MEMS技术及其应用(整理版)

机械类
微传感器
磁学类 化学类
力学 力矩 速度
加速度
位置
流量 角速度(陀螺)
气体成分
湿度
生物类 PH值 .
离子浓度
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微执行器 马达 齿轮 开关 扬声器
微结构器件 薄膜 探针 弹簧 微梁
微腔 沟道 锥体 微轴
微光学器件 微镜阵列
微光扫描器
微斩光器 光编码器 微光阀
微干涉仪 微光开关 微透镜
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MEMS制造工艺
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。
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MEMS器件根据其特性分成微传感器、微执行 器、微结构器件、微机械光学器件等。
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OMOM智能胶囊消化道内窥镜系统（简称“胶囊内镜”）
金山科技集团研制的胶囊内镜
“胶囊内镜”是集图像处理、信息通讯、光电工程、 生物医学等多学科技术为一体的典型的微机电系统 （MEMS）高科技产品，由智能胶囊、图像记录仪、 手持无线监视仪、影像分析处理软件等组成。
图象记录仪
工作时间：8小时左右
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国外MEMS 技术在引信中的应用
MEMS 技术在精确打击弹药引信中的应用
美国FMU2159/ B 硬目标侵彻灵巧引信及加速度计
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MEMS 技术在灵巧弹药引信中的应用
采用MEMS 技术的弹道修正引信
装有弹道修正引信的MK64 制导炮弹
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MEMS 技术在轻武器面杀伤弹药引信中的应用
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生物医疗和医学上的应用
微机械技术在生物医疗中的应用尤其令人惊叹。例如:将微型传感器用口服或皮下 注射法送入人体 ,就可对体内的五脏六腑进行直接有效的监测 。 将特制的微型机器人送入人体 ,可刮去导致心脏病的油脂沉积物 ,除去体内的胆固醇 , 可探测和清除人体内的癌细胞 ,进行视网膜开刀时 ,大夫可将遥控机器人放入眼球内 , 在细胞操作、细胞融合、精细外科、血管、肠道内自动送药等方面应用甚广。 MEMS的微小 可进入很小的器官和组织 和智能 能自动地进行细微精确的操作 的特 点 ,可大大提高介入治疗的精度 ,直接进入相应病变地进行工作 ,降低手术风险。 同微电子,集成电路,IC,工艺,设计,器件,封装,测试,MEMS时 ,可进行基因分析和遗传诊 断 ,利用微加工技术制造各种微泵、微阀、微摄子、微沟槽、微器皿和微流量计的器 件适合于操作生物细胞和生物大分子。所以 ,微机械在现代医疗技术中的应用潜力巨 大 ,为人类最后征服各种绝症延长寿命带来了希望。
上，就是微机电系统——MEMS: Microelectromechanical System。
由于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。
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微电子机械系统是以微电子、微机械及材料科学为基础，研究、设计 和制造具有特定功能的微型装置（包括微结构器件、微传感器、微执行器 和微系统等方面）的一门科学。
单兵20 mm 高爆 榴弹微机电引信
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航空航天的应用
在 1995年的国际会议上已有人正式提出研制全硅卫星的概念 。 即整个卫星由硅太阳能电池板、硅导航模块、硅通信模块等组 合而成 ,这样 ,可使整个卫星的质量缩小到以 kg计算 ,从而使卫 星的成本大幅度降低 。
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。
其他应用
投影显示器
数字微镜装置可被用来作投影显示器（DMD）。图示为美国TI公司研制的DMD， 它通过可以旋转10的扭转镜来完成投影显示的。微镜通过支撑柱和扭转梁 悬于基片上，每个微镜下都有驱动电极，在下电极与微镜间加一定的电压， 静电力使微镜倾斜输入光被反射至镜头、投影到屏幕上。未加电压的微镜处 的光线反射至镜头外。这样，微镜使每点产生明暗，投影出图象。
优点: 操作简单:整个检查仅为吞服胶囊、记录与回放观察三个 过程。医生只需在回放观察过程中，通过拍摄到的图片即 可对病情做出准确判断。 安全卫生:胶囊为一次性使用，避免交叉感染 ;外壳采用不 能被消化液腐蚀的医用高分子材料，对人体无毒、无刺激 性 ,能够安全排出体外。 扩展视野:全小肠段真彩色图像清晰微观，突破了小肠检 查的盲区，大大提高了消化道疾病诊断检出率。 方便自如:患者无须麻醉、无须住院，行动自由，不耽误 正常的工作和生活。
