微機(jī)電系統(tǒng)的學(xué)習(xí)

關(guān)于微機(jī)電系統(tǒng)的學(xué)習(xí)第1頁，共56頁，2023年，2月20日，星期四引言信息系統(tǒng)微型化系統(tǒng)體積大大減小性能、可靠性大幅度上升功耗和價格大幅度降低信息系統(tǒng)的目標(biāo)：微型化和集成化微電子解決電子系統(tǒng)的微型化非電子系統(tǒng)成為整個系統(tǒng)進(jìn)一步縮小的關(guān)鍵第2頁，共56頁，2023年，2月20日，星期四機(jī)械部分傳感執(zhí)行控制部分電子學(xué)MEMS微電子學(xué)第3頁，共56頁，2023年，2月20日，星期四第4頁，共56頁，2023年，2月20日，星期四MEMS技術(shù)從廣義上講，MEMS是指集微型傳感器、微型執(zhí)行器、信號處理和控制電路、接口電路、通信系統(tǒng)以及電源于一體的微型機(jī)電系統(tǒng)MEMS技術(shù)是一種多學(xué)科交叉的前沿性領(lǐng)域，它幾乎涉及到自然及工程科學(xué)的所有領(lǐng)域，如電子、機(jī)械、光學(xué)、物理學(xué)、化學(xué)、生物醫(yī)學(xué)、材料科學(xué)、能源科學(xué)等第5頁，共56頁，2023年，2月20日，星期四MEMS—微小型、智能、集成、高可靠MEMS是人類科技發(fā)展過程一次重大的技術(shù)整合微電子技術(shù)、精密加工技術(shù)、傳感器技術(shù)、執(zhí)行器技術(shù)微小型化、智能化、集成化、高可靠性MEMS能夠完成真正意義上的微小型系統(tǒng)集成在芯片上實(shí)現(xiàn)了力、熱、磁、化學(xué)到電的轉(zhuǎn)變MEMS極大地改善了人類生活的質(zhì)量大批量、低成本的傳感器生產(chǎn)方式給人們更多的保護(hù)MEMS將會帶動一個充滿活力的產(chǎn)業(yè)迅速成長不是鋼鐵、汽車、微電子，而是微系統(tǒng)第6頁，共56頁，2023年，2月20日，星期四ADI公司生產(chǎn)的微加速度機(jī)MEMS芯片第7頁，共56頁，2023年，2月20日，星期四MEMS在航空、航天、汽車、生物醫(yī)學(xué)、環(huán)境監(jiān)控、軍事以及幾乎人們接觸到的所有領(lǐng)域中都有著十分廣闊的應(yīng)用前景微慣性傳感器及微型慣性測量組合能應(yīng)用于制導(dǎo)、衛(wèi)星控制、汽車自動駕駛、汽車防撞氣囊、汽車防抱死系統(tǒng)(ABS)、穩(wěn)定控制和玩具微流量系統(tǒng)和微分析儀可用于微推進(jìn)、傷員救護(hù)MEMS系統(tǒng)還可以用于醫(yī)療、高密度存儲和顯示、光譜分析、信息采集等等已經(jīng)制造出尖端直徑為5m的可以夾起一個紅細(xì)胞的微型鑷子，可以在磁場中飛行的象蝴蝶大小的飛機(jī)等MEMS技術(shù)的應(yīng)用第8頁，共56頁，2023年，2月20日，星期四MEMS技術(shù)的應(yīng)用空間應(yīng)用用作運(yùn)行參數(shù)測量的微加速度計(jì)已進(jìn)行了地面輻照實(shí)驗(yàn)，正在進(jìn)行飛行搭載實(shí)驗(yàn)微陀螺、微推進(jìn)和微噴管等微系統(tǒng)基礎(chǔ)研究通信方面光通信正在向有光交換功能的全光通信網(wǎng)絡(luò)方向發(fā)展無線通信則要求增強(qiáng)功能（如聯(lián)網(wǎng)等）和減小功耗。