第二章MEMS基础-1
微机电系统MEMS的学习课件
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
MEMS
第一章简介1.1 什么是MEMS技术？微机电系统（MEMS）是通过微加工技术将机械元件，传感器，执行器和电子元件集成在一个硅衬底上而形成的。
其中电子元件是由集成电路（IC）工艺序列加工而成（例如，CMOS，双极型晶体管，或者BICMOS），微机械部件是用可兼容的“微加工”技术加工而成的，通过这种技术可以选择性地刻蚀掉硅晶片的某些部分或者再添加新的结构层以制成机械和电机械器件。
MEMS技术通过将基于硅的微电子技术与微加工技术相结合起来，有望革新目前几乎每一种产品类型，实现完全的片上系统。
MEMS是一种使能技术，它可以促进智能产品的开发，提高微电子器件的计算能力和微传感器微执行器的感知和控制能力，扩大可能的设计和应用空间。
微电子集成电路可以看做是一个系统的“大脑“，而MEMS通过“眼睛”和“手臂”使得微系统感知和控制外部环境来增强这种决策能力。
传感器通过测量各种力学，热学，生物，化学，光学和磁现象从外界收集信息。
然后电子元件处理从传感器得到的信息并通过某些决策决定来引导执行器响应以实现诸如运动，定位，调节，抽吸和滤波等功能，从而通过控制环境得到想要的结果或目的。
因为MEMS器件是采用与集成电路相似的批加工技术制造，可以在一个小硅片上以相对低的成本在功能性，可靠性和复杂度方面达到以往不及的水平。
1.2 MEMS和纳米技术的应用目前MEMS和纳米技术有很多可能的应用。
作为一种突破技术，它使得在以前毫不相关的领域之际开展非平行的协作，比如生物学和微电子学。
许多新的MEMS和纳米技术的应用将会涌现，将我们目前已知的领域不断扩展。
下面给出的是一些当前热点应用：生物科技MEMS和纳米技术在科学和工程领域不断促成新的发现，譬如聚合酶链反应（PRC），用于DNA扩展和识别的微系统，微加工技术制造的扫描隧道显微镜（STMs），用于危险化学和生物试剂检测的生物芯片，以及高产量药品的筛选等。
通信高频电路性能将会随着射频MEMS技术的出现而得到显著提高。
MEMS技术导论
应用
MEMS在工业、信息和通信、国防、航空航天、航海、医疗和物生工程、农业、环 境和家庭服务等领域有着潜在的巨大应用前景。 MEMS的应用领域中领先的有：汽车、医疗和环境；
◆ Optical
MEMS ◆ RF MEMS ◆ Data Storage ◆ Bio. ◆ Power MEMS ◆ MEMS for Consumer Electronics ◆ MEMS In Space ◆ MEMS for Nano.
数 字 信 号 处 理 器
模 拟 信 号 处 理 器
执 行 器 信息 其它
感测量 通讯/接口单元
控制量
光/电/磁
以微电子技术为基础，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 •半导体加工工艺发展起来的硅表面加工和体加工的硅微细加工。 •八十年代中期以后利用X射线光刻、电铸、及注塑的LIGA（德文Lithograph Galvanformung und Abformug简写）技术诞生， •利用紫外光刻的准LIGA加工、微细电火花加工（EDM）、超声波加工、等离子体加工、 激光加工、离子束加工、电子束加工、立体光刻成形等。MEMS的封装技术也很重要。传 统的精密机械加工技术在制造微小型机械方面仍有很大潜力。
Courtesy: Sandia national laboratory
•2000年底/：MEMSSi宣布研制成功与标准 CMOS兼容的加速度计
• 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。
目前MEMS器件市场应用
• • • • • • • 微喷嘴－－喷墨打印头 加速度计－－汽车安全气囊传感器 压力传感器 微型控制阀 微型磁强计 生物芯片 光开关
