微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)介紹

微電子機(jī)械系統(tǒng)（MEMS）

主講教師：王洪喜

12/7/202411:11AMMicro-electro-Michanical-system2本次課的目的、意義有助于了解本專業(yè)的高科技前沿技術(shù)，拓寬知識(shí)面；培養(yǎng)從事科學(xué)研究的興趣，了解國內(nèi)外科技發(fā)展動(dòng)態(tài)；啟發(fā)思想、拓寬思維；提高學(xué)術(shù)修養(yǎng)。12/7/202411:11AMMicro-electro-Michanical-system3參考資料期刊1、SensorandActuator2、JournalofMicroelectromechanicalSystems3、JournalofmicromechanicsandMicroengineering4、MicrosystemTechnologies5、儀表技術(shù)與傳感器6、光學(xué)、精密工程7、微納電子技術(shù)關(guān)鍵詞：MEMS,Micromachining,Micro

structure,Process,MEMSFabrication,Microsystem12/7/202411:11AMMicro-electro-Michanical-system4參考資料著作1、JulianW,Gardner,VijayK.VaradanandOsamaO.Awadelkarim,Microsensors,MEMS,andSmartDevices[M],JohnWiley&Sons,Inc.,NewYork,20012、姜巖峰，微電子機(jī)械系統(tǒng)[M]，化學(xué)工業(yè)出版社，北京，2006.13、劉曉明，朱鐘淦，微機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)與制造[M]，國防工業(yè)出版社，北京，2006.14、M.Elwenspoek,R.wiegerink著，陶家渠等譯，硅微機(jī)械傳感器[M]，中國宇航出版社，北京，2003.912/7/202411:11AMMicro-electro-Michanical-system5大與小——感性認(rèn)識(shí)12/7/202411:11AMMicro-electro-Michanical-system6大與小

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理性思考12/7/202411:11AMMicro-electro-Michanical-system7典型MEMS器件—硅微馬達(dá)器12/7/202411:11AMMicro-electro-Michanical-system8典型MEMS器件—硅微慣性傳感器12/7/202411:11AMMicro-electro-Michanical-system9典型MEMS器件——DMD12/7/202411:11AMMicro-electro-Michanical-system10典型MEMS器件——光開關(guān)12/7/202411:11AMMicro-electro-Michanical-system11典型MEMS器件——微流體器件12/7/202411:11AMMicro-electro-Michanical-system12典型MEMS器件——微夾鉗12/7/202411:11AMMicro-electro-Michanical-system13典型MEMS系統(tǒng)——集成加速度計(jì)12/7/202411:11AMMicro-electro-Michanical-system14典型MEMS系統(tǒng)——微型機(jī)器人12/7/202411:11AMMicro-electro-Michanical-system15將來的微型機(jī)器人12/7/202411:11AMMicro-electro-Michanical-system16典型MEMS系統(tǒng)——微型衛(wèi)星美國提出的硅固態(tài)衛(wèi)星的概念圖，這個(gè)衛(wèi)星除了蓄電池外，全由硅片構(gòu)成，直徑僅15cm清華一號(hào)12/7/202411:11AMMicro-electro-Michanical-system17典型MEMS系統(tǒng)——生化分析系統(tǒng)12/7/202411:11AMMicro-electro-Michanical-system18典型MEMS系統(tǒng)——微型飛行器12/7/202411:11AMMicro-electro-Michanical-system19什么是微型機(jī)電系統(tǒng)？從系統(tǒng)的角度上講，現(xiàn)在微機(jī)電系統(tǒng)是指在單片上包括有微傳感器、微執(zhí)行器、微結(jié)構(gòu)、微機(jī)械和電路的一種系統(tǒng)。MEMS的特征尺寸一般是在0.1～1000μm的大小范圍。

從廣義上講，MEMS是指集微型傳感器、微型執(zhí)行器以及信號(hào)處理和控制電路、接口電路、通信和電源于一體的完整微電子機(jī)械系統(tǒng)。12/7/202411:11AMMicro-electro-Michanical-system20什么是微型機(jī)電系統(tǒng)？12/7/202411:11AMMicro-electro-Michanical-system21最完美的系統(tǒng)MechanicalSensingActuatingMEMSMicroelectronicsControl(electric)12/7/202411:11AMMicro-electro-Michanical-system22各個(gè)國家不同的定義美國：微型機(jī)電系統(tǒng)MEMS:Microelectromechanicalsystem日本：微機(jī)械Micromachine歐洲：微系統(tǒng)Microsystem12/7/202411:11AMMicro-electro-Michanical-system23MEMS的發(fā)展有關(guān)微機(jī)械系統(tǒng)的歷史，可以追溯到1959年12月，美國物理學(xué)家、諾貝爾獲得者R.P.Feynman在加州理工學(xué)院舉行的美國物理學(xué)會(huì)年度會(huì)議上的科普演講中，首次提到了MEMS的概念?！癟here’splentyofroomatthebottom”他設(shè)想可以將整個(gè)24卷大英百科全書寫在針尖上，要做到這件事只需要將尺寸縮小1/25000即可。

