和微系统概述
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第1章 微型计算机系统概述
【学习目标】 了解微型计算机的发展。 了解微型计算机的特点。 认识微型计算机系统的组成。 了解微型计算机的主要性能指标。
1.1 微型计算机概况
世界上第一台电子计算机早在1946年就诞生了，然而微 型计算机在1971年才问世，它具有众多优点，其应用更 加广泛。微型计算机（见图1-1）具有体积小、重量轻、 耗电少、性价比最优、可靠性高、结构灵活等特点，其 应用深入到社会生活中的各个领域，并取得了飞速的发 展。计算机不仅能够完成数学运算，而且还可以进行逻 辑运算，同时还具有推理判断的能力。因此，人们又称 它为电脑。现在，科学家们正在研究具有思维能力的智 能计算机。随着科学技术的发展，人们对计算机的认识 也在不断地深入
操作系统方面
主流的操作系统有Linux、UNIX （System Ⅴ、UNIX BSD、SCO UNIX、 Solaris等）、Windows系列（现在主要有 Windows 98、Windows NT、Windows 2000、Windows XP、Windows 2003、 Windows CE等）等。
图1-1 现代微型计算机
1.1.1 微型计算机的发展
现将有关计算机中央处理器（CPU）的一些基本概念介绍 如下： 中央处理器（CPU）是指把运算和控制功能集成在一起的 那块芯片，这块芯片俗称主机。 微型计算机系统是由中央处理器（CPU）配上一定容量的 存储器（或内存）、接口电路以及必要的外部设备组成。 单板机是指把CPU、一定数量的存储器芯片和I/O接口芯 片装在一块印刷电路板上，并在该板上配以具有一定功能的 输入、输出设备。 单片机是指把CPU、一定容量的存储器和必要的I/O接口 电路集成在一个硅片上。有的单片机还包括模数（A/D）和 数模（D/A）转换器。
1微型计算机系统概述
• 第一阶段（1971~1973）：
典型的微型机以Intel 4004和Intel 4040 为基础。微处理器和存储器采用PMOS工 艺，工作速度很慢。微处理器的字长4位， 时钟频率500KHz～2MHz，存储器的容量 很小，只有几百字节；指令系统不完整， 没有操作系统，只有汇编语言。主要用于 工业仪表、过程控制或计算器中。
倒退回70年代中期，那时PC还没有面世，那时猜测计算机会在每 张办公桌上出现简直是不可能的，即使在我们创办微软公司的时 候，也无法预料以后会发生什么样的变化。在21世纪，PC会向上 百万的人传输金融数据，人们利用它学习、工作、它的潜力无 穷。”
微型计算机
• 微机概念：以大规模、超大规模集成电路
为主要部件，以集成了计算机的主要部 件——控制器和运算器的微处理器为核心， 配以存储器、输入/输出接口电路及系统总 线所制造出的计算机系统。 • 划分阶段的标志：以字长（即数据位数） 和微处理器芯片。
1. 2.1 微型计算机的特点
• 1．体积小、重量轻、价格低廉 • 2．简单灵活、可靠性高、使用环境要
求不高 • 3．功耗低
1.2.2 微型机的应用范围
1、科学计算和科学研究
计算机主要应用于解决科学研究和工程技术中 所提出的数学问题（数值计算）。
2、数据处理 （信息处理） 主要是利用计算机的速度快和精度高的特点来 对数字信息进行加工。
3、PC机（Personal Computer ） :面向个人单独使用的一类微 机，实现各种计算、数据处理及信息管理等。
1.3 微型计算机的基本组成
微型计算机系统
微处理器
微型计算机
运算器
控制器
寄存器组 内存储器 总线
输入输出输出 接口电路
微系统封装技术-键合技术
航空航天领域
用于制造微型化航空电子设备、 卫星电路模块等。
通信领域
用于制造手机、路由器、交换 机等通信设备中的微型化电路 模块。
医疗领域
用于制造微型化医疗器械，如 植入式电子器件、医疗传感器 等。
智能制造领域
用于制造微型化工业传感器、 控制器等智能制造设备中的电 路模块。
02
键合技术的基本原理
键合技术的定义
键合技术的关键要素
键合材料的选择
总结词
选择合适的键合材料是实现高质量微系统封装的关键，需要考虑材料的物理性质、化学稳定性、热膨胀系数匹配 等因素。
详细描述
在微系统封装中，键合材料的选择至关重要。材料需要具备优良的导热性、导电性、耐腐蚀性和稳定的化学性质， 以确保键合的可靠性和长期稳定性。此外，材料的热膨胀系数也需要与基材相匹配，以减少因温度变化引起的应 力，防止键合层破裂或脱落。
超声键合技术
超声键合技术是一种利用超声波能量实现芯片 与基板连接的封装技术。
超声键合技术具有非热、非机械接触、快速和 低成本的优点，适用于各种不同类型的材料和 器件。
超声键合技术的关键在于超声波的传播和控制， 需要精确控制超声波的频率、振幅和作用时间 等参数，以确保键合的质量和可靠性。
热压键合技术
环境友好型封装技术
无铅封装
推广无铅封装技术，减少 对环境的重金属污染，满 足绿色环保要求。
可回收封装
研究开发可回收再利用的 封装材料和工艺，降低资 源消耗和环境污染。
节能封装
优化封装设计和工艺，降 低微系统封装的能耗，实 现节能减排的目标。
06
结论
微系统封装技术的重要性
提升电子设备性能
节能环保
键合质量的检测与控制
半导体物理与器件mems
半导体物理与器件mems1.引言1.1 概述半导体物理与MEMS（微机电系统）器件是现代科技领域中非常重要的研究方向。
半导体物理研究了半导体材料的电学、热学和光学特性，以及半导体器件的制备和性能。
而MEMS器件则是利用微纳米加工技术制造出微小的机械结构，并通过集成电路技术实现控制和传感功能。
这两个领域的交叉研究为实现微小化、集成化、高性能的微型传感器、执行器和微系统提供了重要的基础。
