微机电系统

1、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
电容式微加速度计
ADI公司 生产的微 加速度机 MEMS芯 片
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
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
控制部分 电子学
微电子学
机械 部分 传感 执行 MEMS
三、MEMS概念
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 非纯电路装置
MEMS=广义上的SOC
电、光、 声、热、 磁力等外 界信号的 采集—各 种传感器
信息输入 与模/数 传输
信 息 处 理
信息输出 与数/模 转换
执 行 器 、 显 示 器 等
信息存储
一般意义上的系统集成芯片
广义上的系统集成芯片
硅微尖锥
F a b r i c a t i o n o f S i l i c o n T i p s f o r S c a n n i n g P r o b e M i c r o s c o p y
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。
改变反射方向
+ + + +
+ + +
+
- - + +
（c）磁力驱动
（d）热驱动
MEMS微镜的应用
平板显示器 全光通信中的光交换开关
DMD——应用
光交换开关
可转动的硅微镜
微机械1X2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
二维光交 换开关
可转动的 硅微镜
出射光纤
(1) 可转动的硅微镜
数字镜面显示（DMD）
可转动的硅微镜
微镜的驱动方式
（a）微马达驱动
Torsion Hinges
Support Structure Substrate Hinges
Mirror
2nd DOF
Force-redirecting Linkage
1st DOF
（b）静电驱动
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
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，
微机械
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
七、微机电系统的设计技术
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
六、MEMS技术的应用
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
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、Βιβλιοθήκη Baidu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
入射光纤
三维光交换开关
硅片上的微光学平台
(2) 光纤固定结构
V形槽 各种卡紧结构
4、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（ 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。
LIGA工艺 牺牲层工艺
（1）化学腐蚀
（2）反映离子刻蚀
STS Deep RIE system at FID
High aspect ratio 60um trench
（3）LIGA工艺
Lithograpie(光刻)、Galvanoformung(电铸)、Abformung(塑 铸) 德国为代表 主要用于金属微结构器件的形成
第九章 微机电系统(MEMS)
Micro-Electro-Mechanical Systems
一、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
微电子压力传感器
F
利用了硅的三微结构与机械特性
微电子湿度传感器
聚合物薄膜 压敏电阻器
硅
吸湿膨胀
真空微电子平板显示器
发光 玻璃 荧光粉 电 场 电子 硅尖锥 硅Si基体
利用了硅的三微结构 与机械加工特性
二、引
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
言
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。
LIGA工艺
模具
（3）牺牲层工艺
美国为代表
腐蚀
牺牲层
五、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
硅微齿轮
静电
弧形梳齿
原理 应用
硅微转子
硅微槽
硅微漏斗
硅微梁
硅微梁
硅微转动器
硅微拖动器
硅微桥
硅微桥
硅微琴
硅微型镊子
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
可以用于医疗手术
四、MEMS制造工艺
硅MEMS工艺
化学腐蚀 反映离子刻蚀：高深宽比深槽刻蚀
2、微马达
静电
旋转马达
原理
线性马达
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
3、光通信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） 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