歷史證實(shí)了R.P.Feynman的遠(yuǎn)見卓識(shí)，鈉米科技、MEMS及量子計(jì)算和分子自組裝等領(lǐng)域向人們展示了微小世界的巨大潛力。12/7/202411:11AMMicro-electro-Michanical-system24MEMS的發(fā)展1962年Tufte等人報(bào)道了硅微壓力傳感器。它的特征是用硅膜、壓敏電阻和體硅腐蝕。它是MEMS微傳感器的起點(diǎn)，同時(shí)也是MEMS體加工（bulkmicromachining）的起始點(diǎn)。1967年，美國西屋研究室Nathanson等人報(bào)道了硅諧振柵晶體管。它的特征是用靜電激勵(lì)引起柵振動(dòng)。它是MEMS微執(zhí)行器的起始點(diǎn)。1968年，美國Mallory公司的Wallis等人報(bào)道了硅/玻璃鍵合技術(shù)，該技術(shù)后來成為微傳感器封裝的主要技術(shù)之一。1973年，美國IBM的Bassous等人報(bào)道了硅微噴嘴。它是MEMS微結(jié)構(gòu)的起點(diǎn)。1979年~1985年，以集成傳感器為主要對(duì)象的MEMS領(lǐng)域第一次成為熱點(diǎn)。12/7/202411:11AMMicro-electro-Michanical-system25MEMS的發(fā)展20世紀(jì)80年代中期，各種新興的MEMS加工技術(shù)相繼出現(xiàn)，如：1985年U.C.Berkeley以R.T.Howe為代表的多晶硅表面微機(jī)械加工技術(shù)；1985~1986年，IBM和東芝公司的硅片直接鍵合技術(shù)；1986年，德國Becker等人實(shí)現(xiàn)LIGA（光刻電鑄成型）技術(shù)，以及由LIGA衍生出來的多種深刻蝕/電鍍技術(shù)，使得非硅微機(jī)械加工和高深寬比的結(jié)構(gòu)制備成為可能；1987年，U.C.Berkeley和AT&T等實(shí)驗(yàn)室研制出微型馬達(dá)、微型齒輪、微型連桿機(jī)構(gòu)。真正意義上的MEMS出現(xiàn)并開始刻快速發(fā)展。12/7/202411:11AMMicro-electro-Michanical-system26硅微MEMS發(fā)展里程碑1987年UCBerkeley在硅片上制造出靜電電機(jī)90年代初ADI公司研制出低成本集成硅微加速度傳感器，用于汽車氣囊。90年代末期美國Sandia實(shí)驗(yàn)室發(fā)表5層多晶硅工藝。12/7/202411:11AMMicro-electro-Michanical-system27國內(nèi)MEMS的發(fā)展20世紀(jì)90年代初清華大學(xué)等高校開始研究。目前有100個(gè)左右的研究小組從事本領(lǐng)域研究。研究主要領(lǐng)域包括硅微傳感器、硅微致動(dòng)器、硅微加工技術(shù)、微系統(tǒng)等領(lǐng)域。主要加工基地有信息產(chǎn)業(yè)部電子13所，北大微電子所，清華大學(xué)微電子所，上海交通大學(xué)和上海冶金所等。12/7/202411:11AMMicro-electro-Michanical-system28MEMS的產(chǎn)業(yè)化及市場前景1994年估計(jì)2000年MEMS的市場為470億美圓12/7/202411:11AMMicro-electro-Michanical-system29目前市場上存在的MEMS產(chǎn)品噴墨打印頭汽車安全氣囊用加速度傳感器游戲桿用加速度傳感器壓力傳感器微型控制閥微型磁強(qiáng)計(jì)12/7/202411:11AMMicro-electro-Michanical-system3012/7/202411:11AMMicro-electro-Michanical-system31MEMS技術(shù)的構(gòu)成基本的應(yīng)用系統(tǒng)超小的器件制造工藝12/7/202411:11AMMicro-electro-Michanical-system32M

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技術(shù)的構(gòu)成12/7/202411:11AMMicro-electro-Michanical-system33MEMS材料結(jié)構(gòu)材料基底材料：硅、砷化鎵、其他半導(dǎo)體材料薄膜材料：單晶硅、氮化硅、氧化硅金屬材料：金、鋁、其他金屬功能材料高分子材料：聚酰亞胺、PMMA敏感材料：壓阻、壓電、熱敏、光敏、其他致動(dòng)材料：壓電、形狀記憶合金、磁性材料等12/7/202411:11AMMicro-electro-Michanical-system34硅微MEMS工藝主要手段12/7/202411:11AMMicro-electro-Michanical-system35基本半導(dǎo)體工藝摻雜與退火氧化、化學(xué)沉積CVD光刻photolithography金屬化：濺射與蒸發(fā)腐蝕etch凈化與清洗12/7/202411:11AMMicro-electro-Michanical-system36典型硅微MEMS工藝體硅腐蝕犧牲層技術(shù)雙面光刻自停止腐蝕深槽技術(shù)LIGA技術(shù)鍵合技術(shù)12/7/202411:11AMMicro-electro-Michanical-system37典型MEMS工藝——體硅腐蝕12/7/202411:11AMMicro-electro-Michanical-system38典型MEMS工藝——犧牲層腐蝕12/7/202411:11AMMicro-electro-Michanical-system39典型MEMS工藝——LIGA工藝12/7/202411:11AMMicro-electro-Michanical-system40典型MEMS工藝——DRIE12/7/202411:11AMMicro-electro-Michanical-system41MEMS發(fā)展中的技術(shù)和社會(huì)問題技術(shù)基礎(chǔ)的積累研究創(chuàng)新問題Theo