术在医疗、工业、国防、航空航天等领域有广泛的应用。
本文档将讨论一个基础课程的设计，该课程将介绍MEMS的概念、应用和制造技术。
2. 课程目标本课程的目标是为学生提供MEMS的基础知识。
学生将了解MEMS的应用、制造和设计方法。
课程的核心目标包括：•理解MEMS技术的原理和应用；•掌握MEMS制造技术的基础知识；•学会如何使用软件工具进行MEMS设计和仿真。
3. 课程内容3.1 MEMS基础知识本部分将介绍MEMS的基础知识，包括定义、历史、应用领域和MEMS原理等。
同时，将介绍MEMS与其他技术的关系，例如纳米技术、传感器和物联网等。
3.2 MEMS制造技术本部分将介绍MEMS的制造技术，包括常用的微纳加工工艺、薄膜沉积、光刻和离子束刻蚀等。
说明MEMS制造技术的特点和应用，以及不同制造技术的优缺点。
3.3 MEMS设计与仿真本部分将介绍MEMS的设计和仿真方法，包括软件工具COMSOL、Ansys等的应用基础。
通过教授MEMS器件的仿真设计过程，让学生了解MEMS器件设计的基本流程，包括确定器件功能、器件的电路设计、器件的机械设计等。
3.4 课程实践为了提高学生的实践能力，本课程将重点介绍MEMS制造实践技术。
学生需要先完成仿真设计，然后再制造MEMS器件。
在实践中，学生需要完成器件的图形设计、电路设计、机械设计，以及制造和测试。
4. 课程评估评估学生的课程成绩将基于以下方面：•课堂参与度：包括对讲座的积极参与、作业完成情况和对其他学生的支持等。
•项目报告：学生需要撰写一篇MEMS器件设计和制造的综合报告，报告将包括系统的性能、决策过程、成功与挑战等。
•测试：学生需要通过一系列的测试，以检验他们对MEMS的理解和应用能力。
微机电系统技术基础教学 MEMS技术概述
2020/1/11
NUC 2012
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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
2020/1/11
NUC 2012
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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。
2020/1/11
NUC 2012
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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；
35
典型MEMS器件——微流体器件
入口阀
双金属膜 硅
泵腔 硅
出口阀
2020/1/11
NUC 2012
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典型MEMS器件——微型喷
2020/1/11
NUC 2012
37
典型MEMS器件——微电源
锂
三硝基甲苯
甲烷
温差电池，热电发生器
mems技术
mems技术第一篇：MEMS技术的基础MEMS技术是一种利用微米制造技术制造微机电系统的技术。
微机电系统是由微型传感器、微型执行机构和微处理器组成的一种微型电子系统，可以感测、处理、控制和执行物理、化学和生物过程。
MEMS技术已经被广泛应用于医疗、能源、环境、军事、航空、汽车等领域，在诸多领域共同推动着技术的创新和发展。
MEMS技术是由光刻技术、电子束刻蚀技术、化学蚀刻技术等多种微米制造技术组合而成的。
首先，使用光刻技术制造出微细的掩模，然后借助电子束刻蚀技术将掩模转移到硅片上，形成微细的结构。
最后，通过化学蚀刻技术将硅片剥离，构成微型器件。
MEMS技术的核心在于微米级的制造工艺和精密加工技术。
MEMS技术的应用范围非常广泛，具有很大的市场潜力。
它不仅可以制造传感器、执行机构、医用器械等，还可以制造微型化的电动机、振荡器、光学开关等。
同时，MEMS技术使得微型化和集成化成为可能，可以实现更小、更快、更稳定的微型电子设备。