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真空镀膜仪
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磁控溅射
电子在电场的作用下加速飞向基片的过程 中与氩原子发生碰撞，电离出大量的氩离 子和电子，电子飞向基片。氩离子在电场 的作用下加速轰击靶材，溅射出大量的靶 材原子，呈中性的靶原子（或分子）沉积 在基片上成膜。二次电子在加速飞向基片 的过程中受到磁场洛仑磁力的影响，被束 缚在靠近靶面的等离子体区域内，该区域 内等离子体密度很高，二次电子在磁场的 作用下围绕靶面作圆周运动，该电子的运 动路径很长，在运动过程中不断的与氩原 子发生碰撞电离出大量的氩离子轰击靶材， 经过多次碰撞后电子的能量逐渐降低，摆 脱磁力线的束缚，远离靶材，最终沉积在 基片上
MEMS技术及其应用
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主要内容
MEMS技术简介 MEMS技术应用 微机械制造技术 MEMS器件
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MEMS简介
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What is MEMS Technology?
MEMS (microelectromechanical systems) are devices that involve integrated micro-devices or systems, usually comprised of electrical and mechanical components, produced using microelectronics-compatible batch-processing techniques.
These systems merge computation with sensing and actuation to perceive the physical world at a miniaturized level.
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MEMS定义
早在二十世纪六十年代，在硅集成电路制造技术发明不久，研究人员 就想利用这些制造技术和利用硅很好的机械特性，制造微型机械部件，如 微传感器、微执行器等。如果把微电子器件同微机械部件做在同一块硅片
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MEMS的应用
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Application Fields of MEMS
由于MEMS器件和系统具有体积小、重量 轻、功耗小、成本低、可靠性高、性能优异、 功能强大、可以批量生产等传统传感器无法比 拟的优点，因此在航空、航天、汽车、生物医 学、环境监测、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。
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Manufacturing Technology of MEMS
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
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Materials
硅基材料
单晶硅，多晶硅，非晶硅，二氧化硅，氮化硅，碳 化硅，SOI(Silicon On Insulator)。
聚合物材料 光刻胶，聚二甲硅氧烷
其他材料 砷化镓，石英，玻璃，钻石，金属。
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驱动材料
NiTi 坡莫合金 锆钛酸铅（PTZ） 水凝胶（Hydrogels）
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在军事上的应用
MEMS已在空间超微型卫星上得到应用 ,该卫星外形尺寸为 2. 54 cm ×7. 62 cm ×10. 6 cm,重量仅为 250 g 。2000年 1月 ,发射的两颗试验小卫星是证明空基防 御能力增强的一个范例。对小卫星试验来说幸运的是 ,因其飞行寿命短 ,所以 ,暴 露在宇宙辐射之下并不是关键问题。小卫星上基于硅的 RF开关在太空应用中表 现出优异的性能 ,这得益于它的超微小尺寸。作为一个在海上应用的实例 ,MEMS 引信 /保险和引爆半导体,微电子,集成电路,IC,工艺,设计,器件,封装,测试, F/SA 装 置已成功地用于潜艇鱼雷对抗武器上。引信 /保险和引爆装置的工作包括 3个独立 步骤:发射鱼雷后 ,解除炸药保险、引爆 引信 和防止在不正确时间爆炸 保险 。使 用镀有金属层的硅结合巧妙的封装技术 ,MEMS F/SA器件要比传统的装置小 1个 数量级 ,可安装在 15. 88 cm的鱼雷上 ,这是其他方法做不到的 .
