MEMS技术及其应用
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
MBiblioteka BaiduMS技术及其应用
主要内容
MEMS技术简介
MEMS技术应用
微机械制造技术
MEMS器件
MEMS简介
What is MEMS Technology?
MEMS (microelectromechanical systems) are devices that involve integrated micro-devices or systems, usually comprised of electrical and mechanical components, produced using microelectronics-compatible batch-processing techniques. These systems merge computation with sensing and actuation to perceive the physical world at a miniaturized level.
控制部分 电子学
微电子学
机械 部分 传感 执行 MEMS
从广义上讲，MEMS是指集微型传感器、微型执行器以及 信号处理和控制电路，甚至接口电路、通信和电源于一 体的微型机电系统。 图是一典型的MEMS示意图。由传感器、信息处理单元。 执行器和通讯/接口单元等组成。其输入是物理信号， 通过传感器转换为电信号，经过信号处理（模拟的和/ 或数字的）后，由执行器与外界作用。每一个微系统可 以采用数字或模拟信号（电、光、磁等物理量）与其它 微系统进行通信
微电子机械系统是以微电子、微机械及材料科学为基础，研究、设计 和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 和微系统等方面）的一门科学。
1959年就有科学家提出微型机械的设想，但直到1962年 才出现属于微机械范畴的产品—硅微型压力传感器。其 后尺寸为50～500微米的齿轮、齿轮泵、气动蜗轮及联 接件等微型机构相继问世。而1987年由华裔留美学生冯 龙生等人研制出转子直径为60微米和100微米的硅微型 静电电机，显示出利用硅微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，在国际上引起 轰动，科幻小说中描述把自己变成小昆虫钻到别人的居 室或心脏中去的场景将要成为现实展现在人们面前。同 时，也标志着微电子机械系统(MEMS)的诞生。
1、微型化特点
4、集成化特点
2、多样化特点
3、稳定性特点
5、批量化特点
6、广义化特点
MEMS的应用
Application Fields of MEMS
由于MEMS器件和系统具有体积小、重量 轻、功耗小、成本低、可靠性高、性能优异、 功能强大、可以批量生产等传统传感器无法比 拟的优点，因此在航空、航天、汽车、生物医 学、环境监测、军事以及几乎人们接触到的所 有领域中都有着十分广阔的应用前景。
德国
其他 中国
我国对MEMS的研究简介
我国在MEMS方面的研究始于1989年，在国家 “八五”、“九五”计划期间，得到了国家自然 科学基金委、国家科技部、教育司、中国科学院 和总装备部的积极支持，经费总投入约为1.5亿 目前不同层次的内地研究单位有60余个，如： 人民币。“十五”期间，MEMS被正式列入863 清华大学、北京大学、上海微系统与信息技术 计划中的重大专项，加上教育部的教育振兴计划、 所、北京半导体所、上海交大、东南大学、石 中国科学院的知识创新体系、基金委和科技部新 家庄十三所、浙江大学、厦门大学、哈尔滨工 MEMS研究在我国已形成了如下几个方向：微 的立项以及地方和企业的投入，总经费可达3亿 业大学、西安交大、大连理工大学、华中科技 型惯性器件和惯性测量组合；机械量微型传感 元人民币以上。 大学、长春光机所、中国科技大学、天津大学、 器和致动器；微流量器件和系统；生物传感器、 南开大学和吉林大学等。 生物芯片和微操作系统；微型机器人；硅和非 中国MEMS研究的覆盖面是比较宽的，增长速 发达国家的MEMS发展过程表明，实现MEMS 硅制造工艺。 度是比较快的，然而，中国的MEMS研究多集 的实用化和产业化才能够给中国MEMS发展带 中在高校和非产业化的研究所，研制的器件和 来希望，从我国集成电路（IC）的发展历程可 系统大多数没有达到产前样机的水平，中国 以更好地理解MEMS产业化的重要意义。 MEMS发展中的实用化和产业化还存在很严重 的缺陷。