微机电系统第二章MEMS设计基础
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
北航mems课程
处理器/控制器 Processor/Controller
电信号
传感器 Transducer (Sensor)
执行器(致动器) Actuator
物理量
Microsensor
物理世界 Real World
机械能
Actuator
测量是控制的前提
执行器发展较滞后
2019/11/20
MEMS课程讲义-MEMS基础理论
3
MEMS 所涉及理论或技术
MEMS的一种权威定义：
MEMS 行器：力学、机械、电磁、强电、控制…… 微……：工艺、材料、装备……
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MEMS课程讲义-MEMS基础理论
4
MEMS中的仪器学科
信息系统一般组成
信息获取 （调查/测量）
11
微尺度效应
常用数量级
热传导 热对流 热辐射
λΔTA/d∝L hΔTS∝L2 CT4S∝L2
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MEMS课程讲义-MEMS基础理论
12
微尺度效应
常用数量级
静电力 电磁力 热膨胀力
εSE2/2∝L0 μSH2/2∝L4 ESΔL/L∝L2
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MEMS课程讲义-MEMS基础理论
6
MEMS基础理论
微尺度效应
硅材料理论技术
系统级理论技术
方法、工具、手段
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MEMS课程讲义-MEMS基础理论
7
微尺度效应
Ln规律
水中物体运动规律
m dv fv F dt
v F / f (1 et / )
m/ f f 3L L2
MEMS基本常识
一、MEMS基本常识1、MEMS的特征尺寸范围1um~1mm2、MEMS的本质特征——小型化、微电子集成、批量制造3、摩尔定律——集成电路芯片的集成度每三年提高4倍，而加工特征尺寸缩小根号2倍4、Accelerometer(加速度计)；Near field microscopy(近场显微镜)；Resonant sensor(谐振传感器)5、MEMS技术的构成：微制造、微器件和微系统6、半导体中两种自由载流子：电子和空穴7、单晶硅单位晶体中原子总数：188、单晶硅常用于MEMS衬底材料，其应用普遍性主要的原因是什么？它的力学性能稳定，并且可被集成到相同衬底的电子器件上。
硅几乎是理想的结构材料。
它的熔点为1400摄氏度。
它的热膨胀系数比钢小八倍。
最重要的是，硅在事实上没有迟滞，因此是理想的传感器和致动器的理想候选材料。
9、MEMS中的核心元件一般包括哪两个部分：传感器和信号传输单元10、就微系统而言，化学性能最稳定的材料是碳化硅；最便宜的热和电绝缘材料是二氧化硅11、哥氏效应、Sagnac效应：哥氏效应：质点作圆周运动的同时也作径向运动或圆周运动时，会产生一个分别垂直于这两轴方向的作用力，叫做哥氏力。
哥氏力的大小为F=2mwuSagnac效应：将同一光源发出的一束光分解为两束，让它们在同一个旋转环路内沿相反方向循环行一周后会合，产生相位差发生干涉。
二、微传感器与微执行器1、传感器的基本工作原理是：将一种能量信号转换为另一种能量信号；执行器的基本工作原理是：通过机电转换结构将电学控制信号转化为机械动作。
