微纳机电系统建模与仿真大作业.
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C重点领域明确。美国在发展初期确定军事应用为其主要方向,侧重以惯性器件为代表的MEMS传感器的研究;日本重点发展进入工业狭窄空间的微机器人、进入人体狭窄空间的医疗微系统和微型工厂。欧洲则重点发展μTAS(Micro Total Analysis System,全微分析系统或LOC(Lab on Chip,芯片实验室。
(4批量生产: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。
(5集成化:可以把不同功能、不同敏感方向或致动方向的多个传感器或执行器集成于一体,或形成微传感器阵列、微执行器阵列,甚至把多种功能的器件集成在一起,形成复杂的微系统。微传感器、微执行器和微电子器件的集成科制造出可靠性、稳定性很高的MEMS。
B企业介入、市场牵引。在MEMS发展初期,美国就重视牵引研究主体—大学与企业的结合。例如在MEMS的重点研究单位UC Berkeley成立的BSAC(Berkeley Sensor and Actuator Center就由多所大学和企业组成。ADI公司看到了微型加速度计在汽车领域应用的巨大前景,通过引入表面牺牲层技术并加以改造,使微型加速度计的商品化获得巨大成功。
研究生课程考试成绩单
(试卷封面
院系机械工程学院专业机械设计及理论学生姓名刘晨晗学号129580
课程名称微/纳机电系统建模与仿真
授课时间2013年3月至2013年6月周学时3学分2
简
要
评
语
考核论题MEMS综述
总评成绩
(含平时成绩
备注
任课教师签名:
日期:
注:1.以论文或大作业为考核方式的课程必须填此表,综合考试可不填。“简要评语”栏缺填无效。
3、MEMS研究内容
MEMS系统主要包括微型传感器、微执行器和相应的处理电路三部分。作为输入信号的自然界各种信息,首先通过传感器转换成电信号,经过信号处理单元后(包括A/D、D/A转换,再通过微执行器对外部世界发生作用。下图给出了MEMS系统与外界相互作用的示意图【8】。
图3 MEMS系统与外界相互作用图
2.任课教师填写后与试卷一起送院系研究生秘书处。
3.学位课总评成绩以百分制计分。
1、MEMS简介(1
2、MEMS历史与发展现状(2
2.1 MEMS历史(2
2.2 MEMS发展现状(3
3、MEMS研究内容(4
4、MEMS器件举例--悬浮微器件的结构及工作原理(6
4.1器件介绍(6
4.2器件的结构和加工工序(6
D重视基础技术的建设。十分重视设计、材料、加工、封装、测试等技术的发
展。美国除在研究单位建立独立的加工实验室外,还特别建立了专门为研究服务的加
工基地,如MCNC、SANDIA国家实验室等。德国也建立了BOSCH实验室。
2.2.2国内概况
我国MEMS的研究始于20世纪90年代初,起步并不晚,在“八五”、“九五”期间得到了科技部、教育部、中国科学院、国家自然科学基金委和原国防科工委的支持。经过10年的发展,我国在多种微型传感器、微型执行器和若干微系统样机等方面已有一定的基础和技术储备,初步形成了几个MEMS研究力量比较集中的地区。包括京津地区,如清华大学、北京大学、中科院电子所、信息产业部电子13所、南开大学等;华东地区,如中科院上海冶金所、上海交通大学、复旦大学、上海大学、东南大学、浙江大学、中国科技大学、厦门大学等;东北地区,如信息产业部电子49所、哈尔滨工业大学、中科院长春光机所、大连理工大学、沈阳仪器仪表工艺研究所等;西南地区,如重庆大学,信息产业部电子24所、44所和26所等;西北地区,如西安交通大学、航空618所、航天771所等。这些因地域而组成的研究集群,已形成彼此协作、互为补充的关系,为我国的MEMS研究打下了良好的基础。
MEMS研究的内容极为广泛。其关键技术有设计技术、材料、制作工艺和测试技术。
(一设计技术
MEMS产品设计包括系统、器件、电路和封装等设计。
