微电子机械系统 MEMS 第一章
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IC technology Precision Batch fabrication
Integrated multiple functions
Improved performance Low manufacturing cost & time Light, compact, Portability Ruggedness Low power consumption Easily and massively deployed Easily maintained and replaced Little harm to environment
种思路。
量子物理学可以用做微尺度下对材料和物质的某种物理行为建模的基础。 分子物理学提供很多有用的模型用于描述微尺度材料 , 以及描述微系统中
应用的材料的特性和特征的变化。
分子动力学原理是描述纳米尺度材料的力学性能的主要建模工具。
MEMS和微系统概论
在微系统结构设计和部件封装中首先涉及的是机械工程原理，包括各种 各样的设计分析。
电子工程包括电能供应和功能控制以及信号处理电路设计。对于集成微
系统, 例如“芯片上的实验室”, 将微电子和微系统集成在一起的集成电 路和微电子电路使电子工程成为设计和制造工艺中的关键因素。
化学工程是微加工和微制造中的基本组成部分。几乎所有工艺和微器件
封装技术也依赖特殊的化学反应。 材料工程为微加工、制造, 以及封装提供可选择的材料。分子物理学的原
一个集成电路( IC) 芯片里。大概3mm×2mm, 微加速度
计占了芯片面积的10%左右。
MEMS和微系统概论
微系统设计和制造的多学科性质
MEMS和微系统概论
电化学被广泛用于将基底离子化的电解中和化学传感器的设计。 电液动力学原理用于在微管道和导管中驱动流体流动 , 例如毛细流体流动。 分子生物学在生物传感器和生物医学设备的设计和制造中有密切的关系 等离子物理学包括高能的离子化气体的产生和供应 , 这是一些腐蚀和沉积 工艺所需要的。 尺寸效应为工程师提供了理解微器件设计中涉及的物理量按比例缩小的一
微电子机械系统（MEMS）
MEMS 和微系统—设计与制造 MEMS & Microsystems—Design and Manufacture
(美) 徐泰然( Tai-Ran Hsu) 著
王晓浩， 冯焱颖， 熊继军 ，杨 兴， 蓝金辉 译
周兆英， 冯焱颖， 杨 兴 校
课程安排
40学时， 9月11日--12月18日，12月25日考试 杨晋玲：MEMS和微系统概论；微系统工作原理； 微系统设计和制作的工程科学和工程力学；12学时 朱银芳：热流体及微系统设计；6学时 袁泉： MEMS小型化规律等。6学时
shrinkng down existing devices; it is about completely rethinking the structure of a microsystem. Basic physics and operation principles including scaling laws need to be fully understood at macro and microlevel. Sometimes no advantages in performance, size/weight, reliability and cost can be gained with a MEMS device
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 嵌入大尺寸系统中，把自动化、智能化和可靠性提高到一个新的水平。21
世纪MEMS将逐步从实验室走向实用化，对工农业、信息、环境、生物工
程、医疗、空间技术、国防和科学发展产生重大影响。
MEMS和微系统概论
General advantages of MEMS
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）批量生产：在一片晶片上可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。
微机电系统的特点
4） 集成化：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
Source: M. Madou, “Fundamentals of Microfabrication
微系统和微电子
微电子
使用单晶硅片、硅化合物、塑料 传输电流以实现特定的电路功能 固定的结构 主要是2 维结构 基底上高密度的复杂图形 少量元件装配
MEMS和微系统概论
TR on IC MEMS Diced chip Cell phone
TV
10-6
10-5
10-4
Human hair
10-3
10-2
10-1
100
101
Dimension (meters)
Ant Pump
Human
Ant’s eye segment
MEMS
MEMS和微系统概论
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
的集成可制造出可靠性、稳定性很高的MEMS。 5） 多学科交叉：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。 MEMS发展的目标
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
Miniaturization
MEMS和微系统概论
一个MEMS 是为了获得一定的工程功能。 核心元件包含两类: 传感或致动元件和信号传输单元。
MEMS 微传感器
微传感器是为了感知某些物理、化学或生物量, 如：温度、压力、力、声、 光、核辐射、磁通量, 以及化学成分等。微传感器具有可以灵敏、准确地测 量所测目标、样品量小、可以批量制造等优点。
Some of these miniaturization issues include: Friction is greater than inertia. Capillary, electrostatic, atomic force and stiction is significant Heat dissipation is greater than storage, thermal transport properties could be a problem, or a big benefit Fluidic and mass transport properties are very crucial. Tiny flow spaces are prone to blockage or regulate fluid movement Material properties (E, v, grain structure) and mechanical theory may be size dependent Integration with on-chip circuitry is complex and device/domain specific. Miniature device packaging and testing is not straightforward. Cost for the success of a MEMS device, it needs to leverage its IC batch fabrication resources and be mass-produced. Hence mass-market drivers must be found to generate high-volume production
Mechanical components in MEMS, like transistors in microelectronics, have dimensions that are measured in microns and numbers measured from a few to millions. MEMS is not about any one single application or device, nor is it defined by a single fabrication process or limited to a few materials. MEMS is an extremely diverse technology that could significantly affect every category of commercial and military product.
