第一讲 概述

Questions
Somebody who asks a question may be stupid for 5 minutes.
Somebody who does not ask, may remain to be stupid for the rest of the life.
3
课程内容
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2000：MEMSSi, Accelerator compatible with CMOS process
MEMS in China
• Begin from 90s, Tsinghua Univ. • More than 100 groups in China now • Research area: Micro sensor, micro •
MEMS概述及MEMS设计的概述 工艺简要回顾 系统设计、工艺设计及版图设计 主要的机械、电子元件及其设计基础 多域耦合设计：以机电耦合为例子 器件性能的估计 简单的其他域的元件及其简要设计要点 设计实例
第一章主要内容
(3)
1、MEMS 概述 • 微机电系统基本概念 • 微机电系统的发展历史 • MEMS与微电子 • 微机电系统技术的发展\应用\市场 • 微机电系统的相关资讯 2、Mems设计的概念和层次：以气囊设计为 例
How to learn this course
Why-
Learn this course?
connect to other course, our life, future
Fabrication process?
connect to other chapter
Stress analysis?
connect to the accelerator design
使用单晶硅片和一些其他材料，例如GaAs, 石英、聚合物及金属 可以实现各种各样的生物、化学、机电和 光学等功能 可能包括活动部件
MEMS IC 与 的 比 较
使用单晶硅片，硅化合物、塑料 传送电流以实现特定的电路功能 固定的结构 基底上高密度的复杂图形 少量原件装配 集成电路芯片被完全保护起来避免与 其他电路接触 成熟的集成电路设计方法学 大量的导电通孔和引线 有工业标准 大批量生产 加工技术是已经验证并规范成文的 制造技术是已经验证并规范成文的 建立了相当完善的封装技术
Systems
Microengineering
Key words: As shown in this course’s lectures
• MEMS Conferences
MEMS Conferences in 2001 Materials Research Society (MRS) Conference, Fall 2000 (in Boston) Click here to read abstracts from MRS Fall 2000 Conference.
Scales
• 1μm~10m: precision
•
machining 1A～0.1 um： nanotechnology, chemistry molecular biology
Examples
Different definitions:
• USA
– MEMS: Micro electro mechanical system
82：U.C. Bekeley，surface silicon process Micro motor
90s: ADI, Accelerator for airbags
Middle 90S：ICP
End of 90s: Sandia, 5 layer poly-silicon surface process
actuator, silicon fabrication, Microsystem etc. Fabrication Centers: 13Institute, Peking Univ., Tsinghua Univ, Shanhai Jiaotong Univ., Shanghai Microsystem institute etc.
•What？
Basic idea of MEMS
• Micro—— Batch fabrication (e.g. IC technology) • ElectroMechanical—— Energy conversion: electrical to
•
and from non-electrical Systems—— Ultimate goal: solutions to real problems, not just devices
MEMS技术的发展与应用
MEMS应用
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概述 军事领域 信息领域 航空、航天 生物、医疗 汽车 工业控制 环境保护 消费类、玩具
汽车电子
(1) 压力传感器 (2) 加速度传感器
第一章主要内容
(3)
1、MEMS 概述 • 微机电系统基本概念 • 微机电系统的发展历史 • MEMS与微电子 • 微机电系统技术的发展\应用\市场 • 微机电系统的相关资讯 2、Mems设计的概念和层次：以气囊设计为 例
获得1956年 Nobel物理奖
Dec. 23, 1947 First FET NPN Ge Fet W. Schokley J. Bardeen W. Brattain
获得2000年Nobe源自文库物理奖
1958, first IC：TI company, Kilby，with 12 Fet，in Ge wafer
集成电路芯片的显微照片
封装好的集成电路
微电子技术发展的ROADMAP
基于市场竞争，不 断提高产品的性能价格 比是微电子技术发展的 动力。在新技术的推动 下，集成电路自发明以 来四十年，集成电路芯 片的集成度每三年提高 4倍，而加工特征尺寸 缩小 2 倍。这就是由 Intel 公 司 创 始 人 之 一 Gordon E. Moore博士 1965年总结的规律，被 称为摩尔定律。
MEMS和微系统设计
在本课程之前
• MEMS工艺基础 • 电子基础 • 大学物理/数学 • ANSYS仿真
课程的基本目的
• 掌握MEMS设计的基本过程 • 掌握mems机电及其耦合分析的基本理论 • 掌握机电结构微器件的性能分析方法 • 了解热、流体的基本理论 • 了解MEMS的发展前沿知识 • 培养对MEMS的兴趣
课程的特点 参考书： MEMS设计基础 —黄庆安等译 MEMS和微系统——设计与制造 王晓浩、熊继军等译 ，机械工业出版社 微传感器与微执行器 张文栋等译，科学技术出版社