包括美國朗訊公司在內(nèi)的一些公司和大學(xué)正在研究全光通信網(wǎng)用的微系統(tǒng)及無線通信用射頻微系統(tǒng)第9頁，共56頁，2023年，2月20日，星期四MEMS技術(shù)的應(yīng)用在生物醫(yī)學(xué)方面，將光、機(jī)、電、液、生化等部件集成在一起，構(gòu)成一個微型芯片實(shí)驗(yàn)室，用于臨床醫(yī)學(xué)檢測，為醫(yī)生甚至家庭提供簡單、廉價、準(zhǔn)確和快捷的檢測手段光顯示、高密度存儲、汽車、國防等微系統(tǒng)第10頁，共56頁，2023年，2月20日，星期四MEMS技術(shù)的應(yīng)用美國提出的硅固態(tài)衛(wèi)星的概念圖，這個衛(wèi)星除了蓄電池外，全由硅片構(gòu)成，直徑僅15cm第11頁，共56頁，2023年，2月20日，星期四MEMS技術(shù)的歷史微系統(tǒng)是從微傳感器發(fā)展而來的，已有幾次突破性的進(jìn)展70年代微機(jī)械壓力傳感器產(chǎn)品問世80年代末研制出硅靜電微馬達(dá)90年代噴墨打印頭，硬盤讀寫頭、硅加速度計(jì)和數(shù)字微鏡器件等相繼規(guī)?；a(chǎn)充分展示了微系統(tǒng)技術(shù)及其微系統(tǒng)的巨大應(yīng)用前景第12頁，共56頁，2023年，2月20日，星期四MEMS技術(shù)MEMS用批量化的微電子技術(shù)制造出尺寸與集成電路大小相當(dāng)?shù)姆请娮酉到y(tǒng)，實(shí)現(xiàn)電子系統(tǒng)和非電子系統(tǒng)的一體化集成從根本上解決信息系統(tǒng)的微型化問題實(shí)現(xiàn)許多以前無法實(shí)現(xiàn)的功能今天的MEMS與40年前的集成電路類似，MEMS對未來的社會發(fā)展將會產(chǎn)生什么影響目前還難以預(yù)料，但它是21世紀(jì)初一個新的產(chǎn)業(yè)增長點(diǎn)，則是無可質(zhì)疑的第13頁，共56頁，2023年，2月20日，星期四研究領(lǐng)域理論基礎(chǔ)：隨著MEMS尺寸的縮小，有些宏觀的物理特性發(fā)生了改變，很多原來的理論基礎(chǔ)都會發(fā)生變化，如力的尺寸效應(yīng)、微結(jié)構(gòu)的表面效應(yīng)、微觀摩擦機(jī)理等等，微動力學(xué)微流體力學(xué)微熱力學(xué)微摩擦學(xué)微光學(xué)微結(jié)構(gòu)學(xué)第14頁，共56頁，2023年，2月20日，星期四研究領(lǐng)域技術(shù)基礎(chǔ)：設(shè)計(jì)、工藝加工(高深寬比多層微結(jié)構(gòu))、微裝配工藝、微系統(tǒng)的測量等。應(yīng)用研究：如何應(yīng)用這些MEMS系統(tǒng)也是一門非常重要的學(xué)問。人們不僅要開發(fā)各種制造MEMS的技術(shù)，更重要的是如何將MEMS器件用于實(shí)際系統(tǒng)，并從中受益。第15頁，共56頁，2023年，2月20日，星期四MEMS的分類微傳感器：機(jī)械類：力學(xué)、力矩、加速度、速度、角速度(陀螺)、位置、流量傳感器磁學(xué)類：磁通計(jì)、磁場計(jì)熱學(xué)類：溫度計(jì)化學(xué)類：氣體成分、濕度、PH值和離子濃度傳感器生物學(xué)類：DNA芯片第16頁，共56頁，2023年，2月20日，星期四MEMS的分類微執(zhí)行器：微馬達(dá)、微齒輪、微泵、微閥門、微開關(guān)、微噴射器、微揚(yáng)聲器、微諧振器等微型構(gòu)件：微膜、微梁、微探針、微齒輪、微彈簧、微腔、微溝道、微錐體、微軸、微連桿等微機(jī)械光學(xué)器件：微鏡陣列、微光掃描器、微光閥、微斬光器、微干涉儀、微光開關(guān)、微可變焦透鏡、微外腔激光器、光編碼器等第17頁，共56頁，2023年，2月20日，星期四MEMS的分類真空微電子器件：它是微電子技術(shù)、MEMS技術(shù)和真空電子學(xué)發(fā)展的產(chǎn)物，具有極快的開關(guān)速度、非常好的抗輻照能力和極佳的溫度特性。