MEMS技术的研究和应用已经深入到人们的生活中。
例如，MEMS技术被应用于医疗行业，制造出了微型医疗器械和生物传感器，帮助医疗工作者更精准地诊断和治疗疾病。
MEMS技术还被应用于环境监测，可以监测大气、水质、土壤和噪声等。
MEMS技术还被应用于智能手机、智能手表等消费电子产品中，为人们提供更加便捷的生活方式。
MEMS技术的未来发展方向是微型化、多功能和低功耗。
MEMS器件将会越来越小、功能越来越丰富、功耗越来越低，成为推动下一代电子设备发展的重要技术。
在这个过程中，MEMS技术的研究和应用将会在更广泛的领域中展开，创造更大的社会和经济价值。
第二篇：MEMS技术在医疗领域的应用随着医疗科技的快速发展，MEMS技术也被广泛应用于医疗领域。
MEMS技术的微型化、集成化和高灵敏度特性，使得它可以应用于传感器、微型医疗器械、控制系统等，为医疗工作者提供更加精准、安全、有效的医疗服务。
MEMS技术在医疗领域的应用主要包括微型医疗器械、生物传感器、药物传递系统等。
微机电系统第二章MEMS设计基础
B.有限元方法 ▪将研究对象物理近似成模型 ▪数学近似方法：离散化
有限元方法简介
• 有限单元法是随着电子计算机的发展而迅速发展起来的 一种现代计算方法。它是50年代首先在连续体力学领域 --飞机结构静、动态特性分析中应用的一种有效的数值 分析方法，随后很快广泛的应用于求解热传导、电磁场、 流体力学等连续性问题。
• COMSOL Multiphysics 以高效的计算性能和杰出 的多场直接耦合分析能力实现了任意多物理场的 高度精确的数值仿真，在全球领先的数值仿真领 域里得到广泛的应用。
• COMSOL Multiphysics 集前处理器、求解器和后 处理器于一体，在同一个图形化操作界面中可以完 成几何建模、网格剖分、方程和边界参数设定、求 解以及后处理。
• 动画
思考题
• MEMS的设计涉及那些学科？简述MEMS的设计方 法及特点
• 工程系统设计通常有几种方法？其主要思路是什么？ 试举例说明。
• 在MEMS产品中如何应用尺度效应进行设计？其根 据是什么？对于一阶尺度，如表面—体积尺度变化 规律是什么？
• 什么是微观力学？其基本假设是什么？ • 简述如何应用ANASYS和COMSOL软件进行
2、MEMS建模
目的：对实际工程状态的特性进行分析计算
建模要求
▪正确性 ▪可视性 ▪网格划分的适用性
建模过程
▪工程实际状态的模型化 ▪物理模型的建立 ▪数学模型的建立 ▪仿真 ▪验模
五、 MEMS设计的具体方法
两种分析方法
A. 微分方程组求解法 ▪物理有效量多与时间和空间有关，因此求解较难 ▪数学近似方法：将微分转换为差分等
1 ANSYS在MEMS设计中的应用
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1 1 2SM 3 F 1 2 2 F 2 T ([l ][l ][l ] ) [l ][l ] F
• 晶面与晶向
•密勒指数
•晶面与晶面族——（ ），三点性质。一般简称晶面 •不平行的晶面族——{ } •晶向——[ ]
• 各向异性
•原因：晶面原子密度 •表现： ——材料性质（强度等） ——加工速率（腐蚀、扩散、注入等）
硅单晶原子密度（111）>（110）>（100） 扩散速度、腐蚀速度[111]<[110]<[100]
动力学例：微镜的响应速度
微镜是光纤通信网络中微开关的必要零件，要求 高速旋转，取决于角动量
微镜的截面惯性矩
1 I yy mc 2 I 1 bc3t yy 12 12
如果尺寸各减少1/2
1 1 1 3 I yy [ bc t ] I yy 32 12 32
微镜
• Optical MEMS
U 1 0 rWLV 2 Fd d 2 d2
4、电磁场中的尺度效应
沿长边L的静电力
1 0 r LV 2 Fw 2 d
沿宽边W的静电 力
1 0 rWV 2 FL 2 d
2、微观力学分析假设
