微机电系统MEMS设计基础
《mems微机电系统》PPT课件
大〕，机械性能较好 • 2.存在对硅材料的浪费较大 • 3.与集成电路的兼容性不好
• 根据腐蚀剂的相态，即液相、气相和等离 子态，可以将体型微机械加工的腐蚀方法 划分为三种。采用液相腐蚀剂的腐蚀工艺 往往又称为湿法腐蚀，而采用气相和等离 子态腐蚀剂的腐蚀工艺那么称为干法腐蚀 。
• 多晶硅作为MEMS最常用的构造材料之一 ，它易于用IC技术进展构件制造， 且机械 性能满足要求。用微机械加工制造的典型 多晶硅薄膜的厚度至少大于3 μm。膜更厚 ，其强度和韧性更好。
• 外表微机械加工还采用其它构造材料，以获得可控 的剩余应力值、杨氏模量、薄膜形态、硬度、电导 率和光反射特性。 第一类材料是金属, 包括Al和化 学气相淀积〔CVD〕钨、电镀镍、铜等。特别是Al ，它具有良好的光反射特性，可用于构成微光学系 统的构造〔如Texas Instrument的DMD〕。此时 ，牺牲层材料可以采用气相淀积的有机物，如光刻 胶、聚酰亚胺、 聚对二甲苯等。第二类材料包括 CMOS工艺中制作互连所用的二氧化硅、多晶硅等 。 释放可在CMOS工艺后通过无掩模的干法刻蚀完 成。这些材料的应用可以简化机械构造与电路的集 成， 但机械特性有一定的限制。第三类材料是氮化 硅，这种薄膜的外表比多晶硅外表光滑，可以直接 淀积光发射材料，其张应力可以通过让薄膜富硅化 和在氧化气氛中退火的方法来减小。
一、电子束光刻胶
• 最新的电子束光刻胶开展： • 美国道康宁公司电子部〔Dow Corning
Electronics〕推出的Dow Corning® XR-1541电子束光刻胶。这一新型先进的 旋涂式光刻胶产品系列是以电子束〔 electron beam〕取代传统光源产生微影 图案，可提供图形定义小至6纳米的无掩模 光刻技术能力。
MEMS设计流程
MEMS设计流程MEMS，即微机电系统（Micro-Electro-Mechanical Systems），是一种结合了微纳尺度机械、电子、光学和化学等多学科的综合技术。
它用微米级别的结构制造出具有机械、电气和光学等特性的微尺度器件，广泛应用于传感器、执行器、生物医学、通信等领域。
而MEMS的设计流程是指在设计MEMS器件时所需要进行的一系列步骤。
本文将详细介绍MEMS设计流程。
1.需求分析：在这一阶段，首先需要明确MEMS器件的使用环境、工作参数和性能指标等需求，包括温度范围、压力范围、灵敏度、响应时间等。
然后根据需求制定设计目标，并进行可行性分析以确定是否可以通过MEMS技术实现。
2.概念设计：在这一阶段，需要进行前期的整体概念设计，包括器件结构、布局和组成部分的选择等。
通过综合考虑机械、电子、光学和化学等方面的效应，选择适合的工作原理和结构，确定设计的初步方案。
3.详细设计：在这一阶段，需要对概念设计进行详细的设计和优化。
包括结构和材料的选择、尺寸设计、布线设计、控制电路设计等。
在设计过程中需要考虑到制造工艺的可行性和性能优化的权衡。
4.模拟仿真：在这一阶段，需要利用CAD工具对设计进行三维建模，并通过有限元分析等仿真手段对器件性能进行评估。
通过仿真可以预测器件的结构、电气和机械等性能，并进一步优化设计方案。
5.加工制造：在这一阶段，需要选择适合的MEMS制造工艺，并进行样品的加工制造。
MEMS制造工艺包括光刻、薄膜沉积、腐蚀、离子刻蚀、包封和封装等步骤。
制造过程需要严格控制参数和工艺，确保器件的可靠性和稳定性。
6.测试验证：在这一阶段，需要对加工制造好的器件进行测试验证。
包括静态测试和动态测试。
静态测试包括器件的结构、电气和机械等性能的测试；动态测试包括器件在各种工作状态下的性能测试和可靠性测试。
通过测试可以验证设计的正确性和可靠性，并进行必要的调整和优化。
综上所述，MEMS的设计流程是一个从需求分析到测试验证的连续过程，需要经过需求分析、概念设计、详细设计、模拟仿真、加工制造和测试验证等多个阶段。
微型机电系统技术及应用研究