MEMS器件的设计需要综合多学科理论分析,这大大增加了设计参数选择的难度,常规分析计算已无法满足设计需要。计算机技术的进步使得CAD技术在MEMS器件设计中得到广泛的应用,采用CAD能设计出具有低成本、高性能、更为复杂的新型系统。2D和3D计算机绘图技术的发展能够对复杂的MEMS结构及版图进行计算机设计,有限元分析技术的应用可以用精确的计算机数值求解方法来分析和预测器件的性能,对器件的静态、准静态和动态模拟成为可能,从而使我们能够对MEMS器件的结构和工艺进行计算机模拟和设计优化。
(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。
(2以硅为主要材料,机械电器性能优良:硅的强度、硬度和杨氏模量与铁相当,密度类似铝,热传导率接近钼和钨。
(3尺度效应现象:一般的MEMS器件还没有小到进入物理学中的微观范畴,因此进店物理学仍然成立。但由于尺寸说笑带来的影响,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,因此有必要对为动力学、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。
图2 MEMS发展历史
2.2 MEMS发展现状
2.2.1国外概况
回顾MEMS发展进程,国外发展MEMS的特点有如下4个方面【7】:
A国家高度重视。在初期,政府行为起主导作用,如1992年“美国国家关键技术计划”把“微米级和纳米级制造”列为“在经济繁荣和国防安全两方面都至关重要的技术”。美国国家自然基金会(NSF把微米/纳米列为优先支持的项目。美国国防部先进研究计划署(DARPA制定的微米/纳米和微系统发展计划,对“采用与制造微电子器件相同的工艺和材料,充分发挥小型化、多元化和集成微电子技术的优势,设计和制造新型机电装置”给予了高度的重视。日本早在1991年开始启动了2.5亿美元的大型研究计划—“微机械十年计划”。
MEMS是在微电子技术基础上发展起来的多学科交叉的前沿研究领域,其起源可以追溯到20世纪50~60年代,最初贝尔实验室发现了硅和锗的压阻效应,从而导致了硅基MEMS传感器的诞生和发展。在随后的几十年里,MEMS得到了飞速发展,1987年美国加州大学伯克利分校研制出转子直径为60~120m μ的硅微型静电电机
经过近20年的发展,我国已在微型惯性器件和惯性测量组合、机械量微型传感器和制动器、微流量器件和系统、生物传感器和生物芯片、微型机器人和微操作系统、硅和非硅制造工艺等方面取得一定成果。现有的技术条件已初步形成MEMS设计、加工、封装、测试的一条龙体系,为保证我国MEMS技术的进一步发展提供了较好的平台。但是,由于历史原因造成的条块分割、力量分散,再加上投入严重不足,尽管已有不少成果,但在质量、性能价格比及商品化等方面与国外差距还很大。
【3】;1987~1988年,一系列关于微机械和微动力学的学术会议召开,所以20世纪80年代后期微机电系统一词就渐渐成为一个世界性的学术用语,MEMS技术的研究开发也成为一个热点,引起了世界各国科学界、产业界和政府部门的高度重视,经过几十年的发展,它已成为世界瞩目的重大科技领域之一。
MEMS是一种集成系统,典型的MEMS是将信息获取传感器、信息处理电路及执行机构等功能器件集成在一起,以提高系统的效率和可靠性。MEMS被认为是微电子技术的又一次革命,它具有一下一些特点【4,5】:
(6多学科交叉:MEMS涉及电子、机械、材料、制造、信息与自动控制、物理、化学和生物等多种学科,并集约了当今科学技术发展的许多尖端成果。
2、MEMS历史与发展现状
2.1 MEMS历史