MEMS定义
早在二十世纪六十年代，在硅集成电路制造技术发明不久，研究人 员就想利用这些制造技术和利用硅很好的机械特性，制造微型机械部件， 如微传感器、微执行器等。如果把微电子器件同微机械部件做在同一块
硅片上，就是微机电系统——MEMS: Microelectromechanical
System。
由于MEMS是微电子同微机械的结合，如果把微电子电路比作人 的大脑，微机械比作人的五官（传感器）和手脚（执行器），两者的 紧密结合，就是一个功能齐全而强大的微系统。
1981年 水晶微机械 (Yokogawa Electric) 1982年“Silicon as a mechanical material” (K. Petersen)
1983年 集成化压力传感器 (Honeywell)
1985年 LIGA工艺 (W. Ehrfeld et al.) 1986年 硅键合技术 (M. Shimbo)
经费投入
研究机构
研究方向
研究特点
MEMS的发展过程
20世纪60年代 ：
采用将传感器和电子线路集成在一个芯片上的设计思想来制作集成传感器 。
20世纪60年代后期： 硅刻蚀技术用于制作能将压力转换为电信号的应变薄膜结构。
20世纪70年代 ： 人们使用硅各向异性选择性腐蚀制作薄膜，掺杂以及基于电化学的腐 蚀停刻技术也出现了，随之而来的是“体硅加工”技术。
MEMS的应用领域
1、MEMS在空间科学上的应用
2、MEMS在军事国防上的应用
3、MEMS在汽车工业上的应用
4、MEMS在医疗和生物技术上的应用 5、MEMS在环境科学上的应用
6、MEMS在信息技术领域中的应用
MEMS在导航、飞行器设计和 微型卫星等方面有着重要应用。 如：基于航天领域里的小卫星、 采用体微加工技术制作的各种 微卫星、纳米卫星和皮米卫星 用MEMS技术制造的微型飞行 微泵、微阀、微镊子、微沟槽 的概念，提出了全硅卫星的设 器、战场侦察传感器、智能军 和微流量计等器件适合于操作 计方案 ，整个卫星的重量缩小 汽车发动机控制模块是最早使 用机器人和其他MEMS器件， 生物细胞和生物大分子。由于 到以千克计算，进而大幅度降 用MEMS技术的汽车装备，在 利用MEMS技术制造的微型仪 在军事上的无人技术领域发挥 MEMS器件的体积小，能够进 低成本，使较密集的分布式卫 汽车领域应用最多的是微加速 器在环境检测、分析和处理方 着重要作用。美国采用MEMS 入很小的器官和组织，同时又 星系统成为现实。 度计和微压力传感器，并且以 面大有作为，它们主要是由化 技术已制成尺寸只有10cm×10 MEMS技术的发展对信息技术 能进行细微精细的操作，因此 每年20%的比例在迅速增长。 学传感器、生物传感器和数据 cm的微型侦察机。 产生了深远的影响。近年来， 可以大大提高介入治疗的精度， 此外，角速度计也是应用于汽 处理系统组成的微型测量和分 MEMS又逐渐向光通讯领域渗 降低医疗风险。 车行业的重要MEMS传感器， 析设备,其优势在于体积小、价 透，形成了由微光学、微电子 它可用于车轮的侧滑控制。 格低、功耗小和易于携带。 学、微机械学和材料科学相结 合的全新研究领域，即微光电 子机械系统（MOEMS）。
1987年 微型齿轮 (UC Berkeley)
1988年 压力传感器的批量生产 (Nova Sensor) 1988年 微静电电机 (UC Berkeley)
MEMS的发展过程的重要历史事件
1992年
1993年 1994年
体硅加工工艺 (SCREAM process, Cornell)