2、传感器中力-电转换机理通常有压阻式、电容式、谐振式、隧道式、压电式3、测量微压力传感器中薄膜的变形方法：电子方法4、微传感器按传感机理分：压阻、压电、隧道、电容、谐振、热对流；按物理参数分类：力(加速度/压力/声)、热（热电偶/热阻）、光（光电类）、电磁（磁强计）、化学和生物医学（血糖/电容化学/化学机械）5、利用半导体光电导效应可制成光敏电阻，其基本原理是：辐射时半导体材料中的电荷载流子（包括电子和空穴）的增殖使其电阻率发生变化6、隧道电流敏感原理：在距离十分接近的隧道探针与电极之间加一个偏置电压，当针尖和电极之间的距离接近纳米量级时，电子就会穿过两者之间的势垒，形成隧道电流。
mems简介2
薄膜淀积
腐蚀
2.2 微电子制造工艺
MEMS工艺与传统宏观尺寸机械加工区 别：
硅是主要衬底材料，脆，难以机械切割
要求衬底圆片平坦
MEMS芯片元件小，现有机器人很难夹持、
装配
CMOS工艺
Basic Long-channel Device Behavior
2.5 工艺中需要考虑的问题
材料的加工、生长效率 淀积速率和刻蚀速率在圆片上的均匀性 工艺选择性(过刻蚀不敏感、选择性) 温度兼容性(材料角度) 加工的复杂性(工序、工艺时间) 环境特性 淀积和刻蚀的分布…
本章小结
半导体加工整体概念 IC加工原理 硅基MEMS工艺 新材料、新工艺应用 工艺加工的一些要求
2.3 硅基MEMS工艺
At 500℃, still remain its mechanical properties(良好的高温性能) Poly-Si shows slow-stress-annealing effects at 250℃ or above(缓慢应力退 火效应) Stable in most gases(化学性质稳定) Nontoxic to human body(对人体无毒)
2.3 硅基MEMS工
表面微机械加工技术
LIGA工艺
体微机械加工技术
SCS为结构材料 对衬底硅进行腐蚀等 加工 结构强度大 三维特性 SFB-DRIE结合
课堂作业
画出体硅工艺的流程 图(展示截面)
表面微机械加工技术
结构为多晶硅或 金属 牺牲层通常为氧 化硅、金属或有 机聚合物等 结构释放过程很 重要 应力控制问题
课堂作业
MEMS课件第二章new2
其中：
l——加热元件与热敏元件间的距离 t——热的传播时间
热式微型流量传感器例
利用体硅腐蚀工艺制作制作了V形槽 热隔离结构，利用氮化硅进行热绝缘。
热式微型流量传感器的特点
优点：尺寸小，响应快 ，灵敏度高。 缺点： 功耗较大，特别是用于液体时。 热飞行时间式与热线式相比，测量精度 更高、线性度更好、功耗更小，还可只 用一个检测元件。
机械式微型流量传感器
工作原理：流体流动时产生的粘滞力 或流道进出口之间的压力差，带动机 械结构运动或变形，通过压阻效应或 电容变化等，感知流体的流动速度。
其主要结构：一个可动膜或阀片，加 上其上的压敏电阻或电容测量感应件。
基于粘滞力的机械式微型流量传感器
基于粘滞力流量传感器的基本公式
平行于流动方向的粘滞力FD：
微型振动陀螺例（1）
美国Draper实验室研制的音叉式线振动 陀螺。体硅工艺制作。平板电容检测。
微型振动陀螺例（2）
清华研制的振动陀螺 利用体硅、键合工艺，平板
电容检测。
微型振动陀螺例（3）
加州大学伯克利分校研制的Z轴角速度陀螺 仪。利用表面工艺制作。叉指电容检测。
微型振动陀螺例（4）
美国HRL研制的隧道效应角速度陀螺。利 用表面工艺制作。
热电偶原理的微温度传感器的 一个严重的缺点是：输出信号 的大小会随着线和节点的尺寸 的减小而降低。所以，单独的 热电偶并不是理想的微温度传 感器。
微热电堆是小型化热传感的更 理想的解决方案。热电堆同样 有冷接点和热接点，但它们是 用热电偶平行排列并且串联电 压输出。这种排列如图2.14中。 热电堆导线的材料和热电偶是 一样的—铜/铜镍合金(T型)，铬 合金/氧化铝(K型)等
振动陀螺的基本公式
MEMS知识概况总结
6
压力传感器是影响最为深远且应用最广泛的 M EM S 传感器 , 其性能由测量 范围 、 测量精度 、 非线性和工作温度决定 。从信号检测方式划分 , M EMS 压力传感器可分为压阻式 、电容式和谐振式等 ;从敏感膜结构划分 , 可分为圆形 、 方形 、 矩形和 E 形等 。硅压力传感器主要是硅扩散型压阻 式压力传感器 , 其工艺成熟 , 尺寸较小 , 且性能优异 , 性价比较高 。
