微机电系统MEMS简介课件.ppt
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- 微机 系统 MEMS 简介 课件
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1、 早在二十世纪六十年代,在硅集成电路制造技术发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,就是微机电系统上,就是微机电系统MEMS:Microelectromechanical System。由于由于MEMS是微电子同微机械的结合,如果把微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
2、五官(传感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。功能齐全而强大的微系统。MEMSMEMS定义定义 微机电系统的组成框图如图微机电系统的组成框图如图1所示,它是将微机械、信息输所示,它是将微机械、信息输入的微型传感器、控制器、模拟或数字信号处理器、输出信号入的微型传感器、控制器、模拟或数字信号处理器、输出信号接口、致动器接口、致动器(驱动器驱动器)、电源等都微型化并集成在一起,成为、电源等都微型化并集成在一起,成为一个微机电系统。微机电系统内部可分成几个独立的功能单元,一个
3、微机电系统。微机电系统内部可分成几个独立的功能单元,同时又集成为一个统一的系统。同时又集成为一个统一的系统。图图1微机电系统的组成框图微机电系统的组成框图 19591959年就有科学家提出微型机械的设想,但直到年就有科学家提出微型机械的设想,但直到19621962年才出现属于微机械范畴的产品年才出现属于微机械范畴的产品硅微型压力传感器。硅微型压力传感器。其后尺寸为其后尺寸为5050500500微米的齿轮、齿轮泵、气动蜗轮及微米的齿轮、齿轮泵、气动蜗轮及联接件等微型机构相继问世。而联接件等微型机构相继问世。而19871987年由华裔留美学年由华裔留美学生冯龙生等人研制出转子直径为生冯龙生等人研制
4、出转子直径为6060微米和微米和100100微米的硅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。同时,也标志着微电子机械系统(MEMS)(MEMS)的诞生。的诞生。微电子机械系统是以微电子、微机械及材料科学为基础,微电子
5、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、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。微传感器、微执行器和微系统等方面)的一门科学。世界上第一个微静电马达世界上第一个微静电马达MEMSMEMS的发展过程的发展过程2020世纪世纪6060年代年代: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想来制作集成传感器。2020世纪世纪6060年代后期年代后期:硅刻蚀技术用于制作能将压力转换为电信号的应变硅刻蚀技术用于制作能将
6、压力转换为电信号的应变薄膜结构。薄膜结构。2020世纪世纪7070年代年代:人们使用硅各向异性选择性腐蚀制作薄膜,掺杂以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,随之而来及基于电化学的腐蚀停刻技术也出现了,随之而来的是的是“体硅加工体硅加工”技术。技术。2020世纪世纪8080年代:年代:“表面微加工表面微加工”技术在加速度计、压力传感器和其技术在加速度计、压力传感器和其他微电子机械结构制作中得到了应用。他微电子机械结构制作中得到了应用。2020世纪世纪8080年代后期:年代后期:MEMSMEMS在世界范围内受到了广泛重视,在美国、欧洲和在世界范围内受到了
7、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。度在大幅增长。MEMSMEMS正在处于蓬勃发展的关键时期,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,人们见证了不断地有新型器件和新型技术给予报道,人们见证了基于基于MEMSMEMS技术的喷墨打印头、压力传感器、流量计、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。(如同等设备的不断开发和产业化的进程。(如同ICIC)p 1939年
8、年 P-N结半导体结半导体(W.Schottky)p 1948年年 晶体管晶体管(J.Bardeen,W.H.Brattain,W.Shockley)p 1954年年 半导体压阻效应半导体压阻效应(C.S.Smith)p 1958年年 集成电路(集成电路(IC)(J.S.Kilby)p 1959年年 “There is plenty of room at the bottom”(R.Feynman)p 1962年年 硅集成压力驱动器硅集成压力驱动器(O.N.Tufte,P.W.Chapman,D.Long)p 1965年年 表面微机械加速度计表面微机械加速度计(H.C.Nathanson,R.