微型机电系统技术及应用研究一、微型机电系统技术的概述微型机电系统（MEMS）是一种结合微电子技术和机械工程学的新型领域，其通过微型化的设计和制造技术，将传统机械结构和微电子器件相结合，形成了微小的机电一体化系统。
微型机电系统技术是一门综合性技术，涵盖了微电子、纳米技术、微流体技术、光学技术、机电一体化技术等多个学科的知识。
它主要应用于机械传感器、微型电子器件、模拟信号处理器、微型加速度计等领域。
二、微型机电系统技术的工艺流程（一）MEMS芯片的设计MEMS芯片的设计过程是从需求分析、系统设计、器件设计、工艺设计、布图设计等方面入手进行的。
需要建立实体模型、分析模型，进行仿真和测试，并不断优化和改进设计。
（二）MEMS芯片的制造MEMS芯片的制造过程一般包括深度反相模法、LIGA工艺、光刻、涂覆、光阻显影、等离子刻蚀、熔合碳化硅、薄膜沉积、蚀刻等多个步骤。
（三）MEMS芯片的封装MEMS芯片的封装是保护器件、连接器件与外部电路的必要措施。
封装过程可以分为晶圆封装和单晶封装两种方式，包括封装底座、焊接、固定器件等多个步骤。
三、微型机电系统技术的应用研究（一）机械传感器微型机械传感器是MEMS技术应用最为广泛的领域，目前已广泛用于医疗、环境、军事、交通等领域。
例如，在医疗领域中，MEMS传感器可用于实时监测病人的脉搏、血压和呼吸等生命体征，为医护人员提供即时的信息。
（二）微型电子器件微型电子器件是MEMS技术的另一个重要应用方向，包括MEMS振荡器、MEMS电容器等。
这些器件的微型化和集成化将会使一些电子设备大幅度缩小，例如手机和手表等。
（三）模拟信号处理器模拟信号处理器是利用MEMS技术构建的一种新型信号处理器，可以将模拟信号进行转换、增强和分析等处理，广泛应用于工业自动化、环境监测、生命科学等领域。
（四）微型加速度计微型加速度计是MEMS技术在工业领域中的应用之一，可以实现对工业设备振动、冲击等数据的监测和控制，对于提高设备的精度和可靠性有非常重要的作用。
微纳米机电系统的设计与制造技术
微纳米机电系统的设计与制造技术微纳米机电系统（Microelectromechanical Systems，MEMS）是指一种利用微纳米级别工艺制造的微型机电系统。
它由微型电路技术、微机电技术和微纳米制造技术等融合而成，具有体积小、重量轻、易于集成和制造成本低等优点。
MEMS技术已经广泛应用于电子信息、生物医学、能源环保、航空航天等领域，成为新一代的技术革命。
一、微纳米机电系统的设计原则微纳米机电系统的设计原则包括以下几点：1. 功能多样性：微纳米机电系统应该具有多种功能，可应用于不同的场景和需求。
2. 高性能：微纳米机电系统应该具有高性能特点，例如高灵敏度、高稳定性和高精度等。
3. 低功耗：微纳米机电系统应该具有低功耗特点，以延长产品的使用寿命和提高性能。
4. 集成度高：微纳米机电系统应该具有高集成度，可以实现多种功能的集成。
5. 可靠性好：微纳米机电系统应该具有良好的可靠性和稳定性，以保障产品的正常使用。
6. 制造成本低：微纳米机电系统应该具有低制造成本特点，以提高产品的市场竞争力。
二、微纳米机电系统的制造工艺微纳米机电系统的制造工艺包括以下几个方面：1. 制造材料：微纳米机电系统的制造需要用到高纯度的材料，如硅、氧化硅、氮化硅、聚合物等。
2. 制造技术：微纳米机电系统的制造涉及到微纳米加工技术、光刻技术、等离子体刻蚀技术、离子注入技术、化学气相沉积技术等。
3. 制造工艺流程：微纳米机电系统的制造工艺流程包括大面积晶圆清洗、材料生长、图形化处理、刻蚀、离子注入、衬底去除等步骤。
4. 检测和测试：微纳米机电系统的制造需要经过严格的检测和测试，包括结构形状、机械性能、电学性能等方面。
5. 包装和封装：微纳米机电系统的包装和封装需要采用特殊的方法，以确保产品的性能和可靠性。
三、微纳米机电系统的应用领域微纳米机电系统的应用领域非常广泛，包括以下几个方面：1. 生物医学：微纳米机电系统可以用于生物医学领域，如人体细胞和组织的刺激、诊断和治疗，体内药物释放和监测等。
