《微纳米检测技术》课件
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《微纳米检测技术》
几个概念
u 测量(measurement):以确定被测对象的量值为目的 的全部操作。
u 计量(Metrology):与标准进行比较和衡量 or 实现测 量单位统一和量值准确传递。
u 测试(test):试验性质的测量 or 测量和试验的综合。 在实际使用中往往不严格区分测试与测量
u 检测(detection):获取被测对象的真实信息（从客观 事务中取得有关信息的过程）。检测是意义更为广 泛的测量。检测＝测量+信号检出。
《微纳米检测技术》
1.3 微机电系统技术
3、MEMS的发展
u 硅微传感器阶段
Ø 1963年日本丰田研究中心制作出硅微压力传感器。 Ø 1982年美国IBM和UCBerkeley研制了集成电容式加速度计。
u 硅微致动器阶段
Ø 1987年UCBerkeley研制出转子直径为60~120m的硅微静电电机。
与机械电子学的关系
•基本组成相同 •不是简单的提升
《微纳米检测技术》
1.3 微机电系统技术
2、MEMS的特点
MEMS的内涵
•“微” ——尺度效应的作用 •“机电”——拓展向更多物理量的融合 •“系统”——水平、实际应用现状
MEMS的特点
•以实现新功能、特殊性能为前沿目标 •微米量级空间里实现机电功能，提升已有性能（包括微型化、 集成化、高可靠性等） •采用微加工，形成类似IC的批量制造、低成本、低消耗特征
的检测技术。
《微纳米检测技术》
1.1 测量和测量系统
u 测量：
Ø 测量提供了有关物理变量和过程的现实状态的定 量信息。
Ø 测量是对客观世界重新认识的工具，也是对任何 理论和设计的最终检验。
Ø 测量是一切研究、设计和开发的基础，它的作用 在工程中十分显著。
u 测量系统
Ø 由敏感元件（传感器）、信号转换和调理、信号 记录和显示等部分组成。
《微纳米检测技术》
1.2 微纳米技术
u 什么叫微纳米技术 通过在微纳米尺度范围内对物质的控制来创造
并使用新的材料、装置和系统。
Ø 微纳米材料 Ø 微纳米装置（器件） Ø 微纳米系统
1999年12月，美国国家科学技术委员会在“微纳米技术 研究指南”工作报告中指出：“微纳米科学和工程将在未来 的10～20年内成为一种战略性、占主导地位的技术，因为对 微尺度物质的控制将支持工业、经济、健康和环境管理、生 活质量以及国防等方面的发明和进步”。报告结论是：“微 纳米技术将导致下一次工业革命。”
《微纳米检测技术》
1.3 微机电系统技术
u 微机电系统（Micro-electro-mechanical system, MEMS）技术，微系统技术
Ø 起源于微电子技术； Ø 将传感器、信号处理器和执行器以微型化的结构形式集成为
一个完整的系统。
Ø 微机械在美国常被称作微型机电系统（micro electro mechanical system, MEMS)；
u 传感器市场化阶段
Ø 1993年美国Analog Devices开始生产集成加速度传感器，开始在汽 车行业大量应用。
u 系统研究阶段
Ø 20世纪90年代末，开始微型飞行器、微型卫星、微型机器人等研究。
NEMS与MEMS的关系
——概念延伸、MEMS工艺为基础、对象向生物化学扩展
•生物微马达、生物工程操作、碳纳米管
德国将微纳米技术和微系统技术列入国家高科技重点发 展领域。
《微纳米检测技术》
1.2 微纳米技术
u 我国从20世纪80年代末开始从事微纳米技术的研究。 u 2001年，政府制定《国家纳米科技发展纲要》； u 目前：国家科技部“863计划”专门设立有微纳米技
术专项，国家自然科学基金也设立有关微纳米技术重 大科研基金项目。
《微纳米检测技术》
当前市场上存在的MEMS产品
u 喷墨打印头 u 汽车安全气囊用加速度传感器 u 游戏杆用加速度传感器 u 压力传感器 u 微型控制阀 u 微型磁强计
《微纳米检测技术》
1.3 微机电系统技术
MEMS材料 u 结构材料
Ø 基底材料：硅、砷化镓、其他半导体材料 Ø 薄膜材料：单晶硅、氮化硅、氧化硅 Ø 金属材料：金、铝、其他金属