费曼提出“There is plenty of room at the bottom”观点后几十年,人们都没有意识到它的重要性。直到微马达的出现才引起了人们的重视。1987年,美国UC Berkeley大学发明了基于表面牺牲层技术的微马达,引起国际学术界的轰动,人们看到了电路与执行部件集成制作的可能性,这是MEMS技术的开端。1988年,美国的一批著名科学家提出“小机器、大机遇”,并呼吁:美国应当在这一重大领域发展中走在世界的前列。1993年,美国ADI公司采用该技术成功地将微型加速度计商品化,并大批量应用于汽车防撞气囊,标志着MEMS技术商品化的开端。20世纪90年代,发达国家先后投巨资并设立国家重大项目促进其发展。此后,MEMS技术发展迅速,特别是深槽刻蚀技术出现后,围绕该技术发展了多种新型加工工艺。最近,美国朗讯公司开发的基于MEMS光开关的路由器已经试用,预示着MEMS发展又一高潮的来临。目前部分器件已经实现了产业化,如微型加速度计、微型压力传感器、数字微镜器件(DMD、喷墨打印机的微喷嘴、生物芯片等,并且应用领域十分广泛。近年来国际上MEMS的专利数正呈指数规律增长,说明MEMS技术全面发展和产业快速起步的阶段已经到来。图2展示了MEMS发展历史上一些重要的时刻【6】
图1自然界典型事物的特征尺寸
MEMS即Micro-Electro-Mechanical System ,它是以微电子、微机械及材料科学为基础,研究、设计、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。MEMS所研究的尺寸范围正好是上述微纳米区间。日本国家MEMS中心给Microsystem/Micromachine下的定义【2】:A micro machine is an extremely small machine comprising very small(several millimeters or less yet highly sophisticated functional elements that allows it to perform minute and complicated tasks。
(二材料
MEMS应用的材料主要有三种:单晶硅和多晶硅,压电材料和其他类型合成材料。
(1硅材料:硅的机械性能好,硅的强度、硬度和杨氏模量与铁相当,密度类似铝,热传导性接近钼和钨。19世纪60年代,MEMS刚出现时,IC工业应用的半导体材料只有单晶硅衬底和多晶硅薄膜两种材料。
4.3器件的生产工艺(7
4.4器件的工作原理(8
5、MEMS的应用与未来(9
6、参考文献(11
MEMS综述
129580刘晨晗
1、MEMS简介源自文库
图1显示了自然界一些典型事物的特征尺寸,我们人类生活在以米为单位的世界里。两端分别有宏大的宇宙与微小的原子,其间有一段尺寸区间1m μ-100m μ或者0.1m μ-100m μ称为微纳米区间。在1959年12月29日的美国加州理工学院,著名的物理学家理查德-费曼(Richard P. Feynman在一年一度的美国物理学会上提出一个极具深刻洞察力的观点“There is plenty of room at the bottom ”【1】。接下来的时间至今,在微纳米尺度以及原子尺寸级别相关研究的快速发展映证了费曼观点的远见卓识。尤其值得一提的是在微纳米区间的发展。
在科研能力积累上,1996年建设的微米/纳米加工技术国家级重点实验室,使我国的MEMS加工技术研究得到较大提高,实验室购置了当时国际上最先进的MEMS加工关键设备,如STS深槽刻蚀机、Karlsuss双面光刻机/键合对准机、可用于硅/玻璃静电键合和硅/硅预键合的Karlsuss键合机、LPCVD、压塑机等,连同配套的IC设备,如溅射台、扩散炉、RIE刻蚀机、PECVD、光刻机等设备,初步构成了具有国际先进水平的MEMS加工线。这些设备结合一些分散于各研究机构的微电子工艺线和微加工设备,组成了目前我国的MEMS加工技术基础。在上述设备的基础上,已开发出具有一定水平的MEMS加工技术。其中北京大学所属微米/纳米加工技术重点实验室分部开发出4种MEMS全套加工工艺和多种先进的单项工艺,已制备出加速度计样品,并已开始为国内研究MEMS的单位提供加工服务。上海交通大学所属微米/纳米加工技术重点实验室分部可以提供非硅材料的微加工服务,如LIGA技术制作高深宽比微结构的基本加工技术,紫外深度光刻—、高深宽比微电铸和模铸加工,功能材料薄膜制备等。电子部13所研究的融硅工艺也取得了较大进展,已制备出微型加速度计和微型陀螺样品。