半导体物理的研究内容包括材料的能带结构、载流子在半导体中的输运过程、电子在半导体中的行为等。
半导体器件是基于半导体材料的电子元件，如二极管、晶体管、集成电路等。
半导体物理的研究能够帮助我们更好地理解和设计各类半导体器件，进一步推动半导体技术的发展。
MEMS器件是在微纳米尺度上制造的微小机械系统。
它们通常由微电子器件、微机械结构和传感器等组成。
MEMS器件具有体积小、质量轻、功耗低、快速响应和高集成度等特点。
MEMS器件的研究涉及到微纳加工工艺、微尺度机械结构设计、传感与控制等一系列技术和理论。
随着纳米技术和微电子技术的不断发展，MEMS器件在医疗、通信、汽车、航空航天等领域有着广泛的应用前景。
半导体物理与MEMS器件的结合为微电子技术的发展提供了新的思路和方向。
通过将半导体物理与MEMS器件相结合，我们可以实现更小型化、更高性能的器件和系统。
这不仅能够满足日益增长的微型化和集成化需求，还有助于推动人工智能、物联网、生物医学等领域的技术创新和应用。
因此，对于半导体物理与MEMS器件的研究和深入理解具有重要意义，将为科技进步和社会发展提供强有力的支撑。
1.2文章结构1.2 文章结构本文分为三个主要部分，分别是引言、正文和结论。
在引言部分，我们将提供对半导体物理与MEMS器件的简要概述，介绍其重要性和应用领域。
同时，我们将阐明本文的目的和意义。
接着，正文部分将深入探讨半导体物理和MEMS器件的相关内容。
在半导体物理部分，我们将介绍半导体材料的基本原理、能带理论和半导体器件的工作原理。
微系统技术介绍
2
1 What Is MICROSYSTEMS
微系统是以微电子技术、射频与无线电技术、光学(或光电子学) 技术、微机电系统(MEMS)等技术为核心，从系统工程的高度出 发，通过封封、互连等精细加工技术，在框架、基板等载体上制 造、装配、集成微小型化功能装置。
我们所讨论的微系统大量应用于信息工程领域，因此微系统也可 以称为信息工程微系统。
4、什么是微电子封装(Microelectronic Packaging)
5、微电子封装发展进程(Development)
6、微系统封装技术的地位和作用(Role)
7、微系统封装中的技术挑战(The Challenge)
4/13/2020
13
2 微系统相关技术基础
Microsystems Products And Related Technologies Relations
4/13/2020
7
1 What Is MICROSYSTEMS
微系统与集成电路制造的关系（Cont.）
• 因此，微系统的整个制造过程，即芯片加工、集成组装、封装测试等要 比集成电路制造过程复杂得多。
• 微系统技术的发展已经使许多高速信息处理、大容量存储、超低功耗的 电子产品成为现实，未来的微系统产品将覆盖人类生活的方方面面。
4/13/2020
8
1 What Is MICROSYSTEMS
Typical 微系统产品
Smart Watches
4/13/2020
9
1 What Is MICROSYSTEMS
Typical 微系统产品
Multimedia Personal
Communication Terminal
微系统封装基础
微系统封装基础
• 微系统封装概述 • 微系统封装技术 • 微系统封装材料 • 微系统封装工艺流程 • 微系统封装的应用 • 微系统封装的发展趋势与挑战
01
微系统封装概述
定义与特点
定义
微系统封装是将微电子器件、微 型机械、传感器、执行器等微型 元件集成在一个封装体内，实现 特定功能的微型化系统。
塑封成型工艺需要精确控制成型 参数，如温度、压力和时间等，
以确保外壳完整、密封性好。
切筋成型工艺
切筋成型是将塑封好的微系统从母板 中切割出来的过程，通常使用切筋成 型机进行。
切筋成型工艺需要使用切筋刀具将微 系统从母板中切割出来，同时需要控 制切割深度和速度，以确保微系统的 完整性。
05
微系统封装的应用
芯片贴装技术
总结词
芯片贴装技术是微系统封装中的基础技术，主要涉及将芯片贴装在基板上，通过 引脚或焊球实现电气连接。
详细描述
芯片贴装技术包括传统引脚插入和表面贴装技术。在传统引脚插入技术中，芯片 通过引脚与基板连接，而在表面贴装技术中，芯片通过焊球或导电胶与基板连接 。这些连接方式需满足电气和机械性能要求，以确保芯片的正常工作。
汽车电子领域应用
发动机控制系统
微系统封装技术用于制造高精度、高可靠性的发动机控制系统， 提高汽车的动力性和燃油经济性。
安全气囊系统
通过微系统封装技术，将传感器、处理单元等器件集成在安全气囊 系统中，提高汽车的安全性能。
车载信息娱乐系统
利用微系统封装技术实现小型化的车载信息娱乐设备，提供更加丰 富和便捷的车载娱乐体验。
总结词
高分子材料具有优良的加工性能、低成本和 生物相容性，在微系统封装中具有广泛应用 。
详细描述
• 微系统封装概述 • 微系统封装技术 • 微系统封装材料 • 微系统封装工艺流程 • 微系统封装的应用 • 微系统封装的发展趋势与挑战
01
微系统封装概述
定义与特点
定义
微系统封装是将微电子器件、微 型机械、传感器、执行器等微型 元件集成在一个封装体内，实现 特定功能的微型化系统。
塑封成型工艺需要精确控制成型 参数，如温度、压力和时间等，
以确保外壳完整、密封性好。
切筋成型工艺
切筋成型是将塑封好的微系统从母板 中切割出来的过程，通常使用切筋成 型机进行。
切筋成型工艺需要使用切筋刀具将微 系统从母板中切割出来，同时需要控 制切割深度和速度，以确保微系统的 完整性。
05
微系统封装的应用
芯片贴装技术
总结词
芯片贴装技术是微系统封装中的基础技术，主要涉及将芯片贴装在基板上，通过 引脚或焊球实现电气连接。