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。
电子科大微机电系统(MEMS)概论课件 第一章
力学
流体
声学
传热学 光学
MEMS
电/磁学
生物学
化学
量子力学
一、MEMS的形成与发展
1、MEMS的形成基础
与机械电子学的关系
• 基本组成相同 • 不是简单的提升
定子
转子
扭矩传 递齿轮
LIGA工艺生成的微马达
MEMS系统框图
MEMS的组成要素：微型传感器、微执行器、信号处理控制电路、通 信系统、微电子电源
Electron Devices ED-35
724–30
旋转式静电微电机 Rotary Electrostatic Micromotor
Fan Long-Shen, Tai Yu-Chong and
Muller R S 1989 IC-processed
Aelcetcutarotostrasti2c0m4i1c–r7omotors Sensors
阻量 ＝势能变化 / 速度、电流或流量的变化 容量 ＝质量或位移变化/ 势能变化 惯量 ＝势能变化/ 流量（速度或电流）每秒的变化
三、MEMS的制造方法概述
MEMS与IC工艺追求不同 • 从二维到“假三维” 、 “真三维” • 以IC平台发展起来为主，非IC工艺日渐丰富
三、MEMS的制造方法概述
5)IC器件主要是电信号，而MEMS器件有机械、光、电、多种信号；
6)IC主要是表面加工工艺，而MEMS有多种加工工艺；
7)IC主要是半导体材料，而MEMS有多种加工材料。
机械学 机械功能
(输入/输出 )
•“系统Systems”——结构,设备,系统水平
MEMS——21世纪微型化的前沿技术
2、MEMS的特点
微型机械 VS 普通机械
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。
微机电系统的新型传感器设计与应用
微机电系统的新型传感器设计与应用微机电系统（Micro-Electro-Mechanical Systems，简称MEMS）是一种集电子、机械和传感器于一体的微小尺寸装置，广泛应用于诸多领域。
本文将重点讨论微机电系统中新型传感器的设计与应用。
第一部分：新型传感器的设计新型传感器的设计需要考虑多个因素，包括传感器的尺寸、灵敏度、可靠性和成本等。
微机电系统的优势在于其小尺寸和集成化特性，可以实现更小型化的传感器设计。
例如，利用MEMS技术可以制造出微小的加速度传感器，可广泛应用于智能手机和移动设备中。
另一个关键因素是传感器的灵敏度。
通过优化材料选择和结构设计，可以提高传感器的灵敏度。
例如，利用纳米材料制备的压力传感器具有更高的灵敏度和响应速度，可被应用于医疗和生物领域。
传感器的可靠性也是设计过程中需要关注的一个方面。
传感器常常需要在复杂环境下工作，如高温、高压和强震动等。
因此，新型传感器的设计必须考虑到对这些环境的适应性和可靠性。
例如，利用纳米材料的特殊性质，可以制造出具有高温抗性和耐腐蚀性的传感器。
在设计过程中，成本也是一个不可忽视的因素。
尽管MEMS技术降低了传感器的成本，但仍然需要寻求更经济高效的设计。
例如，采用新型的制造工艺和材料可以减少传感器的生产成本，实现更大规模的生产。
第二部分：新型传感器的应用新型传感器的设计可以应用于各种领域。
其中一个重要应用是智能健康监测。
借助MEMS技术，可以制造出微型血压传感器、心电图传感器和血糖监测传感器等。
这些传感器可以实时监测人体的生理指标，并将数据传输给移动设备进行分析和处理，为用户提供健康状态的实时反馈和预警。
另一个应用是环境监测。
新型传感器可以用于检测空气质量、水质和土壤污染等。
通过将这些传感器网络化，可以实现对大范围区域的环境监测和数据收集。
这对于环境保护和资源管理具有重要意义。
此外，新型传感器还可以应用于智能交通系统中。
通过在车辆上安装高精度的传感器，可以实现智能驾驶和交通流优化。
