MEMS技术
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微机电系统
北京大学
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
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
微机电系统/微电子机械系统 Micro-Electro-Mechanical Systems 微机械：Micro-machine 微系统：Micro-System
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
ADI公司 生产的微 加速度计 MEMS芯 片
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 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
MEMS技术和DNA芯片
A B C D
MEMS技术和DNA芯片
MEMS技术和DNA芯片
结束语
MEMS技术
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
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
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
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
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)、位臵、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
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。
化学腐蚀 高深宽比深槽刻蚀 键合 双面光刻
体硅工艺
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
电路工艺与结构加工工艺交替进行
先加工电路，后加工结构
加工工艺复杂，成品率较低
工艺兼容的材料种类较少
传统的光传感器
光传感方式 成像系统(Imager)
CCD CMOS
发光系统
LED 半导体激光器 等离子 生物发光
光调节器
发光器件
场发射（FEDs） 未来的显示设备(FPD)
新器件——组件
微镜
Support Structure Substrate Hinges
微推进器
组成: 由5到6片芯 片叠在一起，内有混合 燃烧室、喷口喷管、两 个泵和两个阀以及冷却 管道的多器件集成系统 。用液态氧和乙醇作燃 料 性能：能产生15N 的推力，推力重量比达 1500:1，是大火箭推进 器的10~100倍，反映了 微系统的潜力
新概念的微型双组元火箭发动机结构图
MEMS技术和DNA芯片
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
位臵传感器、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
MEMS制造工艺
MEMS
大机器加工 小机器，小 机器加工微 机器 微机械 用微电子加 工技术
从顶层向下
X光铸模+压 塑技术 (LIGA) 微系统
MEMS系统
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
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
MEMS
宏电子
微电子
纳电子
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。
分子和原子级加工 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
LIGA工艺
硅MEwk.baidu.comS工艺
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、生物医学、材料科学、能源科学等
MEMS — 微小型、智能、集成、高可靠
Torsion Hinges Mirror 2nd DOF
1st DOF
Force-redirecting Linkage
新器件——组件
各种光学元器件
透镜、波带片、滤波器、 光栅及各种致动机构
微光学系统
微光学工作台（Micro Optical Bench）
微型显示阵列（光调制器）
数字镜面显示（DMD）
三种加速度计的特性比较
技术指标 阻抗 电负载影响 尺寸 温度范围 线形度误差 直流响应 交流响应 有无阻尼 灵敏度 冲击造成的零位漂移 旋转或无需校准功能 电路复杂程度 成本 交叉轴敏感度 电容式 高 非常大 大 压电式 高 大 小 压阻式 低 小 中等
非常宽 宽 中等 高 中等 低 有 无 有 宽 宽 稍宽 有 无 有 高 中等 中等 无 有 无 有 无 有 高 中等 低 高 高 低 主要取决于机械设计，而非转导作用
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。
微推进器
美国TRW公司、航空航 天公司和加州理工学院 （ CIT ） 组 成 的 研 究 小 组提出了一个“数字推 进概念”方案。硅片上 有集成电路来开启和控 制每个微推进器。整个 推进系统还可充当卫星 的散热器，以进一步减 小卫星的有效载荷。制 作方法可以用目前已成 熟 的 MEMS 及 LIGA 技 术。图为他们于99年初 发表了3×5阵列的电阻 电热式微推进器样机。
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。
微推进器
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 光显示、高密度存储、汽车、国防等微 系统
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
原理
改变反射方向
DMD——应用
DMD——应用
光开关
微机械1X2光开关
微机械1X8光开关
光开关
微机械22光开关
微机械2 2光开关
光纤固定结构
V形槽 各种卡紧结构
光栅及光栅光谱仪
原理 不同类型的光栅
新器件——组件
线性马达
静电
弧形梳齿
原理 应用
静电
旋转马达
原理
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
先加工机械结构，再加工电路
几种重要的MEMS器件
MEMS器件
惯性MEMS器件
加速度计 陀螺 压力传感器
光学MEMS器件
微光开关 微光学平台
微执行器
微喷 微马达
生物MEMS器件 其它
惯性器件 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
采用微电子加工技术，可以在指甲盖大小的硅 片上制作出包含有多达10万种DNA基因片段的 芯片。利用这种芯片可以在极快的时间内检测 或发现遗传基因的变化等情况，这无疑对遗传 学研究、疾病诊断、疾病治疗和预防、转基因 工程等具有极其重要的作用 Stanford和Affymetrix公司的研究人员已经利 用微电子技术在硅片或玻璃片上制作出了DNA 芯片。包括6000余种DNA基因片段