1967年
1973年 1977年
硅各向异性深度刻蚀 (H.A. Waggener)
微型离子敏场效应管 (Tohoku University) 电容式硅压力传感器 (Stanford)
MEMS的发展过程的重要历史事件
1979年 集成化气体色谱仪 (C.S. Terry, J.H. Jerman, J.B.Angell)
在汽车上的应用
MEMS传感器及其组成的微型惯性测量组合在汽车 自动驾驶、汽车防撞气囊、汽车防抱死系统 （ABS）、减震系统、防盗系统等。GPS定位系统. *在汽车里作为加速表来控制碰撞时安全气囊防护 系统的施用 * 在汽车里作为陀螺来测定汽车倾斜，控制动态 稳定控制系统 * 在轮胎里作为压力传感器，
MEMS的发展过程
20世纪80年代：
“表面微加工”技术在加速度计、压力传感器和其他微电子 机械结构制作中得到了应用。
1982年，K. Petersen的综述性论文 “Silicon as a mechanical materials” ，概 括了当时MEMS最高水平的微加工技术和 微机械器件，被看作是MEMS研究进入系 统化阶段的标志，开创了MEMS发展的纪 元。
20世纪80年代后期：
MEMS在世界范围内受到了广泛重视，在美国、欧洲和亚洲，投入 的研究资金和研究人员都以令人惊讶的速度在大幅增长。MEMS正 在处于蓬勃发展的关键时期，不断地有新型器件和新型技术给予 报道，人们见证了基于MEMS技术的喷墨打印头、压力传感器、流 量计、加速度计、陀螺仪、非冷却红外成像仪和光学投影仪等设 备的不断开发和产业化的进程。（如同IC）
世界上第一个微静电马达
各国对MEMS的研究
MEMS自20世纪80年代中期发展至今一直受到世 界各个国家的广泛重视，许多有影响的大专院校和 研究机构纷纷投巨资建立实验室，投入到MEMS的 研究开发中。
美国 日本 在美国政府巨额经费的资助下，包括麻省理工大 学、加州大学伯克利分校、斯坦福大学、IBM、 AT&T等三十余个大学、国家实验室和民间实验 1991年，日本成立了国家MEMS开发中心，并 机构都投入到这个项目的研究中，取得了令人瞩 在10年内投入了250亿日元开展“微型机械技术” 目的研究成果。至今美国的科学家不仅已经制作 德国的卡尔斯鲁研究中心在1987年提出了LIGA 研究开发。由于高强度的资金支持，日本在一 出各种整体尺寸几百微米量级的微机械部件，能 工艺而闻名于世，该技术采用X射线曝光和精 些MEMS研究方面也达到了世界领先地位。此 够将它们应用到各类传感器的制作中，而且有相 密电镀相结合，将半导体工艺技术的准三维加 外，日本发展了微细电火花EDM、超声波加工、 此外，如荷兰、英国、俄罗斯、新加坡、加拿 当种类的MEMS器件实现了产业化。 工推向真正的三维加工，加工深度可达几百微 激光纳米加工等的精密加工技术。 大、以色列、韩国、台湾等国家和地区也取得 米，并且具有更高的尺寸精度，现在这种工艺 了相当不错的研究成果。 已被许多国家的研究人员所采用。
MEMS的发展过程的重要历史事件
1939年
1948年 1954年 1958年 1959年 1962年 1965年
P-N结半导体 (W. Schottky)
晶体管 (J. Bardeen, W.H. Brattain, W. Shockley) 半导体压阻效应 (C.S. Smith) 集成电路（IC） (J.S. Kilby) “There is plenty of room at the bottom” (R. Feynman) 硅集成压力驱动器 (O.N. Tufte, P.W. Chapman, D. Long) 表面微机械加速度计 (H.C. Nathanson, R.A. Wichstrom)
数字微镜显示器件 (Texas Instruments) 商业化表面微机械加速度计 (Analog Devices)
1999年
光网络开关阵列 (Lucent)
What is the peculiarity of MEMS technology?