Scaling laws
scaling laws
Force F L1 L2 Acceleration a Response time t Powe
F m
L-2 L-1
t
2x a
L1.5 L1 L0.5 L0
P
Fx t
L0.5
L2 V L3.5 L5
MEMS和微系统概论
MEMS 致动器
传输单元将输入能量转换成为传感 器的电压等形式, 执行致动元件的 功能。 有许多种方法可以让微器件结构动 起来。一种常用的致动方法是在充 电的平行平板或被空气等绝缘材料
隔开的电极之间引入静电力。
MEMS和微系统概论
微系统是一个包含MEMS 器件, 面向特定工程任务而设 计的工程系统，介于宏观和微观之间的尺度。微系统包 含微传感器、致动器和处理单元三类主要器件。 微系统中传感器感知的信号被信号转换和处理单元转 换成与致动器兼容的格式。 汽车气囊展开系统严重碰撞中产生的冲击被微惯性传 感器“ 感知”, 传感器产生适当的信号给致动器, 使 气囊打开。 传感器包含两个微加速度计, 被安装在汽车的底盘上。 这两个加速度计与信号转换和处理单元都被集成制造在
宁瑾和赵咏梅：MEMS和微系统材料、制作工艺和方法，9学时
赵咏梅和韩国威：微系统的封装、集成和测试技术，6学时
韩国威：纳米科学简介，1学时
MEMS和微系统概论
MEMS是Micro-Electro-Mechanical System 的缩写
Using the fabrication techniques and materials of microeletronics as a basis, MEMS processes construct both mechanical and electrical components.
P
Fx -1 tV L
L3
L4
L0
L1
L0.5 L2
L0: Time L1/4: van de Waals L1/2: Diffusion L: Distance, Velocity, surface tension L2: Electrostatic force, muscle force, friction thermal losses, piezo-electricity, shape memory alloy L3: Mass, gravity, magnetics, torque, power
理常被用于材料特性的设计, 如半导体材料掺杂。材料工程在化学、生物
和光学传感器的开发中起着关键的作用。 工业工程涉及微系统的生产和装配，制造工艺和控制的优化设计是一个 基本环节。
Miniaturization issues
MEMS is not only about miniaturization. Miniaturization is not just about
Nano manipulation
Nanotube FET
CNT
NEMS
10-10
10-9
10-8
10-7
10-6
Dimension (meters)
ATPase motor Atom DNA Bacteria
微机电系统的特点
MEMS是随着半导体集成电路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。 MEMS的特点： 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
Integrated multiple functions
Improved performance Low manufacturing cost & time Light, compact, Portability Ruggedness Low power consumption Easily and massively deployed Easily maintained and replaced Little harm to environment
种思路。
量子物理学可以用做微尺度下对材料和物质的某种物理行为建模的基础。 分子物理学提供很多有用的模型用于描述微尺度材料 , 以及描述微系统中
应用的材料的特性和特征的变化。
分子动力学原理是描述纳米尺度材料的力学性能的主要建模工具。
MEMS和微系统概论
在微系统结构设计和部件封装中首先涉及的是机械工程原理，包括各种 各样的设计分析。
电子工程包括电能供应和功能控制以及信号处理电路设计。对于集成微
系统, 例如“芯片上的实验室”, 将微电子和微系统集成在一起的集成电 路和微电子电路使电子工程成为设计和制造工艺中的关键因素。
化学工程是微加工和微制造中的基本组成部分。几乎所有工艺和微器件
封装技术也依赖特殊的化学反应。 材料工程为微加工、制造, 以及封装提供可选择的材料。分子物理学的原
一个集成电路( IC) 芯片里。大概3mm×2mm, 微加速度
计占了芯片面积的10%左右。
MEMS和微系统概论
微系统设计和制造的多学科性质
MEMS和微系统概论
电化学被广泛用于将基底离子化的电解中和化学传感器的设计。 电液动力学原理用于在微管道和导管中驱动流体流动 , 例如毛细流体流动。 分子生物学在生物传感器和生物医学设备的设计和制造中有密切的关系 等离子物理学包括高能的离子化气体的产生和供应 , 这是一些腐蚀和沉积 工艺所需要的。 尺寸效应为工程师提供了理解微器件设计中涉及的物理量按比例缩小的一
微电子机械系统（MEMS）
MEMS 和微系统—设计与制造 MEMS & Microsystems—Design and Manufacture
(美) 徐泰然( Tai-Ran Hsu) 著
王晓浩， 冯焱颖， 熊继军 ，杨 兴， 蓝金辉 译
周兆英， 冯焱颖， 杨 兴 校
课程安排
40学时， 9月11日--12月18日，12月25日考试 杨晋玲：MEMS和微系统概论；微系统工作原理； 微系统设计和制作的工程科学和工程力学；12学时 朱银芳：热流体及微系统设计；6学时 袁泉： MEMS小型化规律等。6学时
shrinkng down existing devices; it is about completely rethinking the structure of a microsystem. Basic physics and operation principles including scaling laws need to be fully understood at macro and microlevel. Sometimes no advantages in performance, size/weight, reliability and cost can be gained with a MEMS device
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 嵌入大尺寸系统中，把自动化、智能化和可靠性提高到一个新的水平。21
世纪MEMS将逐步从实验室走向实用化，对工农业、信息、环境、生物工
程、医疗、空间技术、国防和科学发展产生重大影响。
MEMS和微系统概论
General advantages of MEMS
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）批量生产：在一片晶片上可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。
微机电系统的特点
4） 集成化：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
Source: M. Madou, “Fundamentals of Microfabrication