详细描述
芯片贴装技术包括传统引脚插入和表面贴装技术。在传统引脚插入技术中，芯片 通过引脚与基板连接，而在表面贴装技术中，芯片通过焊球或导电胶与基板连接 。这些连接方式需满足电气和机械性能要求，以确保芯片的正常工作。
汽车电子领域应用
发动机控制系统
微系统封装技术用于制造高精度、高可靠性的发动机控制系统， 提高汽车的动力性和燃油经济性。
安全气囊系统
通过微系统封装技术，将传感器、处理单元等器件集成在安全气囊 系统中，提高汽车的安全性能。
车载信息娱乐系统
利用微系统封装技术实现小型化的车载信息娱乐设备，提供更加丰 富和便捷的车载娱乐体验。
总结词
高分子材料具有优良的加工性能、低成本和 生物相容性，在微系统封装中具有广泛应用 。
详细描述
第一章 微型计算机系统概述(戴梅萼)
32位微处理器（80386，80486） （Pentium，P2,P3,P4 ）
1、3 微处理器、微型计算机微型计算机系统
算术逻辑部件 累加器、寄存器 控制部件 内部总线 存储器（ROM、RAM） 输入输出接口 系统总线 外围设备 系统软件 微 处 理 器
微 型 计 算 机
微 型 计 算 机 系 统
1、4 微型计算机的应用
1、科学计算和科学研究
计算机主要应用于解决科学研究和工程技术中所提出 的数学问题（数值计算）。 2、信息处理 （数据处理） 主要是利用计算机的速度快和精度高的特点来对数字 信息进行加工。 3、工业过程控制
用微型计算机实现工业生产控制。
4、计算机辅助系统 计算机辅助系统主要有计算机辅助教（CAI）、计算 机辅助设计（CAD）、计算机辅助制造（CAM）、计算 机辅助测试（CAT）、计算机集成制造（CIMS）等系 统。 5、人工智能 人工智能主要就是研究解释和模拟人类智能、智能行 为及其规律的一门学科，包括智能机器人，模拟人的 思维过程，计算机学习等等。其主要任务是建立智能 信息处理理论，进而设计可以展现某些近似于人类智 能行为的计算系统。
1、3、3 微型计算机系统的组成 一个微型计算机系统包括硬件系统和软件系统。硬件和 软件的结合，才能使计算机正常工作运行。
计算机硬件系统是一个为执行程序建立物质基础的物理 装置，称为硬件或裸机。
计算机软件系统指为运行、管理、应用、维护计算机所 编制的所有程序及文档的总和。
依据功能的不同，软件分为系统软件和应用软件两大类。
1、3、1 微处理器
微处理器（CPU）由运算器和控制器组成。
• 必须具备功能： *可以进行算术和逻辑运算 *可保存少量的数据 *能对指令进行译码并执行 *能和存储器及外设交换数据 *能提供系统所需的定时和控制 *可以相应其它部件发来的中断请求
1、3 微处理器、微型计算机微型计算机系统
算术逻辑部件 累加器、寄存器 控制部件 内部总线 存储器（ROM、RAM） 输入输出接口 系统总线 外围设备 系统软件 微 处 理 器
微 型 计 算 机
微 型 计 算 机 系 统
1、4 微型计算机的应用
1、科学计算和科学研究
计算机主要应用于解决科学研究和工程技术中所提出 的数学问题（数值计算）。 2、信息处理 （数据处理） 主要是利用计算机的速度快和精度高的特点来对数字 信息进行加工。 3、工业过程控制
用微型计算机实现工业生产控制。
4、计算机辅助系统 计算机辅助系统主要有计算机辅助教（CAI）、计算 机辅助设计（CAD）、计算机辅助制造（CAM）、计算 机辅助测试（CAT）、计算机集成制造（CIMS）等系 统。 5、人工智能 人工智能主要就是研究解释和模拟人类智能、智能行 为及其规律的一门学科，包括智能机器人，模拟人的 思维过程，计算机学习等等。其主要任务是建立智能 信息处理理论，进而设计可以展现某些近似于人类智 能行为的计算系统。
1、3、3 微型计算机系统的组成 一个微型计算机系统包括硬件系统和软件系统。硬件和 软件的结合，才能使计算机正常工作运行。
计算机硬件系统是一个为执行程序建立物质基础的物理 装置，称为硬件或裸机。
计算机软件系统指为运行、管理、应用、维护计算机所 编制的所有程序及文档的总和。
依据功能的不同，软件分为系统软件和应用软件两大类。
1、3、1 微处理器
微处理器（CPU）由运算器和控制器组成。
• 必须具备功能： *可以进行算术和逻辑运算 *可保存少量的数据 *能对指令进行译码并执行 *能和存储器及外设交换数据 *能提供系统所需的定时和控制 *可以相应其它部件发来的中断请求
集成化传感器和微系统课件
土壤监测
集成化传感器和微系统用于检测土壤中的 重金属、农药残留等有害物质，为土地治 理和农业可持续发展提供支持。
医疗领域的应用
总结词
精准医疗、改善生活质量
药物管理
通过集成化传感器和微系统，实现药物的精准投放和管理， 提高治疗效果并降低药物浪费。
生理参数监测
集成化传感器和微系统用于实时监测患者的体温、血压、 血糖等生理参数，为医生提供准确数据以便及时诊断和治 疗。
集成化传感器和微系统课件
• 集成化传感器和微系统概述 • 集成化传感器的技术原理 • 微系统的技术原理 • 集成化传感器和微系统的设计与实现 • 集成化传感器和微系统的挑战与解决方案 • 集成化传感器和微系统的应用案例
01
集成化传感器和微系统概述
定义与特点
定义
集成化传感器和微系统是指将传感器、 微电子器件、信号处理电路等集成在 一块芯片上，实现传感器的小型化、 智能化和多功能化。
集成化传感器和微系统的硬件实现
制造敏感元件
根据设计，制造传感器的 敏感元件，如热敏电阻、 光敏电阻等。
制造信号处理电路
制造用于放大、滤波、模 数转换等功能的信号处理 电路。
封装与测试
将敏感元件和信号处理电 路集成到一个微系统中， 并进行性能测试和校准。
集成化传感器和微系统的软件实现
开发数据采集程序
利用微系统传感器监测空气质量、水质、土 壤成分等环境参数。