MEMS是受到集成电路工艺的启发而发展起来的，它不仅具有集 成电路系统的许多优点，同时集约了多种学科发展的尖端成果。
主要内容
MEMS技术简介
MEMS技术应用
微机械制造技术
MEMS器件
MEMS简介
What is MEMS Technology?
MEMS (microelectromechanical systems) are devices that involve integrated micro-devices or systems, usually comprised of electrical and mechanical components, produced using microelectronics-compatible batch-processing techniques. These systems merge computation with sensing and actuation to perceive the physical world at a miniaturized level.
控制部分 电子学
微电子学
机械 部分 传感 执行 MEMS
从广义上讲，MEMS是指集微型传感器、微型执行器以及 信号处理和控制电路，甚至接口电路、通信和电源于一 体的微型机电系统。 图是一典型的MEMS示意图。由传感器、信息处理单元。 执行器和通讯/接口单元等组成。其输入是物理信号， 通过传感器转换为电信号，经过信号处理（模拟的和/ 或数字的）后，由执行器与外界作用。每一个微系统可 以采用数字或模拟信号（电、光、磁等物理量）与其它 微系统进行通信
微电子机械系统是以微电子、微机械及材料科学为基础，研究、设计 和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 和微系统等方面）的一门科学。
1959年就有科学家提出微型机械的设想，但直到1962年 才出现属于微机械范畴的产品—硅微型压力传感器。其 后尺寸为50～500微米的齿轮、齿轮泵、气动蜗轮及联 接件等微型机构相继问世。而1987年由华裔留美学生冯 龙生等人研制出转子直径为60微米和100微米的硅微型 静电电机，显示出利用硅微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，在国际上引起 轰动，科幻小说中描述把自己变成小昆虫钻到别人的居 室或心脏中去的场景将要成为现实展现在人们面前。同 时，也标志着微电子机械系统(MEMS)的诞生。
1、微型化特点
4、集成化特点
2、多样化特点
3、稳定性特点
5、批量化特点
6、广义化特点
MEMS的应用
Application Fields of MEMS
由于MEMS器件和系统具有体积小、重量 轻、功耗小、成本低、可靠性高、性能优异、 功能强大、可以批量生产等传统传感器无法比 拟的优点，因此在航空、航天、汽车、生物医 学、环境监测、军事以及几乎人们接触到的所 有领域中都有着十分广阔的应用前景。
德国
其他 中国
我国对MEMS的研究简介
我国在MEMS方面的研究始于1989年，在国家 “八五”、“九五”计划期间，得到了国家自然 科学基金委、国家科技部、教育司、中国科学院 和总装备部的积极支持，经费总投入约为1.5亿 目前不同层次的内地研究单位有60余个，如： 人民币。“十五”期间，MEMS被正式列入863 清华大学、北京大学、上海微系统与信息技术 计划中的重大专项，加上教育部的教育振兴计划、 所、北京半导体所、上海交大、东南大学、石 中国科学院的知识创新体系、基金委和科技部新 家庄十三所、浙江大学、厦门大学、哈尔滨工 MEMS研究在我国已形成了如下几个方向：微 的立项以及地方和企业的投入，总经费可达3亿 业大学、西安交大、大连理工大学、华中科技 型惯性器件和惯性测量组合；机械量微型传感 元人民币以上。 大学、长春光机所、中国科技大学、天津大学、 器和致动器；微流量器件和系统；生物传感器、 南开大学和吉林大学等。 生物芯片和微操作系统；微型机器人；硅和非 中国MEMS研究的覆盖面是比较宽的，增长速 发达国家的MEMS发展过程表明，实现MEMS 硅制造工艺。 度是比较快的，然而，中国的MEMS研究多集 的实用化和产业化才能够给中国MEMS发展带 中在高校和非产业化的研究所，研制的器件和 来希望，从我国集成电路（IC）的发展历程可 系统大多数没有达到产前样机的水平，中国 以更好地理解MEMS产业化的重要意义。 MEMS发展中的实用化和产业化还存在很严重 的缺陷。
