微机电系统(MEMS)的学习(课堂PPT)
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20
从底层向上
MEMS制造工艺
大机械制造小机械，小机械制造微机械
➢日本为代表
LIGA工艺
➢Lithograpie(光刻)、Galvanoformung(电铸) Abformung(塑铸)
➢德国为代表
硅微机械加工工艺：体硅工艺和表面牺 牲层工艺
➢美国为代表
21
LIGA工艺
22
硅MEMS工艺
化学腐蚀 高深宽比深槽刻蚀 键合
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。
15
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
18
MEMS制造工艺
19
MEMS
从顶层向下
大机器加工 小机器，小 机器加工微 机器
用微电子加 工技术
MEMS系统
X光铸模+压 塑技术
(LIGA) 微系统
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
分子和原子级加工
子浓度传感器 ➢生物学类：DNA芯片
16
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
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
12
MEMS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
➢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
13
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，
➢ 微动力学 ➢ 微流体力学 ➢ 微热力学 ➢ 微摩擦学 ➢ 微光学 ➢ 微结构学
14
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。
17
MEMS的分类
真空微电子器件：它是微电子技术、 MEMS技术和真空电子学发展的产物， 具有极快的开关速度、非常好的抗辐照 能力和极佳的温度特性。主要包括场发 射显示器、场发射照明器件、真空微电 子毫米波器件、真空微电子传感器等
电力电子器件：包括利用MEMS技术制 作的垂直导电型MOS(VMOS)器件、V型 槽垂直导电型MOS(VVMOS)器件等各类 高压大电流器件
MEMS将会带动一个充满活力的产业迅速成长
➢ 不是钢铁、汽车、微电子，而是微系统
6
ADI公司 生产的微 加速度机 MEMS芯 片
7
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
➢ 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
5
MEMS — 微小型、智能、集成、高可靠
MEMS是人类科技发展过程一次重大的技术整合
➢ 微电子技术、精密加工技术、传感器技术、执行器技术
微小型化、智能化、集成化、高可靠性
MEMS能够完成真正意义上的微小型系统集成
➢ 在芯片上实现了力、热、磁、化学到电的转变
MEMS极大地改善了人类生活的质量
➢ 大批量、低成本的传感器生产方式给人们更多的保护
➢ 微流量系统和微分析仪可用于微推进、伤员救护 ➢ MEMS系统还可以用于医疗、高密度存储和显示、
光谱分析、信息采集等等
➢ 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，可以在磁场中飞行的象蝴蝶大小的飞 机等
8
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
微电子学 MEMS
3
4
MEMS技术
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
MEMS技术是一种多学科交叉的前沿性领域，它几乎涉 及到自然及工程科学的所有领域，如电子、机械、光学、 物理学、化学、wenku.baidu.com物医学、材料科学、能源科学等
微机电系统
Micro-ElectroMechanical Systems
1
引言
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
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
2
控制部分 电子学
机械 部分 传感 执行
光显示、高密度存储、汽车、国防等微 系统
10
MEMS技术的应用
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
11
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
23
体硅工艺
24
表面牺牲层工艺
表面牺牲层与 CMOS工艺集成
➢ 结构单独制造，灵活性较大 ➢ 灵敏度高、寄生小、体积小 ➢ 简化封装和组装，可靠性高 ➢ 加工工艺复杂，成品率较低 ➢ 工艺兼容的材料种类较少
➢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
9
MEMS技术的应用
在生物医学方面，将光、机、电、液、 生化等部件集成在一起，构成一个微型 芯片实验室，用于临床医学检测，为医 生甚至家庭提供简单、廉价、准确和快 捷的检测手段
从底层向上
MEMS制造工艺
大机械制造小机械，小机械制造微机械
➢日本为代表
LIGA工艺
➢Lithograpie(光刻)、Galvanoformung(电铸) Abformung(塑铸)
➢德国为代表
硅微机械加工工艺：体硅工艺和表面牺 牲层工艺
➢美国为代表
21
LIGA工艺
22
硅MEMS工艺
化学腐蚀 高深宽比深槽刻蚀 键合
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。
15
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
18
MEMS制造工艺
19
MEMS
从顶层向下
大机器加工 小机器，小 机器加工微 机器
用微电子加 工技术
MEMS系统
X光铸模+压 塑技术
(LIGA) 微系统
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
分子和原子级加工
子浓度传感器 ➢生物学类：DNA芯片
16
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
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
12
MEMS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
➢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
13
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，
➢ 微动力学 ➢ 微流体力学 ➢ 微热力学 ➢ 微摩擦学 ➢ 微光学 ➢ 微结构学
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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。
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MEMS的分类
真空微电子器件：它是微电子技术、 MEMS技术和真空电子学发展的产物， 具有极快的开关速度、非常好的抗辐照 能力和极佳的温度特性。主要包括场发 射显示器、场发射照明器件、真空微电 子毫米波器件、真空微电子传感器等
电力电子器件：包括利用MEMS技术制 作的垂直导电型MOS(VMOS)器件、V型 槽垂直导电型MOS(VVMOS)器件等各类 高压大电流器件
MEMS将会带动一个充满活力的产业迅速成长
➢ 不是钢铁、汽车、微电子，而是微系统
6
ADI公司 生产的微 加速度机 MEMS芯 片
7
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
➢ 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
5
MEMS — 微小型、智能、集成、高可靠
MEMS是人类科技发展过程一次重大的技术整合
➢ 微电子技术、精密加工技术、传感器技术、执行器技术
微小型化、智能化、集成化、高可靠性
MEMS能够完成真正意义上的微小型系统集成
➢ 在芯片上实现了力、热、磁、化学到电的转变
MEMS极大地改善了人类生活的质量
➢ 大批量、低成本的传感器生产方式给人们更多的保护
➢ 微流量系统和微分析仪可用于微推进、伤员救护 ➢ MEMS系统还可以用于医疗、高密度存储和显示、
光谱分析、信息采集等等
➢ 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，可以在磁场中飞行的象蝴蝶大小的飞 机等
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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
微电子学 MEMS
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MEMS技术
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
MEMS技术是一种多学科交叉的前沿性领域，它几乎涉 及到自然及工程科学的所有领域，如电子、机械、光学、 物理学、化学、wenku.baidu.com物医学、材料科学、能源科学等
微机电系统
Micro-ElectroMechanical Systems
1
引言
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
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
2
控制部分 电子学
机械 部分 传感 执行
光显示、高密度存储、汽车、国防等微 系统
10
MEMS技术的应用
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
11
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
23
体硅工艺
24
表面牺牲层工艺
表面牺牲层与 CMOS工艺集成
➢ 结构单独制造，灵活性较大 ➢ 灵敏度高、寄生小、体积小 ➢ 简化封装和组装，可靠性高 ➢ 加工工艺复杂，成品率较低 ➢ 工艺兼容的材料种类较少
➢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
9
MEMS技术的应用
在生物医学方面，将光、机、电、液、 生化等部件集成在一起，构成一个微型 芯片实验室，用于临床医学检测，为医 生甚至家庭提供简单、廉价、准确和快 捷的检测手段