9
2. pH(3%)变化曲线
2.2 寿命性实验-pH变化
12.5
1
2
3
12.0
4
A
B
11.5
pH的变化
11.0
10.5 0h
6h
18h
24h
48h
72h
时间/ h
10
3.密度变化
2.3 寿命性实验-密度变化
0h
24h
72h
1
1.058 1.029 1.015
2
1.042 1.008 0.997
3
7
1. 质量变化曲线
0 -5 -10
2.1 寿命性实验-质量变化
1 2 3 4 A B
重量的减少/ g
-15
0h
6h
18h
24h
48h
72h
时间/ h
8
2.2 寿命性实验-pH变化
2. pH(3%)变化
0h
6h
18h
24h
48h
72h
1
11.54 11.65 11.52 11.48 11.42 11.37
加热72h后，分别测1、2、A、B四种去胶液对铝的腐蚀性。（3和4对已 经证明铝有腐蚀）
第二章 MEMS基础-2
腐蚀速度也是以(111)<(110)<(100)的顺序而增加 。
多晶硅
单晶是指整个晶体内原子都 是周期性的规则排列，而多晶 是指在晶体内各个局部区域里 原子是周期性的规则排列，但 不同局部区域之间原子的排列 方向并不相同。因此多晶体也 看作是由许多取向不同的小单 晶体组成的 。
硅晶体的传感特性
四、石英
石英是SiO2的化合物。石英的一个单位晶胞是四面体形 状，三个氧原子分别位于四面体底部的三个顶点，一个 硅原子在四面体的另一个顶点上。垂直于基面的轴叫Z 轴。石英晶体结构是六个硅原子组成的圆环。 石英几乎是用作传感器的理想材料，因为它几乎绝对的 尺寸热稳定性。它用于市场中的许多压电器件中，石英 晶体的商业应用包括手表、电子滤波器和谐振器。石英 是应用于微流体生物医学分析的理想材料
立方晶体和晶胞的关系
晶体由顺序排列的原子或分子沿各个方向无限延伸而成。这种 排列是周期性的，因为原子或分子的相同排列以规则的间隔沿 一定的轴重复出现。 可以想象晶体是由大量称为晶胞(unit cell)的亚微观模块组 成的。对于立方体系晶体，晶胞都是极小的立方体，沿着行和 列的方向堆叠在一起形成直线晶格。上述说明还表明，所得晶 体在形状上并不总是立方结构。但无论其外部形式或大小如何 ，所有晶体的周期性结构都保持不变。
为了识别晶体内的一个平面，习惯上用晶 面指数来标记 。
Si crystal orientation（硅晶体方向 ） Each site is tetrahedrally coordinated with four other sites in the other sublattice More atoms per cm 2 (oxidizes faster than 100) but etches much slower
第二章 MEMS设计基础-1
当初速度为零时，力F为:
F
Ma
2SM t2
(l)(l3)(T )2
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
l1 a=F/M
• 1962 年第一个硅微型压力传感器问世，现在国内外 出现了各种微型传感器，包括压力、加速度、气体、 湿度、生化传感器等。除了微型传感器，还出现了 微型执行器、微型机器人、微型动力系统。1988 年 美国加利福尼亚大学柏克利首次制作出转子直径为 60μm 的静电微电机，而我国清华大学92 年研制的 同步式静电微电机，在技术性能上已远远超过美国 第一台同类微电机的水平。
对于微尺度，几乎所有的流体流动都是层流，因 此用圆管层流公式推导微尺度流体流动的尺度效应。 流体流经长度为l，半径为a的小圆管时的压降可用 哈根-泊肃叶定律算出。
流体的体积流速
a4 p
Q
8 L