医疗诊断
利用微系统传感器检测生物分子、细胞等生 物样本，实现早期诊断和治疗。
智能控制
利用微系统传感器和执行器实现智能控制， 如智能家居、智能交通等。
军事应用
利用微系统传感器和执行器实现军事设备的 微型化和智能化。
集成化传感器和微系统用于检测土壤中的 重金属、农药残留等有害物质，为土地治 理和农业可持续发展提供支持。
医疗领域的应用
总结词
精准医疗、改善生活质量
药物管理
通过集成化传感器和微系统，实现药物的精准投放和管理， 提高治疗效果并降低药物浪费。
生理参数监测
集成化传感器和微系统用于实时监测患者的体温、血压、 血糖等生理参数，为医生提供准确数据以便及时诊断和治 疗。
集成化传感器和微系统课件
• 集成化传感器和微系统概述 • 集成化传感器的技术原理 • 微系统的技术原理 • 集成化传感器和微系统的设计与实现 • 集成化传感器和微系统的挑战与解决方案 • 集成化传感器和微系统的应用案例
01
集成化传感器和微系统概述
定义与特点
定义
集成化传感器和微系统是指将传感器、 微电子器件、信号处理电路等集成在 一块芯片上，实现传感器的小型化、 智能化和多功能化。
集成化传感器和微系统的硬件实现
制造敏感元件
根据设计，制造传感器的 敏感元件，如热敏电阻、 光敏电阻等。
制造信号处理电路
制造用于放大、滤波、模 数转换等功能的信号处理 电路。
封装与测试
将敏感元件和信号处理电 路集成到一个微系统中， 并进行性能测试和校准。
集成化传感器和微系统的软件实现
开发数据采集程序
利用微系统传感器监测空气质量、水质、土 壤成分等环境参数。
医疗诊断
利用微系统传感器检测生物分子、细胞等生 物样本，实现早期诊断和治疗。
智能控制
利用微系统传感器和执行器实现智能控制， 如智能家居、智能交通等。
军事应用
利用微系统传感器和执行器实现军事设备的 微型化和智能化。
6.1 微全分析系统和微流控分析概述
但是单晶硅在介电性、 但是单晶硅在介电性、光透明性及抗腐蚀性等方 面并不能很好地满足化学分析的要求，同时成本 面并不能很好地满足化学分析的要求， 也比较高。 也比较高。石英和玻璃则弥补了单晶硅在电学和 光学性能方面的不足，并且价廉、易得， 光学性能方面的不足，并且价廉、易得，加工技 术与硅片加工技术相似， 术与硅片加工技术相似，也可采用微机电加工技 术中的光刻和蚀刻技术。 术中的光刻和蚀刻技术。应特别指出的是玻璃基 它是一种化学分析和测量容器的传统材料， 材，它是一种化学分析和测量容器的传统材料， 因此很快成为微流控系统的主流基材之一。 因此很快成为微流控系统的主流基材之一。
分离和检测等常规实验室操作集中在平方厘米 级的芯片上完成， 级的芯片上完成，实现化学与生物分析系统的 整体微型化、自动化、集成化与便携化。 整体微型化、自动化、集成化与便携化。微全 分析系统体积的微型化使其分析速度加快， 分析系统体积的微型化使其分析速度加快，自 动化和集成化程度提高。 动化和集成化程度提高。人类基因组计划的提 前完成，即归功于96通道微芯片电泳的运用 通道微芯片电泳的运用； 前完成，即归功于 通道微芯片电泳的运用； 随后发展的384通道的阵列毛细管电泳微芯片， 通道的阵列毛细管电泳微芯片， 随后发展的 通道的阵列毛细管电泳微芯片 使分析通量得到进一步的提高。 使分析通量得到进一步的提高。
高分子材料具有种类繁多，可供选择的余地大， 高分子材料具有种类繁多，可供选择的余地大， 加工成型方便，价格便宜等优点， 加工成型方便，价格便宜等优点，又有很好的透 明性和介电性， 明性和介电性，成为目前除玻璃材料之外的另一 类主要芯片材料， 类主要芯片材料，在一次性芯片的开发中占主导 地位。聚合物材料作为芯片基材需考虑的指标有： 地位。聚合物材料作为芯片基材需考虑的指标有： 良好的光学性质，易加工，对分析物惰性，良好 良好的光学性质，易加工，对分析物惰性， 的电和热特性，易于进行表面修饰和改性。 的电和热特性，易于进行表面修饰和改性。
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
微处理器与系统结构PPT详细讲解
•29 •HLDA* •28 •WR*
有效，三态)
•27 •M/IO* 测试信号(输入、低电
•26 •DT/R* •25 •DEN*
平有效)
•24 •23 •22
•ALE* •INTA* •TEST
READY 准备就绪(输入 、高电平有效)
•21 •READY
•RESET
状态信号指示当前使用段
一、8086通用引脚信号
•1
•40 •VCC
•2
•39 •AD15 INTR可屏蔽中断请求
•3 •4
•38 •A16/S3 •37 •A17/S4
信号(输入、高有效)
•5 •6
•36 •35
•A18/S5 •A19/S6
NMI非屏蔽中断请求(
•7 •8
•34 •BHE/S7 •33 •MN/M
输入，上升沿触发)
•GND •AD14 •AD13 •AD12 •AD11 •AD10 •AD9 •AD8 •AD7 •AD6 •AD5 •AD4 •AD3 •AD2 •AD1 •AD0 •NMI •INTR •CLK •GND
二、8086最小模式引脚信号
M/ 存储器/IO控制信号
•1 •2 •3
•40 •39 •38
微处理器与系统结构PPT详 细讲解
第二章学习要点
重点掌握内容： 1．微处理器的基本结构。 2．Intel 8086微处理器的基本结构，包括： 功能结构、寄存器结构和总线结构。 3．Intel 8086微处理器系统的组成： 控制核心单元＋存储器组织＋I/O端口组织 4．Intel 8086微处理器在最小模式下的典型总线 操作和时序。 5．几个重要概念：时钟周期，总线周期，指令周期。
第九章集成化传感器和微系统.