MEMS定义
早在二十世纪六十年代，在硅集成电路制造技术发明不久，研究人 员就想利用这些制造技术和利用硅很好的机械特性，制造微型机械部件， 如微传感器、微执行器等。如果把微电子器件同微机械部件做在同一块
硅片上，就是微机电系统——MEMS: Microelectromechanical
System。
由于MEMS是微电子同微机械的结合，如果把微电子电路比作人 的大脑，微机械比作人的五官（传感器）和手脚（执行器），两者的 紧密结合，就是一个功能齐全而强大的微系统。
1981年 水晶微机械 (Yokogawa Electric) 1982年“Silicon as a mechanical material” (K. Petersen)
1983年 集成化压力传感器 (Honeywell)
1985年 LIGA工艺 (W. Ehrfeld et al.) 1986年 硅键合技术 (M. Shimbo)
经费投入
研究机构
研究方向
研究特点
MEMS的发展过程
20世纪60年代 ：
采用将传感器和电子线路集成在一个芯片上的设计思想来制作集成传感器 。
20世纪60年代后期： 硅刻蚀技术用于制作能将压力转换为电信号的应变薄膜结构。
20世纪70年代 ： 人们使用硅各向异性选择性腐蚀制作薄膜，掺杂以及基于电化学的腐 蚀停刻技术也出现了，随之而来的是“体硅加工”技术。
MEMS的应用领域
1、MEMS在空间科学上的应用
2、MEMS在军事国防上的应用
3、MEMS在汽车工业上的应用
4、MEMS在医疗和生物技术上的应用 5、MEMS在环境科学上的应用
6、MEMS在信息技术领域中的应用
MEMS在导航、飞行器设计和 微型卫星等方面有着重要应用。 如：基于航天领域里的小卫星、 采用体微加工技术制作的各种 微卫星、纳米卫星和皮米卫星 用MEMS技术制造的微型飞行 微泵、微阀、微镊子、微沟槽 的概念，提出了全硅卫星的设 器、战场侦察传感器、智能军 和微流量计等器件适合于操作 计方案 ，整个卫星的重量缩小 汽车发动机控制模块是最早使 用机器人和其他MEMS器件， 生物细胞和生物大分子。由于 到以千克计算，进而大幅度降 用MEMS技术的汽车装备，在 利用MEMS技术制造的微型仪 在军事上的无人技术领域发挥 MEMS器件的体积小，能够进 低成本，使较密集的分布式卫 汽车领域应用最多的是微加速 器在环境检测、分析和处理方 着重要作用。美国采用MEMS 入很小的器官和组织，同时又 星系统成为现实。 度计和微压力传感器，并且以 面大有作为，它们主要是由化 技术已制成尺寸只有10cm×10 MEMS技术的发展对信息技术 能进行细微精细的操作，因此 每年20%的比例在迅速增长。 学传感器、生物传感器和数据 cm的微型侦察机。 产生了深远的影响。近年来， 可以大大提高介入治疗的精度， 此外，角速度计也是应用于汽 处理系统组成的微型测量和分 MEMS又逐渐向光通讯领域渗 降低医疗风险。 车行业的重要MEMS传感器， 析设备,其优势在于体积小、价 透，形成了由微光学、微电子 它可用于车轮的侧滑控制。 格低、功耗小和易于携带。 学、微机械学和材料科学相结 合的全新研究领域，即微光电 子机械系统（MOEMS）。
1987年 微型齿轮 (UC Berkeley)
1988年 压力传感器的批量生产 (Nova Sensor) 1988年 微静电电机 (UC Berkeley)
MEMS的发展过程的重要历史事件
1992年
1993年 1994年
体硅加工工艺 (SCREAM process, Cornell)
1967年
1973年 1977年
硅各向异性深度刻蚀 (H.A. Waggener)