9、A.Wichstrom)p 1967年年 硅各向异性深度刻蚀硅各向异性深度刻蚀(H.A.Waggener)p 1973年年 微型离子敏场效应管微型离子敏场效应管(Tohoku University)p 1977年年 电容式硅压力传感器电容式硅压力传感器(Stanford)MEMSMEMS的发展过程的重要历史事件的发展过程的重要历史事件p 19791979年年 集成化气体色谱仪集成化气体色谱仪 (C.S.Terry,J.H.Jerman,J.B.Angell)(C.S.Terry,J.H.Jerman,J.B.Angell)p 1981 1981年年 水晶微机械水晶微机械 (Yokogawa E
10、lectric)(Yokogawa Electric)p 1982 1982年年“Silicon as a mechanical material”(K.Petersen)Silicon as a mechanical material”(K.Petersen)p 1983 1983年年 集成化压力传感器集成化压力传感器 (Honeywell)(Honeywell)p 1985 1985年年 LIGALIGA工艺工艺 (W.Ehrfeld et al.)(W.Ehrfeld et al.)p 1986 1986年年 硅键合技术硅键合技术 (M.Shimbo)(M.Shimbo)p 1987 1
11、987年年 微型齿轮微型齿轮 (UC Berkeley)(UC Berkeley)p 1988 1988年年 压力传感器的批量生产压力传感器的批量生产 (Nova Sensor)(Nova Sensor)p 1988 1988年年 微静电电机微静电电机 (UC Berkeley)(UC Berkeley)p 1992年年 体硅加工工艺体硅加工工艺(SCREAM process,Cornell)p 1993年年 数字微镜显示器件数字微镜显示器件(Texas Instruments)p 1994年年 商业化表面微机械加速度计商业化表面微机械加速度计(Analog Devices)p 1999年年
12、光网络开关阵列光网络开关阵列(Lucent)由于由于MEMS器件和系统具有体积小、重量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、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。有领域中都有着十分广阔的应用前景。MEMSMEMS的应用领域的应用领域 MEMS的的应用领域应用领域 1 1、MEMS在空间科学上的应
13、用在空间科学上的应用 2 2、MEMS在军事国防上的应用在军事国防上的应用 3 3、MEMS在汽车工业上的应用在汽车工业上的应用 4 4、MEMS在医疗和生物技术上的应用在医疗和生物技术上的应用 5 5、MEMS在环境科学上的应用在环境科学上的应用 6、MEMS在信息技术领域中的应用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、微卫星、纳米卫星和皮米卫星的概念,提出了全硅卫星的设计方案,整个卫星的重量缩小到以千克计算,进而大幅度降低成本,使较密集的分布式卫星系统成为现实。用MEMS技术制造的微型飞行器、战场侦察传感器、智能军用机器人
14、和其他MEMS器件,在军事上的无人技术领域发挥着重要作用。美国采用MEMS技术已制成尺寸只有10cm10 cm的微型侦察机。汽车发动机控制模块是最早使用MEMS技术的汽车装备,在汽车领域应用最多的是微加速度计和微压力传感器,并且以每年20%的比例在迅速增长。此外,角速度计也是应用于汽车行业的重要MEMS传感器,它可用于车轮的侧滑控制。采用体微加工技术制作的各种微泵、微阀、微镊子、微沟槽和微流量计等器件适合于操作生物细胞和生物大分子。由于MEMS器件的体积小,能够进入很小的器官和组织,同时又能进行细微精细的操作,因此可以大大提高介入治疗的精度,降低医疗风险。利用MEMS技术制造的微型仪器在环境检
15、测、分析和处理方面大有作为,它们主要是由化学传感器、生物传感器和数据处理系统组成的微型测量和分析设备,其优势在于体积小、价格低、功耗小和易于携带。MEMS技术的发展对信息技术产生了深远的影响。近年来,MEMS又逐渐向光通讯领域渗透,形成了由微光学、微电子学、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)。MEMSMEMS传感器及其组成的微型惯性测量组合在汽车自动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(驾驶、汽车防撞气囊、汽车防抱死系统(ABSABS)、减震)、减震系统、防盗系统等。系统、防盗系统等。GPSGPS定位系统。定位系统。