(4批量生产: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。
(5集成化:可以把不同功能、不同敏感方向或致动方向的多个传感器或执行器集成于一体,或形成微传感器阵列、微执行器阵列,甚至把多种功能的器件集成在一起,形成复杂的微系统。微传感器、微执行器和微电子器件的集成科制造出可靠性、稳定性很高的MEMS。
B企业介入、市场牵引。在MEMS发展初期,美国就重视牵引研究主体—大学与企业的结合。例如在MEMS的重点研究单位UC Berkeley成立的BSAC(Berkeley Sensor and Actuator Center就由多所大学和企业组成。ADI公司看到了微型加速度计在汽车领域应用的巨大前景,通过引入表面牺牲层技术并加以改造,使微型加速度计的商品化获得巨大成功。
研究生课程考试成绩单
(试卷封面
院系机械工程学院专业机械设计及理论学生姓名刘晨晗学号129580
课程名称微/纳机电系统建模与仿真
授课时间2013年3月至2013年6月周学时3学分2
简
要
评
语
考核论题MEMS综述
总评成绩
(含平时成绩
备注
任课教师签名:
日期:
注:1.以论文或大作业为考核方式的课程必须填此表,综合考试可不填。“简要评语”栏缺填无效。
3、MEMS研究内容
MEMS系统主要包括微型传感器、微执行器和相应的处理电路三部分。作为输入信号的自然界各种信息,首先通过传感器转换成电信号,经过信号处理单元后(包括A/D、D/A转换,再通过微执行器对外部世界发生作用。下图给出了MEMS系统与外界相互作用的示意图【8】。
图3 MEMS系统与外界相互作用图
2.任课教师填写后与试卷一起送院系研究生秘书处。
3.学位课总评成绩以百分制计分。
1、MEMS简介(1
2、MEMS历史与发展现状(2
2.1 MEMS历史(2
2.2 MEMS发展现状(3
3、MEMS研究内容(4
4、MEMS器件举例--悬浮微器件的结构及工作原理(6
4.1器件介绍(6
4.2器件的结构和加工工序(6
D重视基础技术的建设。十分重视设计、材料、加工、封装、测试等技术的发
展。美国除在研究单位建立独立的加工实验室外,还特别建立了专门为研究服务的加
工基地,如MCNC、SANDIA国家实验室等。德国也建立了BOSCH实验室。
2.2.2国内概况
我国MEMS的研究始于20世纪90年代初,起步并不晚,在“八五”、“九五”期间得到了科技部、教育部、中国科学院、国家自然科学基金委和原国防科工委的支持。经过10年的发展,我国在多种微型传感器、微型执行器和若干微系统样机等方面已有一定的基础和技术储备,初步形成了几个MEMS研究力量比较集中的地区。包括京津地区,如清华大学、北京大学、中科院电子所、信息产业部电子13所、南开大学等;华东地区,如中科院上海冶金所、上海交通大学、复旦大学、上海大学、东南大学、浙江大学、中国科技大学、厦门大学等;东北地区,如信息产业部电子49所、哈尔滨工业大学、中科院长春光机所、大连理工大学、沈阳仪器仪表工艺研究所等;西南地区,如重庆大学,信息产业部电子24所、44所和26所等;西北地区,如西安交通大学、航空618所、航天771所等。这些因地域而组成的研究集群,已形成彼此协作、互为补充的关系,为我国的MEMS研究打下了良好的基础。
MEMS研究的内容极为广泛。其关键技术有设计技术、材料、制作工艺和测试技术。
(一设计技术
MEMS产品设计包括系统、器件、电路和封装等设计。