式中: a为管的半径， p 为管长l的压差
压力梯度为
p x
8Vave
a2
结论：当管的半径减小10倍时，单位长度的管压 降将提高1000倍。上述分析表明在微米和亚微米尺 度下，由于流体流动的尺度减小所引起的不利情况 需要寻找新的原理代替传统的容积驱动。这些新原 理包括压电、电渗、电湿润和电液力驱动。
1 2
l
1 2
l1
l 1.5
l2
[l2
]=
l1.5
l1
l0.5
l
第2章MEMS基础理论_修改1
第二章 MEMS基础理论在微观世界，许多物理现象同宏观世界相驳，这可由尺寸效应来解释。
所谓尺寸效应是指当物体的尺寸L改变时，种种的物理量比例于L n而变化的现象。
比如，在空中举着的物体手离开时会下落这一宏观世界的常识对蒲公英的种子或者眼睛看不到的灰尘却不适应，由于它们质量非常轻，作用在其表面的空气的摩擦力使其在空中浮游。
另以潜水艇为例，它通常靠螺旋桨旋转向后搅动水，依靠反作用的惯性力动作，此时作用在潜水艇表面的水的黏性摩擦表现为阻力。
在宏观世界，惯性力对摩擦力的比(即雷诺数)非常大，螺旋桨可用作推进器。
但是，若将潜水艇微缩到针头大小时，螺旋桨即使转动潜水艇也难以前行，这是由于在微观世界雷诺数接近或小于1，摩擦力处于支配地位，在水中螺旋桨犹如在高粱饴中转动，当然不能前行。
事实上，观察有些细菌可知，它们带有螺旋状长长的鞭毛，尤如软木塞起盖器一样边旋转边前行而非简单的转动。
在微观世界，热交换和化学反应等尤为迅速。
生活中以煮萝卜为例，整根萝卜放入锅里很难煮熟，也不入味，若将萝卜切成碎块则易熟易入味，能很快端上餐桌，这是由于热交换或化学反应速率正比于物体的表面积。
通常人们认为铁不会燃烧，但是若将铁研磨成超级粉末，其表面积大大增加在空气中会燃烧起来。
同理为了提高火药(它的英文是powder,原意指粉末)爆炸的威力，一般尽可能使原料搅拌均匀并研磨成细粉状。
另外，在微观世界里液体表面的张力也不能忽视。
对微机械而言，由于尺寸极其微小，传统的能源驱动方式难以奏效，需要利用一些新型驱动方式，如静电驱动、压电驱动或热膨胀力驱动等。
另外，从微制造工艺的特点考虑，通常使用硅或改性硅作为机械材料，有时也根据需要使用一些其他材料。
2.1尺寸效应随着器件或系统的尺寸缩小，它们的性能如何变化？表2-1汇总了一些物理量随长度L(代表尺寸)变化的关系式和尺寸效应。
通常，体积或质量比例于L3，运动方程式中外力等于惯性力f i和摩擦力f f的和，惯性力和黏性力分别比例于L4和L2。
《MEMS技术》考试知识点.
《MEMS技术》考试知识点
第一章 MEMS和微系统概论
1、重点掌握MEMS技术的基本概念、历史与发展
2、掌握微电子技术、MEMS和微系统的区别
3、熟悉MEMS和微系统的应用
第二章微系统的工作原理
1、掌握微传感器的灵敏度、量程、频率响应等基本概念
2、熟练掌握压阻、电容、隧道、压电、谐振以及热对流式工作原理与检测方式
3、掌握静电驱动器、压电、电磁、形变记忆合金、热等驱动器的工作原理第七章用于MEMS和微系统的材料
1、掌握半导体材料单晶硅的特性
2、掌握晶面、晶向与晶面族的概念
3、掌握硅及其硅化合物的材料的特性
第八章微系统加工工艺
1、掌握外延、氧化、扩散工艺的基本概念与工艺过程
2、熟悉金属化工艺、化学气相淀积工艺
3、熟悉刻蚀工艺
4、掌握紫外光刻技术
第九章微制造技术
1、掌握硅湿法腐蚀中的各向异性腐蚀、自停止技术与凸角补偿技术
2、掌握静电键合技术
3、熟悉干法腐蚀中深槽腐蚀技术
4、熟练掌握表面工艺、体硅工艺与LIGA工艺
第十章微系统设计（重点章节）
1、掌握MEMS器件的设计流程
2、熟练掌握根据要求设计MEMS压阻、电容、隧道式微加速度计、微压力传感器，包括设计掩模版、工艺流程，结构工艺简图的绘制。
第十一章微系统封装
1、掌握微系统封装的三个等级
2、掌握主要的封装技术
参考书目：《MEMS和微系统一设计与制作》机械工业出版社熊继军。
MEMS课件 第二章微传感器1(清华)