第九章 集成化传感器和微系统
•9-1 概述
•9-1-1 传感器的微型化、集成化 •9-1-2 多功能化和多参数集成 •9-1-3 传感器与微型计算机结合
•9-2 集成化传感器微细加工技术
2
9-1 概述
• 9-1-1 微型化、集成化
• 以前大多数传感器和后接放大电路是分立的 • 随着半导体技术的发展，以硅片为基础的固态传感
4 离子溅射镀膜技术
• 原理：使真空室内的剩余气体（如氩气）在高电压下
电离，电离后的离子在电场作用下向阴极靶加速运动， 入靶离子将靶材料的原子或分子溅射出靶表面，然后这 种被溅射出的原子或分子以从靶中逸出的能量淀积在基 片（阳极）上，形成薄膜。
• 过程可分为：
离子的产生； 离子对靶的轰击溅射； 靶材料溅射离子在基片上的沉积。
• 硅片自动输送轨道系统；真空卡盘吸住硅片； 胶盘
• 排气系统；可控旋转马达；给胶管和给胶泵 • 边缘清洗（去边）
匀胶后烘
• 使光刻胶中的大部分溶剂蒸发。 • 溶剂帮助得到薄的光刻胶膜但是吸收光且
影响黏附性 • 曝光后烘时间和温度取决于工艺条件 • 过烘:聚合,光敏性降低 • 后烘不足:影响黏附性和曝光
– 气相方法制膜：化学气相淀积（CVD）和物 理气相淀积（PVD）
– 液相方法制膜：包括化学膜、电镀、浸喷涂等。
47
1 化学气相淀积（Chemical Vapor Deposotion）
• 使用加热、等离子体或紫外线等各种能源，使气态物质经化学 反应（热解或化学合成），形成固态物质淀积在衬底上的方法。
51
2 硅的热氧化制膜技术
• 硅的常压热氧化技术
一般分为水汽氧化、干氧氧化、湿氧氧化。
• 硅的高压热氧化技术
•9-1 概述
•9-1-1 传感器的微型化、集成化 •9-1-2 多功能化和多参数集成 •9-1-3 传感器与微型计算机结合
•9-2 集成化传感器微细加工技术
2
9-1 概述
• 9-1-1 微型化、集成化
• 以前大多数传感器和后接放大电路是分立的 • 随着半导体技术的发展，以硅片为基础的固态传感
4 离子溅射镀膜技术
• 原理：使真空室内的剩余气体（如氩气）在高电压下
电离，电离后的离子在电场作用下向阴极靶加速运动， 入靶离子将靶材料的原子或分子溅射出靶表面，然后这 种被溅射出的原子或分子以从靶中逸出的能量淀积在基 片（阳极）上，形成薄膜。
• 过程可分为：
离子的产生； 离子对靶的轰击溅射； 靶材料溅射离子在基片上的沉积。
• 硅片自动输送轨道系统；真空卡盘吸住硅片； 胶盘
• 排气系统；可控旋转马达；给胶管和给胶泵 • 边缘清洗（去边）
匀胶后烘
• 使光刻胶中的大部分溶剂蒸发。 • 溶剂帮助得到薄的光刻胶膜但是吸收光且
影响黏附性 • 曝光后烘时间和温度取决于工艺条件 • 过烘:聚合,光敏性降低 • 后烘不足:影响黏附性和曝光
– 气相方法制膜：化学气相淀积（CVD）和物 理气相淀积（PVD）
– 液相方法制膜：包括化学膜、电镀、浸喷涂等。
47
1 化学气相淀积（Chemical Vapor Deposotion）
• 使用加热、等离子体或紫外线等各种能源，使气态物质经化学 反应（热解或化学合成），形成固态物质淀积在衬底上的方法。
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2 硅的热氧化制膜技术
• 硅的常压热氧化技术
一般分为水汽氧化、干氧氧化、湿氧氧化。
• 硅的高压热氧化技术
微型计算机系统概述
1
1.1 计算机的发展与应用 人类第一台数字电子计算机：1946 年，美国宾夕法尼亚大学研 制出。取名为：ENIAC（Electronic numerical integrator and calculator）。 由著名数学家：冯· 诺依曼，推出了新的计算机系统结构，提出采 用二进制、存储程序及在程序控制下执行的理念 。 第一代：1946年－1957年。 器件：电子管，磁芯和磁鼓存储器。
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系统软件中还有语言处理程序，计算机语言是使用者与计算 机之间进行交流的工具；人们将要计算机来完成的事件编写成程序输 入给计算机；计算机通过执行用户的程序来完成用户的工作。其中广 泛使用的语言有 C 语言、VB、VC、Java 等，机器只能运行机器语 言。 返回本章目录
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1．3 PC 机系列体系结构 1.3.1 基于 8088 PC 总线的微机结构 8088 微处理机，作为第一代机的 CPU，通过地址总线、数据总线和控制总线对整 个机器进行调试和控制，其体系结构,如图 1.3 。 1. 8088 处理器：采用 4.77M 的工作频率，该频率通过 8284 对14.31818MHz 的晶 体振荡 3 分频而得到的；每个时钟周期 210nm。 2. 8087 协处理器：8088 在最大模式下可配接 8087协处理器用来进行浮点运算，使 浮点运算速度提高 100 倍。 3. 存储器：64K 的 ROM 早期存放 32K 的 Basic 解释程序，另 32K 固化 BIOS，包 括上电自检程序、系统引导程序、日时钟管理程序和基本的 I/O 设备的驱动程序 4. RAM 内存：IBM PC/XT 的主板上可接插 640K 的内存。 5. 8253/8254 可编程定时计数器：该片提供 3 个通道。通道 0 每 55ms 向 CPU 发一个时钟中断信号，通过计数，用来计算时 钟的时间；通道1 用于 DRAM 的刷新；通道2 输出方波到扬声器。
全面的微系统技术
一、微系统技术在微系统技术微系统技术的发展历史上，集成电路（IC）是技术的起点。
电子器件小型化和多功能信成是微加工技术的推动力。
如果没有微加工和小型化技术的迅猛发展，许多今天看来理所当然的科学和工程成就都不可能实现。
微系统技术是由集成电路技术发展而来的，经过了大约20年的萌芽阶段，即由20世纪60年代中期到20世纪80年代。
在这段萌芽时期，主要是开展一些微系统技术的零散研究。
例如，开发了硅各向异性腐蚀技术用于在平面硅衬底上加工三维结构；一些研究机构和工业实验室里的研究者开始利用集成电路的加工技术制造微系统技术器件，例如悬臂梁、薄膜和喷嘴；微传感器的关键部件，如单晶硅和多晶硅中的压阻被发现、研究和优化。
在微系统技术的研发时期，涌现出了一些具有重要意义的研究成果。
1967年，Westinghouse公司发明了一种谐振栅晶体管（RGT）。
它与传统的晶体管不同，RGT的电栅极不是固定在栅氧化层上，而是相对硅衬底可动。