MEMS器件的设计需要综合多学科理论分析,这大大增加了设计参数选择的难度,常规分析计算已无法满足设计需要。计算机技术的进步使得CAD技术在MEMS器件设计中得到广泛的应用,采用CAD能设计出具有低成本、高性能、更为复杂的新型系统。2D和3D计算机绘图技术的发展能够对复杂的MEMS结构及版图进行计算机设计,有限元分析技术的应用可以用精确的计算机数值求解方法来分析和预测器件的性能,对器件的静态、准静态和动态模拟成为可能,从而使我们能够对MEMS器件的结构和工艺进行计算机模拟和设计优化。
(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。
(2以硅为主要材料,机械电器性能优良:硅的强度、硬度和杨氏模量与铁相当,密度类似铝,热传导率接近钼和钨。
(3尺度效应现象:一般的MEMS器件还没有小到进入物理学中的微观范畴,因此进店物理学仍然成立。但由于尺寸说笑带来的影响,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,因此有必要对为动力学、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。
图2 MEMS发展历史
2.2 MEMS发展现状
2.2.1国外概况
回顾MEMS发展进程,国外发展MEMS的特点有如下4个方面【7】:
A国家高度重视。在初期,政府行为起主导作用,如1992年“美国国家关键技术计划”把“微米级和纳米级制造”列为“在经济繁荣和国防安全两方面都至关重要的技术”。美国国家自然基金会(NSF把微米/纳米列为优先支持的项目。美国国防部先进研究计划署(DARPA制定的微米/纳米和微系统发展计划,对“采用与制造微电子器件相同的工艺和材料,充分发挥小型化、多元化和集成微电子技术的优势,设计和制造新型机电装置”给予了高度的重视。日本早在1991年开始启动了2.5亿美元的大型研究计划—“微机械十年计划”。
MEMS是在微电子技术基础上发展起来的多学科交叉的前沿研究领域,其起源可以追溯到20世纪50~60年代,最初贝尔实验室发现了硅和锗的压阻效应,从而导致了硅基MEMS传感器的诞生和发展。在随后的几十年里,MEMS得到了飞速发展,1987年美国加州大学伯克利分校研制出转子直径为60~120m μ的硅微型静电电机
经过近20年的发展,我国已在微型惯性器件和惯性测量组合、机械量微型传感器和制动器、微流量器件和系统、生物传感器和生物芯片、微型机器人和微操作系统、硅和非硅制造工艺等方面取得一定成果。现有的技术条件已初步形成MEMS设计、加工、封装、测试的一条龙体系,为保证我国MEMS技术的进一步发展提供了较好的平台。但是,由于历史原因造成的条块分割、力量分散,再加上投入严重不足,尽管已有不少成果,但在质量、性能价格比及商品化等方面与国外差距还很大。
【3】;1987~1988年,一系列关于微机械和微动力学的学术会议召开,所以20世纪80年代后期微机电系统一词就渐渐成为一个世界性的学术用语,MEMS技术的研究开发也成为一个热点,引起了世界各国科学界、产业界和政府部门的高度重视,经过几十年的发展,它已成为世界瞩目的重大科技领域之一。
MEMS是一种集成系统,典型的MEMS是将信息获取传感器、信息处理电路及执行机构等功能器件集成在一起,以提高系统的效率和可靠性。MEMS被认为是微电子技术的又一次革命,它具有一下一些特点【4,5】:
(6多学科交叉:MEMS涉及电子、机械、材料、制造、信息与自动控制、物理、化学和生物等多种学科,并集约了当今科学技术发展的许多尖端成果。
2、MEMS历史与发展现状
2.1 MEMS历史
费曼提出“There is plenty of room at the bottom”观点后几十年,人们都没有意识到它的重要性。直到微马达的出现才引起了人们的重视。1987年,美国UC Berkeley大学发明了基于表面牺牲层技术的微马达,引起国际学术界的轰动,人们看到了电路与执行部件集成制作的可能性,这是MEMS技术的开端。1988年,美国的一批著名科学家提出“小机器、大机遇”,并呼吁:美国应当在这一重大领域发展中走在世界的前列。1993年,美国ADI公司采用该技术成功地将微型加速度计商品化,并大批量应用于汽车防撞气囊,标志着MEMS技术商品化的开端。