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。
微机电系统工程专业基础设置
微机电系统工程专业基础设置1. 引言微机电系统（MEMS）工程是一门涉及微小尺度机械、电子、光学及传感器的交叉学科，广泛应用于医疗、能源、环境监测等领域。
微机电系统工程专业的基础设置是为了培养学生对于该领域的基本理论和技术知识，并为后续的专业深化学习奠定基础。
2. 课程设置2.1 微机电系统原理该课程主要介绍微机电系统的基本原理和概念，包括微型加工技术、微尺度电子器件、传感器和执行器、集成电路设计等内容。
通过理论讲解和实例分析，学生将掌握微机电系统背后的核心概念和工作原理。
2.2 微机电系统制造工艺及设备这门课程主要介绍微机电系统的制造工艺和设备，包括光刻、薄膜沉积、腐蚀、离子注入等常用的制作工艺。
学生将学习不同制作工艺的优缺点，并了解微机电系统制造中所涉及的常用设备和工具。
2.3 微机电系统性能评估方法该课程主要介绍微机电系统性能评估的方法和技术，包括机械性能测试、电特性测试、环境适应性评估等内容。
学生将学习如何通过实验和测试来评估微机电系统的性能，并掌握数据分析和结果表达的基本方法。
2.4 微机电系统设计与仿真这门课程旨在培养学生微机电系统设计和仿真能力。
学生将学习常用的微机电系统设计方法、电路布局和优化技巧，并使用专业仿真软件进行模拟实验和设计验证。
2.5 微机电系统应用与发展该课程将介绍微机电系统在不同领域的应用，包括医疗、能源、环境监测等。
学生将了解当前微机电系统领域的研究热点和发展趋势，并通过案例分析深入了解微机电系统的实际应用情况。
3. 实验设计学生将参与微机电系统相关的实验设计，包括制备微结构、测量和分析微机电系统性能等。
通过实验实践，学生将巩固并应用所学的基础理论和技术知识。
4. 考核方式微机电系统工程专业基础设置的考核方式通常包括课程论文、实验报告、课堂测试和综合考试等。
学生需要完成相关作业和实验，并在考试中展示对所学知识的理解和应用能力。
5. 结语微机电系统工程专业基础设置是学生深入学习微机电系统领域的必备基础课程。
新型MEMS器件的设计与应用实例
新型MEMS器件的设计与应用实例互联网的发展使得人们对硬件设备的需求越来越高。
在众多硬件设备中，MEMS器件由于其小巧、高效、低功耗等特点，成为了人们关注的热点。
本文旨在介绍新型MEMS器件的设计和应用实例。
一、MEMS器件概述微机电系统（MEMS）器件是指制造工艺基于半导体工艺的微米级机械和电气器件。
MEMS器件通常由微机械、微电子、传感器和执行器等组成。
由于MEMS器件具有小巧、高效、低功耗等优点，因此广泛应用于汽车、医疗、照明、生物、安防等领域。
二、MEMS器件的设计2.1 MEMS器件的制造工艺MEMS器件的制造工艺主要有薄膜工艺、批量浅刻蚀（DRIE）工艺、电解抛光工艺和光刻工艺等。
其中，薄膜工艺是将气相化学品通过化学反应沉积在薄膜上，用于制造电极、电感、电容等器件。
批量浅刻蚀工艺是使用一种特殊的淀粉酸溶液使硅片表面产生无规则的微峰和微谷，用于制造微结构和传感器。
电解抛光工艺是利用化学腐蚀的方法，将硅片表面的材料去掉，用于制造微通道和微阀。
光刻工艺是将照射面上的图案转移到硅片表面，用于制造微结构和传感器等。
2.2 MEMS器件的设计MEMS器件的设计需要考虑到其应用场景和制造工艺。
常见的MEMS器件设计包括惯性传感器、压力传感器、声波器件、机械阀和活塞式MEMS振荡器等。
以压力传感器为例，其设计要考虑到压力范围、灵敏度、温度稳定性、功耗等因素。
设计时可以采用微机械加工技术制造出微纳米级别的测量膜片，然后通过电极、电容等结构对其进行测量。
三、MEMS器件的应用实例3.1 车用MEMS智能传感器车用MEMS智能传感器可以实时感知车辆的运行状态，监测车辆的节气门、氧传感器等部位的工作情况。
通过对数据的分析和处理，可以实现自适应控制和预警功能，提升车辆的安全性和燃油利用率。
3.2 医疗器械MEMS传感器医疗器械MEMS传感器可以用于人体内部的传感探头，实现微创手术、药物递送等功能。