原理——将晶格视为空间珩架进行有限元分析 分析前提——理论假设 材料性质——无缺陷晶体 材料变形——原子偏离晶格节点原平衡位置 几何模型—— 所有格点用位置矩阵表达 空间节点铰接桁架结构模型 晶格点上的作用力—— 惯性力（外力）+原子间作用力 （内力） 边界条件 接触面固定，则该面上所有的位移为零 晶体内晶面之间的关系
3 2 当初速度为零时，力F为: F Ma 2SM ( l )( l )( T ) 2
t
式中刚体的质量 M l 3 (2)Trimmer力尺度向量 Trimmer[1989]提出的一个独特的代表力尺度的矩阵。
这个矩阵与描述系统运动尺度的加速度 a 、时间 t和 功率密度等参数有关，这个矩阵称为力尺度向量F
• Microoptoelectromechanical System (MOEMS)
微反射镜移动或转动
微镜
Torsion Hinges Mirror 2nd DOF
Force-redirecting Linkage
Support Structure Substrat 1 l p [l F ][l ] 1.5 F 4 [l ][l ] 0.5 1 3 F 3 l V0 ([l ][l ][l ]) 2 [l ] 2 l
3、静电力中的尺度效应
以平板电容为例，如图2.26所示。平板中的电势能 o rWL 2 1 为 2 U CV V 2 2d 式中击穿电压v随 两平行板 的间隙变化，该变化如图 图2.26充电的平行板 2.27所示，称为Paschen效应。 当 d 5 时，随着间隙的增加，击 m m 穿电压v急剧下降。然而当 d 10 时，电压的变化改变方 向。进一步增加间隙，击穿电压继续线形增加。
二、MEMS微尺度效应
尺度缩小到微米以下将会带来不同物理后果；有些 尺度的微型化在物理学上是行不通的
1、几何结构学中的尺度效应
影响到：动力学惯量、流体表面力、热惯量与热传递 动力学例：大象S/V=10-4/mm，蜻蜓S/V=10-1/mm
S V l 1
不同的面体比说明蜻蜓飞行时要求很少的能量和功 率，对事物和水的消耗很低；而大象即使进行很缓 慢的运动也要有大量的食物以产生足够的能量。
l 2 l F F=[l ] 3 l 4 l 时间T
1
a=F/M
l1 l 2 2 1 l 3 l F 3 1 F 3 a [l ][l ] [l ][l ] 3 [l ] 0 l l 4 1 l l
当
d 10 m
击穿电压随d的增加而增加， V随尺度变化为 V l 3 平板电容中静电势能的尺 度为 l 0l 0l1l1 (l1 )2 3 U l l
图2.27 Paschen效应
上式尺度说明如果 W,L 和 d 同时减小 10 倍，电动势将减小 1000倍。下面是静电力的尺度规律； 垂直于平行板方向的静电力（沿d方向）为
第二章 MEMS设计基础
内容提要
硅晶体结构与微观力学 微尺度效应
MEMS中的材料应用及进展
MEMS设计的基本问题
MEMS设计的具体方法
一、硅晶体结构与微观力学分析假设
1、硅的晶面/晶向 • 硅的晶胞结构
•金刚石立方形式=面心立方结构+沿对角线错位1/4 •晶格常数a=5.43Å •每一个硅原子和与之紧邻的四个硅原子组成一个正四面体结构
2、刚体动力学中的尺度效应 3、静电力中的尺度效应 4、电磁场中的尺度效应 5、电学中的尺度效应 6、流体力学中的尺度效应 …………
2、刚体动力学中的尺度效应
刚体的惯性力与它的质量和由于惯性作用使刚体起动 或者停止时所需的加速度有关，对刚体部件进行微型 化时，必须考虑由于尺寸减小使得产生和传递运动所 需要的功、力、压力和时间等物理量产生的变化。 (1)动力学中的尺度 刚体从一个位置运动到另一个位置，运动的距离 ,L 代表线性尺度，速度 V=S/T，因此， V (l )(T )1 ls
功率密度 p/v 0
功率密度为每单位体积V0供应的功率p。能量在 MEMS的设计中是一个很重要的参数，能量不足导致 系统无法运动，能量过大可使系统结构损坏，过大功 率会增加运行成本，同时也会缩短器件的工作寿命。 刚体作功，W=FS ，功率P=W/T 功率密度
p FS V0 TV0
则功率密度的尺度向量；