微型离子敏场效应管 (Tohoku University) 电容式硅压力传感器 (Stanford)
MEMS的发展过程的重要历史事件
1979年 集成化气体色谱仪 (C.S. Terry, J.H. Jerman, J.B.Angell)
在汽车上的应用
MEMS传感器及其组成的微型惯性测量组合在汽车 自动驾驶、汽车防撞气囊、汽车防抱死系统 （ABS）、减震系统、防盗系统等。GPS定位系统. *在汽车里作为加速表来控制碰撞时安全气囊防护 系统的施用 * 在汽车里作为陀螺来测定汽车倾斜，控制动态 稳定控制系统 * 在轮胎里作为压力传感器，
MEMS的发展过程
20世纪80年代：
“表面微加工”技术在加速度计、压力传感器和其他微电子 机械结构制作中得到了应用。
1982年，K. Petersen的综述性论文 “Silicon as a mechanical materials” ，概 括了当时MEMS最高水平的微加工技术和 微机械器件，被看作是MEMS研究进入系 统化阶段的标志，开创了MEMS发展的纪 元。
20世纪80年代后期：
MEMS在世界范围内受到了广泛重视，在美国、欧洲和亚洲，投入 的研究资金和研究人员都以令人惊讶的速度在大幅增长。MEMS正 在处于蓬勃发展的关键时期，不断地有新型器件和新型技术给予 报道，人们见证了基于MEMS技术的喷墨打印头、压力传感器、流 量计、加速度计、陀螺仪、非冷却红外成像仪和光学投影仪等设 备的不断开发和产业化的进程。（如同IC）
世界上第一个微静电马达
各国对MEMS的研究
MEMS自20世纪80年代中期发展至今一直受到世 界各个国家的广泛重视，许多有影响的大专院校和 研究机构纷纷投巨资建立实验室，投入到MEMS的 研究开发中。
美国 日本 在美国政府巨额经费的资助下，包括麻省理工大 学、加州大学伯克利分校、斯坦福大学、IBM、 AT&T等三十余个大学、国家实验室和民间实验 1991年，日本成立了国家MEMS开发中心，并 机构都投入到这个项目的研究中，取得了令人瞩 在10年内投入了250亿日元开展“微型机械技术” 目的研究成果。至今美国的科学家不仅已经制作 德国的卡尔斯鲁研究中心在1987年提出了LIGA 研究开发。由于高强度的资金支持，日本在一 出各种整体尺寸几百微米量级的微机械部件，能 工艺而闻名于世，该技术采用X射线曝光和精 些MEMS研究方面也达到了世界领先地位。此 够将它们应用到各类传感器的制作中，而且有相 密电镀相结合，将半导体工艺技术的准三维加 外，日本发展了微细电火花EDM、超声波加工、 此外，如荷兰、英国、俄罗斯、新加坡、加拿 当种类的MEMS器件实现了产业化。 工推向真正的三维加工，加工深度可达几百微 激光纳米加工等的精密加工技术。 大、以色列、韩国、台湾等国家和地区也取得 米，并且具有更高的尺寸精度，现在这种工艺 了相当不错的研究成果。 已被许多国家的研究人员所采用。
MEMS的发展过程的重要历史事件
1939年
1948年 1954年 1958年 1959年 1962年 1965年
P-N结半导体 (W. Schottky)
晶体管 (J. Bardeen, W.H. Brattain, W. Shockley) 半导体压阻效应 (C.S. Smith) 集成电路（IC） (J.S. Kilby) “There is plenty of room at the bottom” (R. Feynman) 硅集成压力驱动器 (O.N. Tufte, P.W. Chapman, D. Long) 表面微机械加速度计 (H.C. Nathanson, R.A. Wichstrom)
数字微镜显示器件 (Texas Instruments) 商业化表面微机械加速度计 (Analog Devices)
1999年
光网络开关阵列 (Lucent)
What is the peculiarity of MEMS technology?
MEMS是受到集成电路工艺的启发而发展起来的，它不仅具有集 成电路系统的许多优点，同时集约了多种学科发展的尖端成果。