由静电力控制栅电极和衬底之间的间距。
RGT是静电微执行器的最早实例。
佳能公司最早开发了基于热气泡技术的喷墨打印技术，而惠普公司在1978年首先发明了基于硅微机械加工技术的喷墨打印机喷嘴。
喷嘴阵列喷射出热气泡膨胀所需液体体积大小的墨滴，如图1-1所示。
气泡破裂又将墨汁吸入到存放墨汁的空腔中，为下一次喷墨做准备。
通过滴入红、蓝、黄三种基本色实现彩色打印。
图1-1在20世纪80年代后期，在微机械技术这个新领域的研究者主要是研究硅的应用——单晶硅衬底或者多晶硅薄膜。
多晶硅薄膜技术的应用产生了一些表面微机械加工的机械结构，如弹簧、传动机械和曲柄等。
20世纪90年代，全世界的微系统技术研究进入一个突飞猛进、日新月异的发展阶段。
非常成功的例子有美国Analog Devices（模拟器件）公司生产的用于汽车安全气囊系统的集成惯性传感器，以及美国Texas Instruments（仪器）公司用于投影显示的数字光处理芯片。
微型计算机的基础知识
分。 2.存储容量 是指存储器所能记忆信息的总量。 常用字节（Byte)表示。
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7
1.1 微型计算机系统概述
（1）位（bit） 二进制数的一位，简写b
（2）字节（Byte） 8位二进制数组成一个字节，简写B
（3)还有千字节（KB)，兆字节（MB），千兆字节（GB）等。
换算关系如下：
1B=8b 1GB=1024MB
例如：X86指令集、MMX（多媒体扩展指令集）、SSE(数 据流单指令扩展指令集）、SSE2、SSE3、SEE4(SSE4.1和 SSE4.2)等。
3、程序：
设计者为解决某一问题而设计的一系列指令集合。
计算机程序可分为：
机器语言程序、汇编语言编程辑p序pt 和高级语言程序。
21
1.3 微型计算机基本工作原理
1.2 计算机硬件基本结构
3、存储器：
存储器分为内存储器(主存）和外存储器（辅存）。内存储器简称内 存或主存，它的存储容量一般较小，与CPU直接相连，存取速度快，主要 用于暂时存放当前执行的程序和相关数据；外存储器称为外存或辅存， 作为内存的辅助存储器，它的存储容量大，但存取速度远比内存慢，主 要用于存放需长期保存的程序和数据。
取指令——分析指令——执行指令
编辑ppt
23
1.3 微型计算机基本工作原理
6、计算机系统
主机 硬件
中央处理器 内存储器 外存储器
运算器 控制器
外设
输入设备
微型计算机系统
系统软件
输出设备
操作系统 服务软件 编译或解释系统
软件
信息管理软件
辅助设计软件
应用软件
文字处理软件
图形软件
各种程序包
如图：一个编完辑整pp的t 计算机系统
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7
1.1 微型计算机系统概述
（1）位（bit） 二进制数的一位，简写b
（2）字节（Byte） 8位二进制数组成一个字节，简写B
（3)还有千字节（KB)，兆字节（MB），千兆字节（GB）等。
换算关系如下：
1B=8b 1GB=1024MB
例如：X86指令集、MMX（多媒体扩展指令集）、SSE(数 据流单指令扩展指令集）、SSE2、SSE3、SEE4(SSE4.1和 SSE4.2)等。
3、程序：
设计者为解决某一问题而设计的一系列指令集合。
计算机程序可分为：
机器语言程序、汇编语言编程辑p序pt 和高级语言程序。
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1.3 微型计算机基本工作原理
1.2 计算机硬件基本结构
3、存储器：
存储器分为内存储器(主存）和外存储器（辅存）。内存储器简称内 存或主存，它的存储容量一般较小，与CPU直接相连，存取速度快，主要 用于暂时存放当前执行的程序和相关数据；外存储器称为外存或辅存， 作为内存的辅助存储器，它的存储容量大，但存取速度远比内存慢，主 要用于存放需长期保存的程序和数据。
取指令——分析指令——执行指令
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1.3 微型计算机基本工作原理
6、计算机系统
主机 硬件
中央处理器 内存储器 外存储器
运算器 控制器
外设
输入设备
微型计算机系统
系统软件
输出设备
操作系统 服务软件 编译或解释系统
软件
信息管理软件
辅助设计软件
应用软件
文字处理软件
图形软件
各种程序包
如图：一个编完辑整pp的t 计算机系统
MEMS和微系统概述
微机械部件微泵微机械部件四典型mems器件及应用美国sandia实验室制作的微驱动系统与一只昆虫触须的对比图新加坡南洋理工大学齿轮传动机构微传动机构微驱动系统微齿轮传动机构四典型mems器件及应用超声微马达在光纤多路开关中使用的静电旋转微马达静电微马达电磁型微马达与芝麻微马达国内自主开发几种微马达四典型mems器件及应用远比蚂蚁还小的微涡轮四典型mems器件及应用微涡轮微型涡轮叶片微型光开关用于控制来自光纤的入射光转到相应的接收光纤中
四、典型MEMS器件及应用
应用之四：医学领域应用
MEMS在医学领域中的应用主要集中以下几个方面：
微创外科手术：可以减轻病人痛苦。 药物定点输送：直接将药物输送到病变位置，同时可
检测病变处血液样品参数，定时遥控释放药物，提高 疗效。 人造器官：包括人造心脏、肾脏、心肺、电动假肢以 及人造血管、器官、关节等。
第一台静电微马达
世界上第一个微电机（1988） 12个固定电极、8个转子电极
二、微机电发展史
3.丰收的季节
90年代初，ADI的气囊 加速度计实现产业化。
90年代末，Sandia实验室 5层多晶硅技术代表最高水平。
三、MEMS的特点
1.微型化
MEMS器件体积小、重量轻、耗能低、惯性小、谐振频率 高、响应时间短 。
发生在20世纪90年代的故事
1.微创手术
如胆结石手术、心脏搭桥手术、肿瘤切除手术等。 能够减轻病人的痛苦。
监视器
腹腔插入腹腔镜、手术工具、摄像头等
遥控操作
发生在2发0世生纪在9200年世纪代9的0年故代事的故事
2.汽车中气囊
气囊加速度传感器：感受振动信号，避免强烈冲击 对驾驶员造成伤害。
发生在20发世生纪在902年0世代纪的9故0年事代的故事
四、典型MEMS器件及应用
应用之四：医学领域应用
MEMS在医学领域中的应用主要集中以下几个方面：
微创外科手术：可以减轻病人痛苦。 药物定点输送：直接将药物输送到病变位置，同时可
检测病变处血液样品参数，定时遥控释放药物，提高 疗效。 人造器官：包括人造心脏、肾脏、心肺、电动假肢以 及人造血管、器官、关节等。
