电科专业--微电子机械系统 第一章 总论

Micro-Electro-Mechanical System 微电子机械系统

杨红官

电子科学与技术系

Micro-Electro-Mechanical System

微电子机械系统分章目录第一章总论

第章集成电路的基本制造技术

第二章

第三章MEMS的制造技术

第四章CMOS力学传感器

第五章CMOS RF MEMS

第六章CMOS声学与热学器件

第七章CMOS生物化学传感器

第八章MEMS微执行器

第九章接口电路与系统集成

第一章总论

第章

§1.1 什么是MEMS？§1.2 MEMS器件技术§1.3 MEMS设计技术§1.4 MEMS加工技术§1.5 从MEMS到NEMS

第一章总论

第章

§1.1 什么是MEMS？§1.2 MEMS器件技术§1.3 MEMS设计技术§1.4 MEMS加工技术§1.5 从MEMS到NEMS

Æ随着微电子技术的不断发展，微电子机械系统（Micro-Electro-Mechanical ）越来越受到人们的关注

Æ所谓MEMS ，是指在微米量级设计和制造，集成了多种元件，并适宜于低成本大批量生产的系统System ，MEMS ）越来越受到人们的关注。大批量生产的系统。

ÆMEMS 技术是随着IC 微细加工技术和超精密机械加工技术的发展而发展起来的，是将微电子和微机械加工技术融为一体的系统。

Æ从广义上讲，MEMS 是集各种传感器、控制器、执行器、信号处理、控制电路和接口单元于一体，具有信息采集、处理和执行等功能，是一种智能化的微型光

机电一体化系统。

Æ1959年就有科学家提出微电子机械系统的设想。1962年第一个硅微型压力传感器问世其后尺寸为~的齿轮齿轮泵气动涡轮及连接件等开发出来

问世。其后尺寸为50μm~ 500μm 的齿轮、齿轮泵、气动涡轮及连接件等开发出来。Æ1987年加州大学伯克利分校研制出转子直径为60μm ~ 120μm的硅微型静电电机，显示出利用硅微机械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。

Æ不同国家对这项技术的称谓不一，美国称微电子机械系统（MEMS），日本称微机械（Micro-Machine），欧洲称微系统（Micro-System）。国内称MEMS 。

ÆMEMS技术是一个多学科交叉的高新技术领域，将对人类生活产生革命性的影响，它能提供许多新的信息获取手段，更高效的信息处理系统以及智能化的执行

控制设备，涉及机械、电子、化学、物理、光学、生物、材料等多个学科。

一个完整的微电子机械系统模型图

ÆMEMS发展的目标在于，通过微型化、集成化来探索新原理、新功能的元件和系统，开辟一个新技术领域和产业。MEMS可以完成大尺寸机电系统所不能完成的任务，也可以嵌入到大尺寸系统中，把自动化、智能化和可靠性提高到个新的水平。

也可以嵌入到大尺寸系统中，把自动化、智能化和可靠性提高到一个新的水平。

¾MEMS具有的特点：

⑴微型化：器件体积小，重量轻，耗能低，惯性小，谐振频率高，响应时间短。

微型化器件体积小重量轻耗能低惯性小谐振频率高响应时间短

⑵硅为主要材料，机械电气性能优良：硅的强度、硬度和弹性模量与不锈钢相当，

密度类似铝，热导率接近钼和钨。

密度类似铝热导率接近钼和钨

⑶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微型机电装置，或

完的微子机械系统可大大降低成本

完整的微电子机械系统，可大大降低成本。

⑷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和执行器集成

于体或形成微传感器阵列微执行器阵列甚把多种功能的器件集成在起形于一体，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。

⑸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

学和生物等学科，并集约了当今科学技术发展的许多尖端成果。

¾MEMS器件和系统具有广泛的应用前景

⑴精微作业和精微测量，例如细胞的操作与检测。

精微作业和精微测量例如细胞的操作与检测

⑵小型精密分析机械，例如扫描隧穿显微镜的探针运动控制、光盘机的光学读头等。

⑶微量流体控制，例如微型泵、微型阀门、微量成分分析等。

微型机器人，即具有感知外界及自身状态，按规定行为动作的、能在恶劣环境或⑷微型机器人即具有感知外界及自身状态按规定行为动作的能在恶劣环境或狭小空间作业的全新功能的机器人。如人体内的微型手术，核电站的装置精密维修，航天航空装备的维修等。

⑸微型惯性测量组合可以用在航天、航空、航海和汽车领域，在导弹制导、引信、微小卫星等技术中有广泛的应用前景。

¾MEMS器件和系统具有广泛的应用前景

⑹综合了光学功能的微光机电系统（MOEMS）应用于光通信可以极大提高通信系统带宽、速度等整体性能，实现全光网络与光电集成。

⑺射频微电子机械系统（RF MEMS）应用于无线通信可以大大提高无线通信的带宽和效率，提高传输距离。

⑻生物微电子机械系统应用于基因检测和蛋白质检测等生命科学技术，可以极大地提高检测速度和准确度。

⑼MEMS技术还可应用于海量存储、数字显示、计算机外设等信息领域。

Micro-Electro-Mechanical System

Æ美国国防部为保持美国的军事领先优势，将MEMS 作为发展新型高科技武器的方向，集中投入资金，在9个领域内采用MEMS 技术提高武器性能。

⑴用于武器制导和个人导航的惯性导航组合。

⑵用于超小型、超低功率无线通信的机电信号处理。

⑶用于军需跟踪、环境监控、安全勘察和无人值守分布式传感器。

⑷用于小型分析仪器、推进和燃烧控制的集成流量系统。

⑸武器安全、保险和引信。

武器安险信

⑹用于有条件保养的嵌入式传感器和执行器。

⑺用于高密度、低功耗的大量数据存储器件。

⑻用于敌友识别系统、显示系统和光纤开关的集成光学机械器件。

用于飞机分布式空气动力学控制和自适应光学的主动的共型表面

⑼用于飞机分布式空气动力学控制和自适应光学的主动的、共型表面。