16、*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。在汽车上的应用在汽车上的应用MEMS已在已在空间超微型卫星空间超微型卫星上得到应用上得到应用,该卫星外形尺寸为该卫星外形尺寸为 2.54 cm 7.62 cm 10.6 cm,重量仅为重量仅为 250 g。2000年年 1月月,发射的两颗试验小卫发射的两颗试验小卫星是证明空基防御能力增强的一个范例。对小卫星试验来说幸运的是星是证明空基防御能力增强的一个范例。对小卫星试验来说幸运的是,因因其飞行寿命短其飞行寿命短,所以所以,暴露在宇宙辐射之下并不是关键问题。小卫星
17、上基暴露在宇宙辐射之下并不是关键问题。小卫星上基于硅的于硅的 RF开关在太空应用中表现出优异的性能开关在太空应用中表现出优异的性能,这得益于它的超微小尺这得益于它的超微小尺寸。作为一个在海上应用的实例寸。作为一个在海上应用的实例,MEMS引信引信/保险和引爆半导体保险和引爆半导体,微电子微电子,集成电路集成电路,IC,工艺工艺,设计设计,器件器件,封装封装,测试测试,F/SA 装置已成功地用于潜艇鱼雷装置已成功地用于潜艇鱼雷对抗武器上。引信对抗武器上。引信/保险和引爆装置的工作包括保险和引爆装置的工作包括 3个独立步骤个独立步骤:发射鱼雷发射鱼雷后后,解除炸药保险、引爆解除炸药保险、引爆 引信
18、引信 和防止在不正确时间爆炸和防止在不正确时间爆炸 保险保险。使用镀有。使用镀有金属层的硅结合巧妙的封装技术金属层的硅结合巧妙的封装技术,MEMS F/SA器件要比传统的装置小器件要比传统的装置小 1个数量级个数量级,可安装在可安装在 15.88 cm的鱼雷上的鱼雷上,这是其他方法做不到的这是其他方法做不到的.在军事上的应用在军事上的应用国外国外MEMS 技术在引信中的应用技术在引信中的应用 MEMS 技术在精确打击弹药引信中的应用技术在精确打击弹药引信中的应用美国FMU2159/B 硬目标侵彻灵巧引信及加速度计采用MEMS 技术的弹道修正引信装有弹道修正引信的MK64 制导炮弹单兵20 mm
19、 高爆榴弹微机电引信在在 1995年的国际会议上已有人正式提出研制全硅卫星的概念年的国际会议上已有人正式提出研制全硅卫星的概念。即整个卫星由硅太阳能电池板、硅导航模块、硅通信模块等组即整个卫星由硅太阳能电池板、硅导航模块、硅通信模块等组合而成合而成,这样这样,可使整个卫星的质量缩小到以可使整个卫星的质量缩小到以 kg计算计算,从而使卫从而使卫星的成本大幅度降低星的成本大幅度降低。航空航天的应用航空航天的应用 微机械技术在生物医疗中的应用尤其令人惊叹。例如微机械技术在生物医疗中的应用尤其令人惊叹。例如:将将微型传感器微型传感器用用口服或皮下注射法送入人体口服或皮下注射法送入人体,就可对体内的五脏
20、六腑进行直接有效的监测。就可对体内的五脏六腑进行直接有效的监测。将特制的微型机器人送入人体将特制的微型机器人送入人体,可刮去导致心脏病的油脂沉积物可刮去导致心脏病的油脂沉积物,除去体内的除去体内的胆固醇胆固醇,可探测和清除人体内的癌细胞可探测和清除人体内的癌细胞,进行视网膜开刀时进行视网膜开刀时,大夫可将遥控机大夫可将遥控机器人放入眼球内器人放入眼球内,在细胞操作、细胞融合、精细外科、血管、肠道内自动送药在细胞操作、细胞融合、精细外科、血管、肠道内自动送药等方面应用甚广。等方面应用甚广。MEMS的微小可进入很小的器官和组织和能自动地进行细微精确的操作的特的微小可进入很小的器官和组织和能自动地进
21、行细微精确的操作的特点点,可大大提高介入治疗的精度可大大提高介入治疗的精度,直接进入相应病变地进行工作直接进入相应病变地进行工作,降低手术风降低手术风险。同微电子险。同微电子,集成电路集成电路,IC,工艺工艺,设计设计,器件器件,封装封装,测试测试,MEMS时时,可进行基因可进行基因分析和遗传诊断分析和遗传诊断,利用微加工技术制造利用微加工技术制造各种微泵、微阀、微摄子、微沟槽、各种微泵、微阀、微摄子、微沟槽、微器皿和微流量计微器皿和微流量计的器件适合于操作生物细胞和生物大分子。所以的器件适合于操作生物细胞和生物大分子。所以,微机械在微机械在现代医疗技术中的应用潜力巨大现代医疗技术中的应用潜力
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