Ø 在日本被称作微机器（micromachine)； Ø 欧洲则被称作微系统（microsystem)； Ø 不同的名称表明强调不同的技术重点。
《微纳米检测技术》
1.3 微机电系统技术
1、MEMS的形成基础
学科交叉的产物
机械电子学——机械学、电子学、计算机技术交叉 MEMS——机/电/磁 /光/声/热/液/气/生/化等多学科交叉
2Hale Waihona Puke Baidu02
《微纳米检测技术》
第一讲 绪论
u 微纳米尺度
Ø 微米：1µm ＝ 10-6m Ø 纳米：1nm ＝ 10-9m
《微纳米检测技术》
概述
u 微纳米技术
Ø 21世纪最重要的科学技术之一；将引起一场新的 工业革命。
u 微纳米检测技术是微纳米技术的重要组成部 分
Ø 微纳米技术－研究微观尺度的物体和现象； Ø 微纳米检测技术也主要指微米和纳米尺度和精度
研究生课程：微纳米检测技术
《微纳米检测技术》
教材与参考书目
u 教材：
《微纳米测量技术》，王伯雄等编著，清华大学出版社，2006
u 参考书目：
Ø 《纳米科学与技术》，袁哲俊编著，哈尔滨工业大学出版社，2005 Ø 《微机电系统设计与制造》，莫锦秋等编著，化学工业出版社，
2004 Ø 《微系统原理与技术》，傅建中等编著，机械工业出版社，2005 Ø 《检测技术与系统》，陈岭丽主编，清华大学出版社，2005 Ø 《传感器与测试技术》，李晓莹主编，高等教育出版社，2004 Ø 《机电工程智能检测技术与系统》，朱名铨等编著，高等教育出版社，
体硅加工
硅表面微加工
光刻
硅微细加工
激光加工
微细超声加工
能束加工
LIGA加工 准LIGA加工
微细电解加工
光刻电铸加工
微细电火花加工
精密加工
立体光刻
u 功能材料
Ø 高分子材料：聚酰亚胺、PMMA Ø 敏感材料：压阻、压电、热敏、光敏、其他 Ø 致动材料：压电、形状记忆合金、磁性材料等
《微纳米检测技术》
1.3 微机电系统技术
MEMS工艺手段
自停止 各向 腐蚀 异性
腐蚀
深层 离子 刻蚀 电化学
腐蚀
牺牲 层腐 蚀
等离子及 反应离子 刻蚀
淀积
扩散
离子束加工 电子束加工
几个概念
u 测量(measurement):以确定被测对象的量值为目的 的全部操作。
u 计量(Metrology):与标准进行比较和衡量 or 实现测 量单位统一和量值准确传递。
u 测试(test):试验性质的测量 or 测量和试验的综合。 在实际使用中往往不严格区分测试与测量
u 检测(detection):获取被测对象的真实信息（从客观 事务中取得有关信息的过程）。检测是意义更为广 泛的测量。检测＝测量+信号检出。
《微纳米检测技术》
1.3 微机电系统技术
3、MEMS的发展
u 硅微传感器阶段
Ø 1963年日本丰田研究中心制作出硅微压力传感器。 Ø 1982年美国IBM和UCBerkeley研制了集成电容式加速度计。
u 硅微致动器阶段
Ø 1987年UCBerkeley研制出转子直径为60~120m的硅微静电电机。
与机械电子学的关系
•基本组成相同 •不是简单的提升
《微纳米检测技术》
1.3 微机电系统技术
2、MEMS的特点
MEMS的内涵
•“微” ——尺度效应的作用 •“机电”——拓展向更多物理量的融合 •“系统”——水平、实际应用现状
MEMS的特点
•以实现新功能、特殊性能为前沿目标 •微米量级空间里实现机电功能，提升已有性能（包括微型化、 集成化、高可靠性等） •采用微加工，形成类似IC的批量制造、低成本、低消耗特征
的检测技术。
《微纳米检测技术》
1.1 测量和测量系统
u 测量：
Ø 测量提供了有关物理变量和过程的现实状态的定 量信息。
Ø 测量是对客观世界重新认识的工具，也是对任何 理论和设计的最终检验。
Ø 测量是一切研究、设计和开发的基础，它的作用 在工程中十分显著。
u 测量系统
Ø 由敏感元件（传感器）、信号转换和调理、信号 记录和显示等部分组成。
《微纳米检测技术》
1.2 微纳米技术
u 什么叫微纳米技术 通过在微纳米尺度范围内对物质的控制来创造
并使用新的材料、装置和系统。
Ø 微纳米材料 Ø 微纳米装置（器件） Ø 微纳米系统