北京大学
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
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
微机电系统/微电子机械系统 Micro-Electro-Mechanical Systems 微机械：Micro-machine 微系统：Micro-System
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
ADI公司 生产的微 加速度计 MEMS芯 片
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 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
MEMS技术和DNA芯片
A B C D
MEMS技术和DNA芯片
MEMS技术和DNA芯片
结束语
MEMS技术
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
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
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
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
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)、位臵、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
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。
化学腐蚀 高深宽比深槽刻蚀 键合 双面光刻
体硅工艺
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
电路工艺与结构加工工艺交替进行
先加工电路，后加工结构
加工工艺复杂，成品率较低
工艺兼容的材料种类较少
传统的光传感器
光传感方式 成像系统(Imager)
CCD CMOS
发光系统
LED 半导体激光器 等离子 生物发光
光调节器
发光器件
场发射（FEDs） 未来的显示设备(FPD)
新器件——组件
微镜
Support Structure Substrate Hinges
微推进器
组成: 由5到6片芯 片叠在一起，内有混合 燃烧室、喷口喷管、两 个泵和两个阀以及冷却 管道的多器件集成系统 。用液态氧和乙醇作燃 料 性能：能产生15N 的推力，推力重量比达 1500:1，是大火箭推进 器的10~100倍，反映了 微系统的潜力
新概念的微型双组元火箭发动机结构图
MEMS技术和DNA芯片
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
位臵传感器、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
MEMS制造工艺
MEMS
大机器加工 小机器，小 机器加工微 机器 微机械 用微电子加 工技术
从顶层向下
X光铸模+压 塑技术 (LIGA) 微系统
MEMS系统
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
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
MEMS
宏电子
微电子
纳电子
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。
分子和原子级加工 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
LIGA工艺
硅MEwk.baidu.comS工艺
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、生物医学、材料科学、能源科学等
MEMS — 微小型、智能、集成、高可靠
Torsion Hinges Mirror 2nd DOF
1st DOF
Force-redirecting Linkage
新器件——组件
各种光学元器件
透镜、波带片、滤波器、 光栅及各种致动机构
微光学系统
微光学工作台（Micro Optical Bench）
微型显示阵列（光调制器）
数字镜面显示（DMD）
三种加速度计的特性比较
技术指标 阻抗 电负载影响 尺寸 温度范围 线形度误差 直流响应 交流响应 有无阻尼 灵敏度 冲击造成的零位漂移 旋转或无需校准功能 电路复杂程度 成本 交叉轴敏感度 电容式 高 非常大 大 压电式 高 大 小 压阻式 低 小 中等
非常宽 宽 中等 高 中等 低 有 无 有 宽 宽 稍宽 有 无 有 高 中等 中等 无 有 无 有 无 有 高 中等 低 高 高 低 主要取决于机械设计，而非转导作用
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。
微推进器
美国TRW公司、航空航 天公司和加州理工学院 （ CIT ） 组 成 的 研 究 小 组提出了一个“数字推 进概念”方案。硅片上 有集成电路来开启和控 制每个微推进器。整个 推进系统还可充当卫星 的散热器，以进一步减 小卫星的有效载荷。制 作方法可以用目前已成 熟 的 MEMS 及 LIGA 技 术。图为他们于99年初 发表了3×5阵列的电阻 电热式微推进器样机。
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。
微推进器
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 光显示、高密度存储、汽车、国防等微 系统
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
原理
改变反射方向
DMD——应用
DMD——应用
光开关
微机械1X2光开关
微机械1X8光开关
光开关
微机械22光开关
微机械2 2光开关
光纤固定结构
V形槽 各种卡紧结构
光栅及光栅光谱仪
原理 不同类型的光栅
新器件——组件
线性马达
静电
弧形梳齿
原理 应用
静电
旋转马达
原理
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
先加工机械结构，再加工电路
几种重要的MEMS器件
MEMS器件
惯性MEMS器件
加速度计 陀螺 压力传感器
光学MEMS器件
微光开关 微光学平台
微执行器
微喷 微马达
生物MEMS器件 其它
惯性器件 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
采用微电子加工技术，可以在指甲盖大小的硅 片上制作出包含有多达10万种DNA基因片段的 芯片。利用这种芯片可以在极快的时间内检测 或发现遗传基因的变化等情况，这无疑对遗传 学研究、疾病诊断、疾病治疗和预防、转基因 工程等具有极其重要的作用 Stanford和Affymetrix公司的研究人员已经利 用微电子技术在硅片或玻璃片上制作出了DNA 芯片。包括6000余种DNA基因片段