第一台静电微马达
世界上第一个微电机（1988） 12个固定电极、8个转子电极
二、微机电发展史
3.丰收的季节
90年代初，ADI的气囊 加速度计实现产业化。
90年代末，Sandia实验室 5层多晶硅技术代表最高水平。
三、MEMS的特点
1.微型化
MEMS器件体积小、重量轻、耗能低、惯性小、谐振频率 高、响应时间短 。
发生在20世纪90年代的故事
1.微创手术
如胆结石手术、心脏搭桥手术、肿瘤切除手术等。 能够减轻病人的痛苦。
监视器
腹腔插入腹腔镜、手术工具、摄像头等
遥控操作
发生在2发0世生纪在9200年世纪代9的0年故代事的故事
2.汽车中气囊
气囊加速度传感器：感受振动信号，避免强烈冲击 对驾驶员造成伤害。
发生在20发世生纪在902年0世代纪的9故0年事代的故事
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；
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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
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这种传感器比传统薄膜传感器有更高灵敏度，并可批量化生 产。
二第、一微个机丰电收发的展季史节
3.丰收的季节 （20世纪80年代末，90年代初）
1987年，微机电研究真正兴起
标志：加州大学伯克利分校研制成功 了直径为10μm的硅微马达。
1988年，伯克利分校科研人员为 直径约120μm的静电马达通电并 成功使其运转。
MEMS
机械系统和传感系统缩小 后与控制系统平衡的MEMS
一、MEMS的定义及组成
4.MEMS的组成
1.追溯
二、微机电发展史
“如果有一天可以按照 人们的意志安排一个个 原子，那将会产生什么 样的奇迹呢？”
1959年量子物理学家理查德·费曼 在加州理工学院演讲
推荐书：
《别逗了，费曼先生：怪才历险记 》
因为惯性质量小，小的系统比大的系统移动更迅速 小器件的小尺寸所面临的热变形和振动问题会更小 小系统除了具有更精确的性能外，它们的小尺寸也使得它们
更适合应用在药品和手术中
三、MEMS的特点
2.制造材料性能稳定
主要材料：硅 优 点：强度、硬度、杨氏模量：与铁相当
密度：近似铝 热传导率：接近钼和钨
发生在20世纪90年代的故事
1.微创手术
如胆结石手术、心脏搭桥手术、肿瘤切除手术等。 能够减轻病人的痛苦。
监视器
腹腔插入腹腔镜、手术工具、摄像头等
遥控操作
发生在2发0世生纪在9200年世纪代9的0年故代事的故事
2.汽车中气囊
气囊加速度传感器：感受振动信号，避免强烈冲击 对驾驶员造成伤害。
发生在20发世生纪在902年0世代纪的9故0年事代的故事
二、微机电发展史
2.三十年的积累 （20世纪50年代末到20世纪80年代末）
（1）起始点（ 20世纪50年代末、60年代初） 集成电路（IC）技术出现，实现在微米尺度上规模制作 电子元器件和电路。 重要研究成果： 1954年：史密斯发现了压阻效应。 1958年：人们用单晶硅制作了半导体应变片，其灵敏度 是金属应变片的数十倍。 1962年：第一个硅压力传感器问世。
第一台静电微马达
世界上第一个微电机（1988） 12个固定电极、8个转子电极
二、微机电发展史
3.丰收的季节
90年代初，ADI的气囊 加速度计实现产业化。
90年代末，Sandia实验室 5层多晶硅技术代表最高水平。
三、MEMS的特点
1.微型化
MEMS器件体积小、重量轻、耗能低、惯性小、谐振频率 高、响应时间短 。
3.微型摄像系统
背着微型摄像系统的蟑螂
微型摄像机在地震废墟中 传回图形信号
一、MEMS的定义及组成
1.MEMS的定义
MEMS（Micro Electro-Machanical System,微机电系统) 是20世纪末发展起来的一门新兴的前沿学科，它是在微电子 二维表面加工技术的基础上发展起来的，以硅、玻璃、有机 材料以及金属材料的三维加工技术为基础，结合功能材料及 薄膜化制备工艺，把微型传感单元、执行单元、微能源以及 微电子电路集成在一个芯片上的具有传感、执行和数据处理 功能的微型系统。
集成了传感器、缓冲器、振 荡器、解调器、信号发生器、载 波电容器等。
ADI公司生产的微加速度计MEMS芯片
三、MEMS的特点
5.多学科交叉
MEMS涉及电子、机械、材料、制造、通讯和自动控 制、物理、化学 和生物等多种学科。
四、典型MEMS器件及应用
1.MEMS器件
微齿轮
双层微齿轮
一个比蚂蚁头的尺寸还要小得多的齿轮
一、MEMS的定义及组成
2.MEMS的三大流派
美国：微型机电系统(Microelectro-mechanical System, MEMS) 日本：微机械(Micro-machine) 欧洲：微系统(Micro-system)
我们把这些通称为微机电系统(MEMS)
一、MEMS的定义及组成
其他材料：石英，砷化镓——基底材料 玻璃、塑料和金属——封装材料 聚合物、金属材料——微系统制作
硅片
三、MEMS的特点
3.批量化生产 用硅微加工工艺在一片硅片上可同时制造成百上千个微 型机电装置或完整的MEMS。批量生产可大大降低生产成本。
在硅晶圆片上制作数百个压力传感元件
三、MEMS的特点
4.集成化程度高 不同功能、敏感方向、致动方向的多个传感器或执 行器集成于一体，形成复杂的微系统。
MEMS和微系统概述
工学院 机械系 张晓蕾
目录
一．MEMS的定义及组成 二．MEMS的发展史 三．MEMS的特点 四．典型MEMS器件及应用
多年的期盼
一尺之锤，日取其半，万事不绝。
——庄子：天下篇 （公元前571年至公元前471年之间）
《西游记》中孙悟空变成小虫 钻进铁扇公主的肚子里
美国科幻电影《惊异大奇航》中 在人血管中前进的微型舰艇
二、微机电发展史
2.三十年的积累
（2）萌芽阶段（20世纪60年代中期到20世纪80年代） 开展了一些有关MEMS的零散研究：
① 硅各向异性腐蚀技术用于在平面硅衬底上加工三维结构。 ② 利用集成电路的加工技术制造MEMS器件，如悬臂梁、薄膜
和喷嘴等。 ③ 20世纪70年代S定组义成及组成
4.MEMS的组成
MEMS是微电子同微机械的结合，如果把微电子电路比作人的大脑 ，微机械比作人的五官（传感器）和手脚（执行器），两者的紧密结 合，就是一个功能齐全而强大的微系统。
控制部分 电子学
控制部分 微电子学
机械 部分
传感 执行