微系统和微电子
微电子
使用单晶硅片、硅化合物、塑料 传输电流以实现特定的电路功能 固定的结构 主要是2 维结构 基底上高密度的复杂图形 少量元件装配
MEMS和微系统概论
TR on IC MEMS Diced chip Cell phone
TV
10-6
10-5
10-4
Human hair
10-3
10-2
10-1
100
101
Dimension (meters)
Ant Pump
Human
Ant’s eye segment
MEMS
MEMS和微系统概论
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
的集成可制造出可靠性、稳定性很高的MEMS。 5） 多学科交叉：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。 MEMS发展的目标
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
Miniaturization
MEMS和微系统概论
一个MEMS 是为了获得一定的工程功能。 核心元件包含两类: 传感或致动元件和信号传输单元。
MEMS 微传感器
微传感器是为了感知某些物理、化学或生物量, 如：温度、压力、力、声、 光、核辐射、磁通量, 以及化学成分等。微传感器具有可以灵敏、准确地测 量所测目标、样品量小、可以批量制造等优点。
Some of these miniaturization issues include: Friction is greater than inertia. Capillary, electrostatic, atomic force and stiction is significant Heat dissipation is greater than storage, thermal transport properties could be a problem, or a big benefit Fluidic and mass transport properties are very crucial. Tiny flow spaces are prone to blockage or regulate fluid movement Material properties (E, v, grain structure) and mechanical theory may be size dependent Integration with on-chip circuitry is complex and device/domain specific. Miniature device packaging and testing is not straightforward. Cost for the success of a MEMS device, it needs to leverage its IC batch fabrication resources and be mass-produced. Hence mass-market drivers must be found to generate high-volume production
Mechanical components in MEMS, like transistors in microelectronics, have dimensions that are measured in microns and numbers measured from a few to millions. MEMS is not about any one single application or device, nor is it defined by a single fabrication process or limited to a few materials. MEMS is an extremely diverse technology that could significantly affect every category of commercial and military product.
Scaling laws
scaling laws
Force F L1 L2 Acceleration a Response time t Powe
F m
L-2 L-1
t
2x a
L1.5 L1 L0.5 L0
P
Fx t
L0.5
L2 V L3.5 L5
MEMS和微系统概论
MEMS 致动器
传输单元将输入能量转换成为传感 器的电压等形式, 执行致动元件的 功能。 有许多种方法可以让微器件结构动 起来。一种常用的致动方法是在充 电的平行平板或被空气等绝缘材料
隔开的电极之间引入静电力。
MEMS和微系统概论
微系统是一个包含MEMS 器件, 面向特定工程任务而设 计的工程系统，介于宏观和微观之间的尺度。微系统包 含微传感器、致动器和处理单元三类主要器件。 微系统中传感器感知的信号被信号转换和处理单元转 换成与致动器兼容的格式。 汽车气囊展开系统严重碰撞中产生的冲击被微惯性传 感器“ 感知”, 传感器产生适当的信号给致动器, 使 气囊打开。 传感器包含两个微加速度计, 被安装在汽车的底盘上。 这两个加速度计与信号转换和处理单元都被集成制造在
宁瑾和赵咏梅：MEMS和微系统材料、制作工艺和方法，9学时
赵咏梅和韩国威：微系统的封装、集成和测试技术，6学时
韩国威：纳米科学简介，1学时
MEMS和微系统概论
MEMS是Micro-Electro-Mechanical System 的缩写
Using the fabrication techniques and materials of microeletronics as a basis, MEMS processes construct both mechanical and electrical components.
P
Fx -1 tV L
L3
L4
L0
L1
L0.5 L2
L0: Time L1/4: van de Waals L1/2: Diffusion L: Distance, Velocity, surface tension L2: Electrostatic force, muscle force, friction thermal losses, piezo-electricity, shape memory alloy L3: Mass, gravity, magnetics, torque, power
理常被用于材料特性的设计, 如半导体材料掺杂。材料工程在化学、生物
和光学传感器的开发中起着关键的作用。 工业工程涉及微系统的生产和装配，制造工艺和控制的优化设计是一个 基本环节。
Miniaturization issues
MEMS is not only about miniaturization. Miniaturization is not just about
Nano manipulation
Nanotube FET
CNT
NEMS
10-10
10-9
10-8
10-7
10-6
Dimension (meters)
ATPase motor Atom DNA Bacteria
微机电系统的特点
MEMS是随着半导体集成电路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。 MEMS的特点： 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