主要包括場發(fā)射顯示器、場發(fā)射照明器件、真空微電子毫米波器件、真空微電子傳感器等電力電子器件：包括利用MEMS技術(shù)制作的垂直導(dǎo)電型MOS(VMOS)器件、V型槽垂直導(dǎo)電型MOS(VVMOS)器件等各類高壓大電流器件第18頁，共56頁，2023年，2月20日，星期四MEMS制造工藝第19頁，共56頁，2023年，2月20日，星期四大機(jī)器加工小機(jī)器，小機(jī)器加工微機(jī)器微機(jī)械用微電子加工技術(shù)MEMS系統(tǒng)X光鑄模+壓塑技術(shù)(LIGA)從頂層向下從底層向上分子和原子級加工國防、航空航天、生物醫(yī)學(xué)、環(huán)境監(jiān)控、汽車都有廣泛應(yīng)用。2000年有120-140億美元市場相關(guān)市場達(dá)1000億美元2年后市場將迅速成長MEMS微系統(tǒng)第20頁，共56頁，2023年，2月20日，星期四MEMS制造工藝大機(jī)械制造小機(jī)械，小機(jī)械制造微機(jī)械日本為代表LIGA工藝Lithograpie(光刻)、Galvanoformung(電鑄)Abformung(塑鑄)德國為代表硅微機(jī)械加工工藝：體硅工藝和表面犧牲層工藝美國為代表第21頁，共56頁，2023年，2月20日，星期四LIGA工藝第22頁，共56頁，2023年，2月20日，星期四硅MEMS工藝化學(xué)腐蝕高深寬比深槽刻蝕鍵合第23頁，共56頁，2023年，2月20日，星期四體硅工藝第24頁，共56頁，2023年，2月20日，星期四表面犧牲層工藝表面犧牲層與CMOS工藝集成結(jié)構(gòu)單獨(dú)制造，靈活性較大靈敏度高、寄生小、體積小簡化封裝和組裝，可靠性高加工工藝復(fù)雜，成品率較低工藝兼容的材料種類較少電路工藝與結(jié)構(gòu)加工工藝交替進(jìn)行先加工電路，后加工結(jié)構(gòu)先加工機(jī)械結(jié)構(gòu)，再加工電路第25頁，共56頁，2023年，2月20日，星期四幾種重要的MEMS器件第26頁，共56頁，2023年，2月20日，星期四MEMS器件慣性MEMS器件加速度計(jì)陀螺壓力傳感器光學(xué)MEMS器件微光開關(guān)微光學(xué)平臺微執(zhí)行器微噴微馬達(dá)生物MEMS器件其它第27頁，共56頁，2023年，2月20日，星期四加速度計(jì)壓阻式加速度計(jì)電容式加速度計(jì)壓電式加速度計(jì)慣性器件第28頁，共56頁，2023年，2月20日，星期四慣性器件第29頁，共56頁，2023年，2月20日，星期四電容式微加速度計(jì)第30頁，共56頁，2023年，2月20日，星期四光學(xué)MEMS器件定義OpticalTransducers，MOEMS,OpticalMEMS分類傳統(tǒng)的光傳感器、轉(zhuǎn)換器光傳感、成像、發(fā)光器件（光電子）利用光進(jìn)行傳感的器件位置傳感器、光譜儀、DNA芯片利用微機(jī)械加工方法形成的器件傳統(tǒng)器件的新生命新型器件第31頁，共56頁，2023年，2月20日，星期四傳統(tǒng)的光傳感器光傳感方式成像系統(tǒng)(Imager)CCDCMOS發(fā)光系統(tǒng)LED半導(dǎo)體激光器等離子生物發(fā)光光調(diào)節(jié)器第32頁，共56頁，2023年，2月20日，星期四發(fā)光器件場發(fā)射（FEDs）未來的顯示設(shè)備(FPD)第33頁，共56頁，2023年，2月20日，星期四新器件——組件微鏡MirrorSupportStructureSubstrateHingesTorsionHinges1stDOF2ndDOFForce-redirectingLinkage第34頁，共56頁，2023年，2月20日，星期四各種光學(xué)元器件透鏡、波帶片、濾波器、光柵及各種致動機(jī)構(gòu)新器件——組件第35頁，共56頁，2023年，2月20日，星期四微光學(xué)系統(tǒng)微光學(xué)工作臺（MicroOpticalBench）第36頁，共56頁，2023年，2月20日，星期四微型顯示陣列（光調(diào)制器）數(shù)字鏡面顯示（DMD）原理改變反射方向第37頁，共56頁，2023年，2月20日，星期四DMD——應(yīng)用第38頁，共56頁，2023年，2月20日，星期四DMD——應(yīng)用第39頁，共56頁，2023年，2月20日，星期四光開關(guān)