传感器可以测量人体内部的生理信号，如心电图、脑电图、呼吸等信号，并将其转变为数字信号进行处理。
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
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
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
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；
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
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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
微机电系统的设计与制造
微机电系统的设计与制造随着科技的不断进步，微机电系统（MEMS）的设计与制造成为了一个重要的领域。
从智能手机的加速度计到汽车的气囊系统，MEMS技术的应用越来越广泛。
本文将探讨微机电系统的设计与制造过程，并介绍一些相关的技术和应用。
一、MEMS的设计过程在进行MEMS的设计之前，首先需要明确系统的功能需求以及性能指标。
这包括对MEMS的尺寸、灵敏度、响应速度等方面的要求。
接下来，工程师需要进行模拟和仿真，通过计算机辅助设计软件对系统进行建模和优化。
这些软件可以模拟MEMS在不同工况下的性能，并帮助工程师寻找最佳的设计方案。
一旦设计方案确定，接下来就是MEMS的制造过程。
MEMS的制造通常采用微纳米加工技术。
首先是利用软光刻技术在硅基片上定义出MEMS的图案，然后进行湿法或干法腐蚀，以形成MEMS的结构。
接下来，需要进行适当的清洗和检验，确保制造的MEMS符合设计要求。
二、MEMS的制造技术MEMS的制造技术是MEMS设计与制造过程中关键的环节。
下面介绍几种常用的制造技术。
1. 硅基微加工技术硅基微加工技术是MEMS制造的主要方法之一。
它利用硅基片的机械加工和化学加工能力，通过控制加工参数，可以制造出具有复杂结构和微米尺寸的MEMS器件。
硅基微加工技术的优势在于可以批量生产，成本较低。
2. LIGA技术LIGA技术（即光刻、电镀和模压）是另一种常用的MEMS制造技术。
它利用X射线或紫外光刻技术在感光胶层上制造出微米级的模具，然后利用电镀技术在模具上电镀金属，最后将金属的复制品用于制造MEMS器件。
LIGA技术能够实现微米级的加工精度，适用于制造需要高精度的微结构。
3. 化学气相沉积技术化学气相沉积技术广泛应用于MEMS的制造中。
它是一种利用化学反应在基片表面上沉积薄膜的技术。
通过调节沉积条件和反应气体组分，可以控制沉积膜的成分和性质。
化学气相沉积技术能够制备出高质量的薄膜材料，适用于制造MEMS中的电极、感应器和阻尼器等部件。
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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l1
F=[lF
]
l
2
l3
时间T
l
4
a=F/M
l1
l 2
a
[l
F
][l3 ]1
[l F
][l 3 ]
l 2
[l 3 ]
l 1
l3
l0
l
4
l1
T
2 SM F
([l][l3][l F
]1
)
1 2
[l2 ][l F
]
1 2
l
1 2
l1 l 1.5
[l2
]=
l2
l1.5
微反射镜移动或转动
微镜
Torsion Hinges Mirror
2nd DOF
Support Structure
Substrate Hinges
1st DOF
Force-redirecting Linkage