20世纪90年代,发达国家先后投巨资并设立国家重大项目促进其发展。此后,MEMS技术发展迅速,特别是深槽刻蚀技术出现后,围绕该技术发展了多种新型加工工艺。最近,美国朗讯公司开发的基于MEMS光开关的路由器已经试用,预示着MEMS发展又一高潮的来临。目前部分器件已经实现了产业化,如微型加速度计、微型压力传感器、数字微镜器件(DMD、喷墨打印机的微喷嘴、生物芯片等,并且应用领域十分广泛。近年来国际上MEMS的专利数正呈指数规律增长,说明MEMS技术全面发展和产业快速起步的阶段已经到来。图2展示了MEMS发展历史上一些重要的时刻【6】
图1自然界典型事物的特征尺寸
MEMS即Micro-Electro-Mechanical System ,它是以微电子、微机械及材料科学为基础,研究、设计、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。MEMS所研究的尺寸范围正好是上述微纳米区间。日本国家MEMS中心给Microsystem/Micromachine下的定义【2】:A micro machine is an extremely small machine comprising very small(several millimeters or less yet highly sophisticated functional elements that allows it to perform minute and complicated tasks。
(二材料
MEMS应用的材料主要有三种:单晶硅和多晶硅,压电材料和其他类型合成材料。
(1硅材料:硅的机械性能好,硅的强度、硬度和杨氏模量与铁相当,密度类似铝,热传导性接近钼和钨。19世纪60年代,MEMS刚出现时,IC工业应用的半导体材料只有单晶硅衬底和多晶硅薄膜两种材料。
4.3器件的生产工艺(7
4.4器件的工作原理(8
5、MEMS的应用与未来(9
6、参考文献(11
MEMS综述
129580刘晨晗
1、MEMS简介源自文库
图1显示了自然界一些典型事物的特征尺寸,我们人类生活在以米为单位的世界里。两端分别有宏大的宇宙与微小的原子,其间有一段尺寸区间1m μ-100m μ或者0.1m μ-100m μ称为微纳米区间。在1959年12月29日的美国加州理工学院,著名的物理学家理查德-费曼(Richard P. Feynman在一年一度的美国物理学会上提出一个极具深刻洞察力的观点“There is plenty of room at the bottom ”【1】。接下来的时间至今,在微纳米尺度以及原子尺寸级别相关研究的快速发展映证了费曼观点的远见卓识。尤其值得一提的是在微纳米区间的发展。
在科研能力积累上,1996年建设的微米/纳米加工技术国家级重点实验室,使我国的MEMS加工技术研究得到较大提高,实验室购置了当时国际上最先进的MEMS加工关键设备,如STS深槽刻蚀机、Karlsuss双面光刻机/键合对准机、可用于硅/玻璃静电键合和硅/硅预键合的Karlsuss键合机、LPCVD、压塑机等,连同配套的IC设备,如溅射台、扩散炉、RIE刻蚀机、PECVD、光刻机等设备,初步构成了具有国际先进水平的MEMS加工线。这些设备结合一些分散于各研究机构的微电子工艺线和微加工设备,组成了目前我国的MEMS加工技术基础。在上述设备的基础上,已开发出具有一定水平的MEMS加工技术。其中北京大学所属微米/纳米加工技术重点实验室分部开发出4种MEMS全套加工工艺和多种先进的单项工艺,已制备出加速度计样品,并已开始为国内研究MEMS的单位提供加工服务。上海交通大学所属微米/纳米加工技术重点实验室分部可以提供非硅材料的微加工服务,如LIGA技术制作高深宽比微结构的基本加工技术,紫外深度光刻—、高深宽比微电铸和模铸加工,功能材料薄膜制备等。电子部13所研究的融硅工艺也取得了较大进展,已制备出微型加速度计和微型陀螺样品。