微機(jī)械1X4光開關(guān)微機(jī)械1X8光開關(guān)第40頁，共56頁，2023年，2月20日，星期四

微機(jī)械22光開關(guān)微機(jī)械22光開關(guān)光開關(guān)第41頁，共56頁，2023年，2月20日，星期四光纖固定結(jié)構(gòu)V形槽各種卡緊結(jié)構(gòu)第42頁，共56頁，2023年，2月20日，星期四光柵及光柵光譜儀原理不同類型的光柵第43頁，共56頁，2023年，2月20日，星期四第44頁，共56頁，2023年，2月20日，星期四新器件——組件線性馬達(dá)第45頁，共56頁，2023年，2月20日，星期四弧形梳齒原理應(yīng)用靜電第46頁，共56頁，2023年，2月20日，星期四靜電旋轉(zhuǎn)馬達(dá)原理第47頁，共56頁，2023年，2月20日，星期四美國噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室(JPL)展示的采用MEMS技術(shù)的電阻電熱式微推進(jìn)器樣機(jī)（液體氣化方式）。微推進(jìn)器由薄膜加熱器、微型噴口等組成。其性能目標(biāo)為：比沖75～125s，推力0.5mN，功率<5W，效率≥50%，質(zhì)量為幾克，大小為1cm2。微推進(jìn)器第48頁，共56頁，2023年，2月20日，星期四美國噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室(JPL)展示的采用MEMS技術(shù)的電阻電熱式微推進(jìn)器樣機(jī)(固體升華方式)。微推進(jìn)器由推進(jìn)劑出貯箱、微閥、微過濾器、微型噴口等組成，微型噴口利用MEMS技術(shù)中的體硅工藝制作。其性能目標(biāo)為：比沖50～75s，推力0.5mN，功率<2W/mN，質(zhì)量為幾克，大小為1cm2。微推進(jìn)器第49頁，共56頁，2023年，2月20日，星期四美國TRW公司、航空航天公司和加州理工學(xué)院（CIT）組成的研究小組提出了一個“數(shù)字推進(jìn)概念”方案。硅片上有集成電路來開啟和控制每個微推進(jìn)器。整個推進(jìn)系統(tǒng)還可充當(dāng)衛(wèi)星的散熱器，以進(jìn)一步減小衛(wèi)星的有效載荷。制作方法可以用目前已成熟的MEMS及LIGA技術(shù)。圖為他們于99年初發(fā)表了3×5陣列的電阻電熱式微推進(jìn)器樣機(jī)。微推進(jìn)器第50頁，共56頁，2023年，2月20日，星期四新概念的微型雙組元火箭發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)圖

組成:由5到6片芯片疊在一起，內(nèi)有混合燃燒室、噴口噴管、兩個泵和兩個閥以及冷卻管道的多器件集成系統(tǒng)。用液態(tài)氧和乙醇作燃料性能：能產(chǎn)生15N的推力，推力重量比達(dá)1500:1，是大火箭推進(jìn)器的10~100倍，反映了微系統(tǒng)的潛力微推進(jìn)器第51頁，共56頁，2023年，2月20日，星期四結(jié)束語第52頁，共56頁，2023年，2月20日，星期四MEMS技術(shù)及其產(chǎn)品的增長速度非常之高，并且目前正處在加速發(fā)展時期MEMS技術(shù)第53頁，共56頁，2023年，2月20日