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世界上第一个微静电马达
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What is the peculiarity of MEMS technology?
MEMS是受到集成电路工艺的启发而发展起来的，它不仅具有集 成电路系统的许多优点，同时集约了多种学科发展的尖端成果。
1、微型化特点 2、多样化特点 3、稳定性特点
4、集成化特点 5、批量化特点 6、广义化特点
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Technologies
物理气相淀积(Physical Vapour Deposition ) 化学气相淀积(Chemical Vapour Deposition) 电镀（Electroplating） 旋转铸模 （Spin Casting） 溶胶-凝胶（Sol–Gel Deposition） 光刻(Photolithography ) 刻蚀: 干法刻蚀（DRIE,ICP）和湿法腐蚀 键合技术
胰岛素注射泵疗法或者连续皮下注射胰岛素（CSII）可以替代一天必须输注几次的 单次胰岛素注射法，这种疗法越来越被人们看好。按照CSII治疗方法，糖尿病患者连接 一个可编程的注射泵，注射泵与一个贮液器相连，胰岛素就从这个贮液器输注到人体皮 下组织内，在一天的输液过程中，可根据病人的情况设定液量。
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在汽车上的应用
MEMS传感器及其组成的微型惯性测量组合在汽车 自动驾驶、汽车防撞气囊、汽车防抱死系统 （ABS）、减震系统、防盗系统等。GPS定位系统. *在汽车里作为加速表来控制碰撞时安全气囊防护 系统的施用 * 在汽车里作为陀螺来测定汽车倾斜，控制动态 稳定控制系统 * 在轮胎里作为压力传感器，
1959年就有科学家提出微型机械的设想，但直到1962年 才出现属于微机械范畴的产品—硅微型压力传感器。其 后尺寸为50～500微米的齿轮、齿轮泵、气动蜗轮及联 接件等微型机构相继问世。而1987年由华裔留美学生冯 龙生等人研制出转子直径为60微米和100微米的硅微型 静电电机，显示出利用硅微加工工艺制作微小可动结构 并与集成电路兼容制造微小系统的潜力，在国际上引起 轰动，科幻小说中描述把自己变成小昆虫钻到别人的居 室或心脏中去的场景将要成为现实展现在人们面前。同 时，也标志着微电子机械系统(MEMS)的诞生。
视 角 度：140度
视 距：3cm
分 辨 力：0.1mm
体 积：13mm ×27.9mm
重 量：<6g
外 壳：无毒耐酸耐碱高分子材料
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影像工作站
OMOM胶囊内镜的工作原理是：患者像服药一样用水将智 能胶囊吞下后，它即随着胃肠肌肉的运动节奏沿着胃→十 二指肠→空肠与回肠→结肠→直肠的方向运行，同时对经 过的腔段连续摄像，并以数字信号传输图像给病人体外携 带的图像记录仪进行存储记录，工作时间达6～8小时，在 智能胶囊吞服8～72小时后就会随粪便排出体外。医生通过 影像工作站分析图像记录仪所记录的图像就可以了解病人 整个消化道的情况，从而对病情做出诊断。
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仿生学中的应用（仿生纤毛）
地下水流微传感器
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Field of Research
理论基础：在当前MEMS所能达到的尺度下，宏观世界基本的物理 规 律 仍 然 起 作 用 ， 但 由 于 尺 寸 缩 小 带 来 的 影 响 （ Scaling Effects），许多物理现象与宏观世界有很大区别，因此许多原来 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，因此有必要对微动力学、微流体力学、微热力 学、微摩擦学、微光学和微结构学进行深入的研究。
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微射流MEMS技术应用于糖尿病治疗.
这个一次性胰岛素注射泵融合了Debiotech的胰岛素输注系统技术和ST的微射流 MEMS芯片的量产能力。纳米泵的尺寸只有现有胰岛素泵的四分之一. 微射流技术还能 更好地控制胰岛素液的注射量，更精确地模仿胰岛自然分泌胰岛素的过程，同时还能检 测泵可能发生的故障，更好地保护患者的安全。 成本非常低廉。