Fundamentals of Microfabrication; Marc J. Madou
• 考试：
讲稿和参考书之间的关系
开卷考试40% +课堂讨论40%+平时20%
基底上的简单图形
很多原件装配在一起 传感器芯片与接触媒介有接口 缺乏工程设计方法学和标准 少量的导电通孔和引线 无工业标准 批量生产或根据用户需求生产 许多微电子加工技术可以用于生产 独特的制造技术 封装技术尚处于萌芽时期
第一章主要内容
(3)
1、MEMS 概述 • 微机电系统基本概念 • 微机电系统的发展历史 • MEMS与微电子 • 微机电系统技术的发展\应用\市场 • 微机电系统的相关资讯 2、Mems设计的概念和层次：以气囊设计为 例
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元件数 门数
SSI <102 <10
MSI 102 ~ 10 3 10 ~ 102
LSI 103 ~ 10 5 102 ~ 104
VLSI 105 ~ 10 7 104 ~ 106
ULSI 107 ~ 10 9 106 ~ 108
GSI >109 >108
表1-1 微电子和微系统的比较
微电子 微系统（硅基）
•Why？
Advantages of MEMS
IC Technology Precision Batch Fabrication Miniaturization Integrated Multiple Functions Improved performance Reduced Manufacturing cost & Time Portability Ruggedness Low Power Consumption Easily & Massively Deployed Easily Maintained & Replaced Little Harm to Environment
Milestones of MEMS
1947： Invention of FET Pressure sensors： 54：Si、Ge Piezo-resistivity 66：Mechanical Milling 70：Isotropic etch 76：Anisotropic etch- MEMS 80：Integrated pressure sensor Present：New working principle
• MEMS Laboratories
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Berkeley Sensor & Actuator Center (BSAC) Center for Applied Microtechnology (CAM) Center for MEMS and Microsystems Technologies @ Georgia Tech Center for MicroElectronic Sensors and MEMS @ University of Cincinnati Center for NanoTechnology @ University of Wisconsin, Madison Center for Wireless Integrated Microsystems @ University of Michigan Laboratory for Physical Sciences @ University of Maryland MEMS Laboratory @ CMU Microsystems Technology Laboratories @ MIT Microfabrication Lab @ UC Berkeley Micromachining Lab @ Caltech Micro Structures and Sensors Lab @ Stanford Transducers Lab @ Stanford
第一章主要内容
(3)
• 微机电系统基本概念及特点 • 微机电系统的例子 • 微机电系统的发展历史 • MEMS与微电子 • 微机电系统技术的发展\应用\市场 • 微机电系统的相关资讯
• 集成电路：
• Integrated Circuit，缩写IC
– 通过一系列特定的加工工艺，将晶体管、 二极管等有源器件和电阻、电容等无源 器件，按照一定的电路互连，“集成” 在一块半导体单晶片（如硅或砷化镓） 上，封装在一个外壳内，执行特定电路 或系统功能
• JAPAN
– Micro machine
• EUROPE
– Micro system
第一章主要内容
(3)
1、MEMS 概述 • 微机电系统基本概念 • 微机电系统的发展历史 • MEMS与微电子 • 微机电系统技术的发展\应用\市场 • 微机电系统的相关资讯 2、Mems设计的概念和层次：以气囊设计为 例
• MEMS Journals
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• Applied Physics Letters • International Frequency Sensor Association (IFSA)
Newsletter Journal of Applied Physics Journal of Lightwave Technology Journal of MEMS Journal of Microlithography, Microfabrication and Microsystems Journal of Micromechanics and Microengineering Journal of Selected topics in Quantum Electronics MicroTAS (Micro Total Analysis Systems) Journal Sensors and Actuators A (Physical) Sensors and Actuators B (Chemical)
MEMS informaitons
IEEE MEMS 10: every 2years transducers 11, China: every 2years Ieee Jmems: Journal of Microelectromechanical
JMM: Journal of micromechanics and Aensors and Actuators Nano letter APL: applied physical letter