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 …………
U= dU= edQ
产生的电磁力将会改变磁场中导体的相对位移，可 得到这些力的表达式
F U
x
常量
F U
x
i 常量
如果考虑恒定电流流动情况即产生的电磁力为
F 1 i2 L 2 x
上式电流i与导体的横截面积有关，既 i , l2
U x
是无量纲的，因此电磁力的尺度为 F (l2 )(l2 ) l4
硅单晶原子密度（111）>（110）>（100） 扩散速度、腐蚀速度[111]<[110]<[100]
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
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l 线s性尺度，速度V=S/T，因此，
垂直于平行板方向的静电力（沿d方向）为
Fd
U d
1 0rWLV 2
2 d2
4、电磁场中的尺度效应
沿长边L的静电力
Fw 1 0r LV 2
2d
沿宽边W的静电
力
FL
1 2
0 rWV
d
2
3个方向静电力与尺度 l 2有关
减小平板尺寸 110静电力
100 1
根据物理学中电磁场理论，处于磁感应强度B的磁 场中的导体通入电流 i时，导体内部或导电线圈所受 电磁力为F，Q为导体单位面积的电荷，电动势是驱 动电子通过导体的力。驱动电荷的能量为
则功率密度的尺度向量；
l 2.5
p V0
[l F ][l]
([l
][l
3
][l
F
])
1 2
[l
3
]
[l1.5F ][l 4 ]
l
1
l 0.5
l2
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
为 U 1 CV 2 orWL V 2
2
2d
式中击穿电压v随 两平行板 的间隙变化，该变化如图 2.27所示，称为Paschen效应。 图2.26充电的平行板 当 d 5时m，随着间隙的增加，击 穿电压v急剧下降。然而当d 10时m，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。
l1
l0.5
l
0
功率密度 p/v0
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
V (l)(T )1
当初速度为零时，力F为: F Ma 2SM (l)(l3)(T )2
t2
式中刚体的质量 M l3 (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
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。
•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
• 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）
当
d 10 m
击穿电压随d的增加而增加，
V随尺度变化为 V l3
平板电容中静电势能的尺
度为
U l0l0l1l1(l1)2 l3 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；来自动力学例：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
I yy
1 12
mc2
I yy
1 12
bc3t
如果尺寸各减少1/2
I yy
1 [1 32 12
bc3t]
1 32
I yy
微镜
• Optical MEMS
• Microoptoelectromechanical System (MOEMS)
Micro-Electro-Mechanical-System(MEMS)
杨大勇
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