电容式微型压力传感器基本结构
电极 硅
玻璃
微硅薄膜在压力作用下产生变形，使硅膜电极向固定电 极移动，两电极间的电容产生变化。
电容式传感器基本公式
两电极间的初始电容为：
C0
S
d
受压时的电容变化与电极的位移有以下关系：
• 压阻式微型压力传感器利用半导体材料的压阻 效应，即材料受到应力作用时，其电阻或电阻 率会发生变化。
压阻式微型压力传感器基本结构
压敏电阻 硅
玻璃
压阻式传感器基本公式
R R LL(12) / LL
其中： R——电阻值 R——电阻值的变化 L——电阻长度 L——电阻长度的变化 ρ——电阻率 ρ——电阻率的变化 ν——泊松比
压敏电阻
RRll tt
硅
玻璃
其中：
πl , πt——沿电阻纵向和横向的压阻系数 σl , σt——沿电阻纵向和横向的应力
压敏电阻的分布形式
在硅膜的一定晶向、位置上扩散上传感器。
压阻式微型压力传感器的例子（1）
IC Sensor公司的压阻式压力传感器
压阻元件
加速度方向
质量块
压阻式加速度计基本公式
R
R
lL(x)
(x)6mab(hl2x)
其中： R ——总电阻值的变化 πl——沿某晶向L的压阻系数 σ——在x点沿该晶向L的应力 m——质量块的质量 a——加速度 l, b, h——梁的长、宽、厚
压阻式微型加速度计例
美国IC Sensor公司生产的压阻式加速度计
机 • 其它：高度计、真空计等
2. 微型惯性传感器
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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s
v0t
1 2
at
2
式(1)
其中, v0为初始速度 a为加速度
令v0＝0，由式(1)可得加速度
a
2s t2
根据牛顿第二定律，动力F为
F
Ma
2sM t2
(l)(l3)t 2
(2) Trimmer力尺度向量
• Trimmer提出一个代表力尺度的矩阵（通称为力 尺度向量F ），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 P/V0 等参数有密切 关系。
Substrate Hinges
1st DOF
Force-redirecting Linkage
2. 刚体动力学中的尺度
• 动力中的尺度 • Trimmer力尺度向量
(1)动力中的尺度
刚体从一位置运动到另一位置，运动的距离s∝l， 此处l代表线性尺度。速度v=s/t，因此v∝(l)t-1，其中
t为运动的时间。 因此，根据质点运动学，可得
2. 动物的水分流失与L2成正比，故干燥环境下动物 体积的下限是25~30cm3，再小则无法保留保持 其生存所需要的水分。
3. 动物能够跳起的高度与L0成正比（即与特征尺度 无关），故不同大小的动物能够跳起的高度基本 相同。身长只有2~5mm长的跳蚤，一次可以调 20mm高，30mm远，与人类所能跳到的高度处于 同一数量级。
➢ 根据面体比的关系，可以看出，当一个物体的体 积缩小时，其表面积并不是等比例缩小，而是以 体积的2/3次方缩小，即表面积缩小的速度远落后 于体积的缩小速度。
➢ 对于边长为1的正方体，当边长缩小为原来的 1/100时，其体积缩小为原来的1/1000000，而表面 积则仅缩小为原来的1/10000，其表面积与体积之 比由原来的1增大为100，与表面积有关的力学特 性要取代与体积有关的力学特性；
与L（特征尺寸 ）的关系 L3 L2
L3 （宏观），L2（微观） L L2 L4
L3（速度恒定），L5（速度~L） L3（高度恒定），L4（高度~L）
L2 L L-3/2 L3/2 L5 L2 L0 L1/2 L1/2
➢ 在自然界中可以找到很多和尺度效应有关的自然现 象，比较常见的有：
1. 动物的食物摄入量与L3成正比，而热量流失则与 L2成正比，越小的动物其热量流失越严重，越小 的动物就需要花更多的时间进食。