传统的机械电 子系统
IC工艺发展后的 机械电子系统
3.微型机械尺寸范围 （按特征尺寸）
微型机械
小型(mini-) 机械(1mm~10mm) 微型(micro-)机械(1μm~1mm) 纳米(nano-) 机械(1nm~1μm)
1μm=10-6m（微米）、1nm=10-9m（纳米） 1um~100μm为微米尺度 100nm~1μm为亚微米尺度 1nm~100nm为纳米尺度 小于1nm为原子团簇
四、典型MEMS器件及应用
微齿轮
微机械部件 四、典型MEMS器件及应用
微机械部件
微泵
图正前方毛毛嘈嘈的东西是一粒灰尘，其后方是一个微机 械部件，只有几个微米！
微传动机构四、典型MEMS器件及应用
微驱动系统
二第、一微个机丰电收发的展季史节
3.丰收的季节 （20世纪80年代末，90年代初）
1987年，微机电研究真正兴起
标志：加州大学伯克利分校研制成功 了直径为10μm的硅微马达。
1988年，伯克利分校科研人员为 直径约120μm的静电马达通电并 成功使其运转。
MEMS
机械系统和传感系统缩小 后与控制系统平衡的MEMS
一、MEMS的定义及组成
4.MEMS的组成
1.追溯
二、微机电发展史
“如果有一天可以按照 人们的意志安排一个个 原子，那将会产生什么 样的奇迹呢？”
1959年量子物理学家理查德·费曼 在加州理工学院演讲
推荐书：
《别逗了，费曼先生：怪才历险记 》
因为惯性质量小，小的系统比大的系统移动更迅速 小器件的小尺寸所面临的热变形和振动问题会更小 小系统除了具有更精确的性能外，它们的小尺寸也使得它们
更适合应用在药品和手术中
三、MEMS的特点
2.制造材料性能稳定
主要材料：硅 优 点：强度、硬度、杨氏模量：与铁相当
密度：近似铝 热传导率：接近钼和钨
发生在20世纪90年代的故事
1.微创手术
如胆结石手术、心脏搭桥手术、肿瘤切除手术等。 能够减轻病人的痛苦。
监视器
腹腔插入腹腔镜、手术工具、摄像头等
遥控操作
发生在2发0世生纪在9200年世纪代9的0年故代事的故事
2.汽车中气囊
气囊加速度传感器：感受振动信号，避免强烈冲击 对驾驶员造成伤害。
发生在20发世生纪在902年0世代纪的9故0年事代的故事
二、微机电发展史
2.三十年的积累 （20世纪50年代末到20世纪80年代末）
（1）起始点（ 20世纪50年代末、60年代初） 集成电路（IC）技术出现，实现在微米尺度上规模制作 电子元器件和电路。 重要研究成果： 1954年：史密斯发现了压阻效应。 1958年：人们用单晶硅制作了半导体应变片，其灵敏度 是金属应变片的数十倍。 1962年：第一个硅压力传感器问世。
第一台静电微马达
世界上第一个微电机（1988） 12个固定电极、8个转子电极
二、微机电发展史
3.丰收的季节
90年代初，ADI的气囊 加速度计实现产业化。
90年代末，Sandia实验室 5层多晶硅技术代表最高水平。
三、MEMS的特点
1.微型化
MEMS器件体积小、重量轻、耗能低、惯性小、谐振频率 高、响应时间短 。
3.微型摄像系统
背着微型摄像系统的蟑螂
微型摄像机在地震废墟中 传回图形信号
一、MEMS的定义及组成
1.MEMS的定义
MEMS（Micro Electro-Machanical System,微机电系统) 是20世纪末发展起来的一门新兴的前沿学科，它是在微电子 二维表面加工技术的基础上发展起来的，以硅、玻璃、有机 材料以及金属材料的三维加工技术为基础，结合功能材料及 薄膜化制备工艺，把微型传感单元、执行单元、微能源以及 微电子电路集成在一个芯片上的具有传感、执行和数据处理 功能的微型系统。
集成了传感器、缓冲器、振 荡器、解调器、信号发生器、载 波电容器等。
ADI公司生产的微加速度计MEMS芯片
三、MEMS的特点
5.多学科交叉
MEMS涉及电子、机械、材料、制造、通讯和自动控 制、物理、化学 和生物等多种学科。
四、典型MEMS器件及应用
1.MEMS器件
微齿轮
双层微齿轮
一个比蚂蚁头的尺寸还要小得多的齿轮
一、MEMS的定义及组成
2.MEMS的三大流派
美国：微型机电系统(Microelectro-mechanical System, MEMS) 日本：微机械(Micro-machine) 欧洲：微系统(Micro-system)
我们把这些通称为微机电系统(MEMS)
一、MEMS的定义及组成
其他材料：石英，砷化镓——基底材料 玻璃、塑料和金属——封装材料 聚合物、金属材料——微系统制作
硅片
三、MEMS的特点
3.批量化生产 用硅微加工工艺在一片硅片上可同时制造成百上千个微 型机电装置或完整的MEMS。批量生产可大大降低生产成本。
在硅晶圆片上制作数百个压力传感元件
三、MEMS的特点
4.集成化程度高 不同功能、敏感方向、致动方向的多个传感器或执 行器集成于一体，形成复杂的微系统。
MEMS和微系统概述
工学院 机械系 张晓蕾
目录
一．MEMS的定义及组成 二．MEMS的发展史 三．MEMS的特点 四．典型MEMS器件及应用
多年的期盼
一尺之锤，日取其半，万事不绝。
——庄子：天下篇 （公元前571年至公元前471年之间）
《西游记》中孙悟空变成小虫 钻进铁扇公主的肚子里
美国科幻电影《惊异大奇航》中 在人血管中前进的微型舰艇
二、微机电发展史
2.三十年的积累
（2）萌芽阶段（20世纪60年代中期到20世纪80年代） 开展了一些有关MEMS的零散研究：
① 硅各向异性腐蚀技术用于在平面硅衬底上加工三维结构。 ② 利用集成电路的加工技术制造MEMS器件，如悬臂梁、薄膜
和喷嘴等。 ③ 20世纪70年代S定组义成及组成
4.MEMS的组成
MEMS是微电子同微机械的结合，如果把微电子电路比作人的大脑 ，微机械比作人的五官（传感器）和手脚（执行器），两者的紧密结 合，就是一个功能齐全而强大的微系统。
控制部分 电子学
控制部分 微电子学
机械 部分
传感 执行
传统的机械电 子系统
IC工艺发展后的 机械电子系统
3.微型机械尺寸范围 （按特征尺寸）
微型机械
小型(mini-) 机械(1mm~10mm) 微型(micro-)机械(1μm~1mm) 纳米(nano-) 机械(1nm~1μm)
1μm=10-6m（微米）、1nm=10-9m（纳米） 1um~100μm为微米尺度 100nm~1μm为亚微米尺度 1nm~100nm为纳米尺度 小于1nm为原子团簇
四、典型MEMS器件及应用
微齿轮
微机械部件 四、典型MEMS器件及应用
微机械部件
微泵
图正前方毛毛嘈嘈的东西是一粒灰尘，其后方是一个微机 械部件，只有几个微米！
微传动机构四、典型MEMS器件及应用
微驱动系统