1999年12月，美国国家科学技术委员会在“微纳米技术 研究指南”工作报告中指出：“微纳米科学和工程将在未来 的10～20年内成为一种战略性、占主导地位的技术，因为对 微尺度物质的控制将支持工业、经济、健康和环境管理、生 活质量以及国防等方面的发明和进步”。报告结论是：“微 纳米技术将导致下一次工业革命。”
《微纳米检测技术》
1.3 微机电系统技术
u 微机电系统（Micro-electro-mechanical system, MEMS）技术，微系统技术
Ø 起源于微电子技术； Ø 将传感器、信号处理器和执行器以微型化的结构形式集成为
一个完整的系统。
Ø 微机械在美国常被称作微型机电系统（micro electro mechanical system, MEMS)；
u 传感器市场化阶段
Ø 1993年美国Analog Devices开始生产集成加速度传感器，开始在汽 车行业大量应用。
u 系统研究阶段
Ø 20世纪90年代末，开始微型飞行器、微型卫星、微型机器人等研究。
NEMS与MEMS的关系
——概念延伸、MEMS工艺为基础、对象向生物化学扩展
•生物微马达、生物工程操作、碳纳米管
德国将微纳米技术和微系统技术列入国家高科技重点发 展领域。
《微纳米检测技术》
1.2 微纳米技术
u 我国从20世纪80年代末开始从事微纳米技术的研究。 u 2001年，政府制定《国家纳米科技发展纲要》； u 目前：国家科技部“863计划”专门设立有微纳米技
术专项，国家自然科学基金也设立有关微纳米技术重 大科研基金项目。
《微纳米检测技术》
当前市场上存在的MEMS产品
u 喷墨打印头 u 汽车安全气囊用加速度传感器 u 游戏杆用加速度传感器 u 压力传感器 u 微型控制阀 u 微型磁强计
《微纳米检测技术》
1.3 微机电系统技术
MEMS材料 u 结构材料
Ø 基底材料：硅、砷化镓、其他半导体材料 Ø 薄膜材料：单晶硅、氮化硅、氧化硅 Ø 金属材料：金、铝、其他金属
Ø 在日本被称作微机器（micromachine)； Ø 欧洲则被称作微系统（microsystem)； Ø 不同的名称表明强调不同的技术重点。
《微纳米检测技术》
1.3 微机电系统技术
1、MEMS的形成基础
学科交叉的产物
机械电子学——机械学、电子学、计算机技术交叉 MEMS——机/电/磁 /光/声/热/液/气/生/化等多学科交叉
2Hale Waihona Puke Baidu02
《微纳米检测技术》
第一讲 绪论
u 微纳米尺度
Ø 微米：1µm ＝ 10-6m Ø 纳米：1nm ＝ 10-9m
《微纳米检测技术》
概述
u 微纳米技术
Ø 21世纪最重要的科学技术之一；将引起一场新的 工业革命。
u 微纳米检测技术是微纳米技术的重要组成部 分
Ø 微纳米技术－研究微观尺度的物体和现象； Ø 微纳米检测技术也主要指微米和纳米尺度和精度
研究生课程：微纳米检测技术
《微纳米检测技术》
教材与参考书目
u 教材：
《微纳米测量技术》，王伯雄等编著，清华大学出版社，2006
u 参考书目：
Ø 《纳米科学与技术》，袁哲俊编著，哈尔滨工业大学出版社，2005 Ø 《微机电系统设计与制造》，莫锦秋等编著，化学工业出版社，
2004 Ø 《微系统原理与技术》，傅建中等编著，机械工业出版社，2005 Ø 《检测技术与系统》，陈岭丽主编，清华大学出版社，2005 Ø 《传感器与测试技术》，李晓莹主编，高等教育出版社，2004 Ø 《机电工程智能检测技术与系统》，朱名铨等编著，高等教育出版社，
体硅加工
硅表面微加工
光刻
硅微细加工
激光加工
微细超声加工
能束加工
LIGA加工 准LIGA加工
微细电解加工
光刻电铸加工
微细电火花加工
精密加工
立体光刻
u 功能材料
Ø 高分子材料：聚酰亚胺、PMMA Ø 敏感材料：压阻、压电、热敏、光敏、其他 Ø 致动材料：压电、形状记忆合金、磁性材料等
《微纳米检测技术》
1.3 微机电系统技术
MEMS工艺手段
自停止 各向 腐蚀 异性
腐蚀
深层 离子 刻蚀 电化学
腐蚀
牺牲 层腐 蚀
等离子及 反应离子 刻蚀
淀积
扩散
离子束加工 电子束加工