用于微系统的设计尺度规律
➢ 第一种尺度规律是严格依据物体的尺寸，如几何 结构的尺度。这类物体的行为由物理定律所决定。
➢ 第二种规律涉及微系统的现象行为尺度，考虑到 系统的尺寸和材料特性。
微系统设计中常涉及的物理量： ➢ 体积 ➢ 表面积 ➢ 体积与器件的质量和重量有关 ➢ 表面特性与流体力学中的压力和浮力有关,与对流
4. 液体的表面张力与L成正比，而物体的重力则与 L3成正比，因此硬币可以靠液体的表面张力浮在 水面上，水蝇则可以在水面上行走。
5. 物体的强度与L2成正比，因此蚂蚁可以搬运其体 重50倍的重物，而人来则只能举起与自己体重相 当的物体。
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
热传导中固体热吸收和耗散有关
➢ 在一个尺度减小的过程中，同等地减小一个物体 的体积和表面积是不可能实现的。
蚂蚁VS大象
蜜蜂VS老鹰
1、几何结构学中的尺度效应
下图是一个实心长方体的例子。a>b>c，体积V=abc， 表面积S=2×(ac+bc+ab)。如果l 代表一个固体的线
性因次，那么体积V∝l3 ，表面积S∝l2 ，可得
通过上面的简单的计算可知：惯性质量矩减小了 32倍，因此当尺寸减小50％时，转动镜子所要求 的转矩也减小了32倍。
微镜
• Optical MEMS • Microoptoelectromechanical System
(MOEMS)
微镜
Torsion Hinges Mirror
2nd DOF
Support Structure
例1
计算当尺寸减小50％的情况下 转动微镜所需扭矩的减小量。 镜的安装和尺寸如图所示。
解：
沿y-y轴转动微镜所需的扭矩与微镜的质量惯性矩 Iyy有关，表达式为：
式中M为镜的质量，c为镜的宽度
由镜的质量M=ρV=ρ(bct)，ρ为镜子材料的质量密
度，镜子的质量惯性矩
当尺寸减小50％时，镜子的惯性质量矩为：
P=3.16V0。由于器件的体积减小10倍，在尺寸 缩小后功耗将减小P=3.16/10=0.3倍。
• 力尺度向量定义为
根据上式可得 • 加速度a
• 时间t
• 功率密度P/V0 由W＝F×s、P＝W/t得功率密度可表示为
建立功率密度与力尺度矢量的关系为
由上列一系列的公式，可得出一系列的刚体动力 学的尺度效应，如表所示。
阶 力尺度 F
1
l1
2
Hale Waihona Puke l23l3
4
l4
加速度 a
l-2 l-1 l0 l1
➢ 或者说与特征尺寸的低次方成正比的物理特性要 取代与特征尺寸的高次方成正比的物理特性，这 成为决定物体微观尺度表现的主导因素。
机械特性（物理特性 ） 重力 黏附力 摩擦力
表面张力 静电力 电磁力 动能 重力势能 弹性势能 弹簧回复力 弹簧谐振频率 弹簧谐振周期 转动惯量 强度 跳跃高度 游动速度 飞行速度
第二章 MEMS基础
➢2.1 尺度效应 ➢2.2 材料基础
2.1 尺度效应
1. 几何结构学中的尺度效应 2. 刚体动力学中的尺度 3. 静电力中的尺度 4. 电磁力中的尺度 5. 电学尺度问题 6. 流体力学的尺度问题 7. 热传递的尺度问题
尺度的基本概念
尺度问题的基本意义
本章介绍尺度的目的在于提供一些可供选择的尺度 规律，使设计者意识到缩小机器和器件尺度所带 来的物理后果；并使其明白，一些微型化在物理 上是行不通的，或者在经济上是没有意义的。
时间 t
l1.5 l1 l0.5 l0
功率密度 P/V0
l-2.5 l-1 l0.5 l2
表1
例2
当MEMS器件减小10倍时，计算加速度a，时间t 和驱动能源的相应变化。
解：
已知重量 ： W∝ l 3 意味表1中的三阶。从表格中可得：
1）加速度没有减小(l0) 2）完成运动的时间减小(l)0.5=(10)0.5=3.16 3 ） 功 率 密 度 将 减 小 (l)0.5=3.16 。 功 耗 的 减 小 为