mems nems 概論經(jīng)典案例

INTRODUCTIONToMEMSProf.HUMing2024/12/11第一講MEMS概論2第一章

MEMS

概論

Chapter1.IntroductionToMEMS

1.1MEMS定義1.2MEMS特征1.3MEMS開展歷史1.4MEMS涉及的主要領(lǐng)域2024/12/11第一講MEMS/NMES概論31.1MEMS定義2024/12/11第一講MEMS/NMES概論41.1MEMS定義2024/12/11第一講MEMS/NMES概論51.1MEMS定義2024/12/11第一講MEMS/NMES概論61.1MEMS定義2024/12/11第一講MEMS/NMES概論71.1MEMS定義2024/12/11第一講MEMS/NMES概論81.1MEMS定義在北美，微機(jī)電系統(tǒng)通常稱為MEMS，顧名思義MEMS是由微機(jī)械和微電子線路組成的微系統(tǒng)。在歐洲那么通常稱為微系統(tǒng)〔microsystem〕。在日本通常稱為微機(jī)器〔micromachine〕。它們都以微小〔micro〕為特征，有的強(qiáng)調(diào)機(jī)械，有的強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)，但當(dāng)前人們常不加區(qū)別地統(tǒng)稱為MEMS。日本國家MEMS中心〔〕給micromachine下的定義是：Amicromachineisanextremelysmallmachinecomprisingverysmall(severalmillimetersorless)yethighlysophisticatedfunctionalelementsthatallowittoperformminuteandcomplicatedtasks.[微機(jī)器是一種極其小的機(jī)器，它由非常小〔數(shù)微米或更小〕但是具有高度復(fù)雜功能的部件構(gòu)成，能夠完成靈巧和復(fù)雜的任務(wù)。微機(jī)器Micromachine(Japan)微型電子機(jī)械系統(tǒng)MicroElecoMechanicalSystem(USA)微系統(tǒng)MicroSystem(Europe)2024/12/11第一講MEMS/NMES概論10AwayofmakingthingsLeveragingonexistinginfrastructureofICfabricationtoolsPrototypeontheexactmass-productionfabricationtoolsCo-locationofsense,compute,actuate,control,communicate,powerIncreaseperformanceanddecreasecostIntegrateanincreasednumberoffabricationtechnologiesClosed-loop,microscalecontrolofelectrical,thermal,fluid,magnetic,optical,andmassfluxMEMSisasurfacetechnologyControlphenomenaonthemicroscaleCauselargeeffectsbothonmacroscaleandmicroscaleWhatAreMEMS?2024/12/11第一講MEMS/NMES概論11HighspatialresolutionandhightemporalbandwidthIntegratedsolutionsoffergreaterphysicaldensityMiniaturizedcomponentsofferfasterresponseMEMSatbothmicroscaleandmacroscaleLargearrayofMEMSonachipLargearrayofMEMS“islands〞onamacroplatformDual-scaleinterconnectproblem(integrationrequired)TherelevantsizemetricistheminimumfeaturesizeOveralldeviceorsystemsizeisirrelevantMinimumfeaturesizedeterminestherequiredtechnologyMEMSasAnalogofTransistorsDirectand/orcontrolpowerfrommacroandothersourcesWhatAreMEMS?2024/12/11第一講MEMS/NMES概論121.2MEMS特征MEMS許多顯著的特點(diǎn)與特征，使得MEMS器件具有優(yōu)良的性能，并具有廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。肉眼可見光學(xué)顯微鏡電子顯微鏡或掃描隧道顯微鏡小零件小機(jī)器微機(jī)器納米機(jī)器微零件分子零件微手術(shù)微操作器蛋白質(zhì)工程2024/12/11第一講MEMS/NMES概論132024/12/11第一講MEMS/NMES概論141、MEMS最突出的特點(diǎn)是系統(tǒng)中微器件的微小與精密，其優(yōu)良性能有賴于精細(xì)加工工藝的開展。大多數(shù)MEMS器件尺寸一般在1mm~1um范圍內(nèi)，要求其具有很高的精密性;目前有些MEMS器件的敏感量已到達(dá)單個(gè)原子的范圍，可用它進(jìn)行原子量級(jí)的探測(cè)與加工。2、對(duì)于MEMS來講，比較顯著的特點(diǎn)是以低本錢、高組裝密度得到完整的傳感器陣列，而不是一個(gè)單獨(dú)的傳感器；微系統(tǒng)中的微器件是由電信號(hào)進(jìn)行控制的，并且輸入輸出信息也由電子系統(tǒng)進(jìn)行檢測(cè)和處理。這些電子控制、檢測(cè)與處理系統(tǒng)與機(jī)械系統(tǒng)集成為復(fù)合系統(tǒng)，所以微電子機(jī)械系統(tǒng)〔MEMS〕已不是一種單純的機(jī)械裝置，而是機(jī)電的合一體。1.2MEMS特征

1.2MEMS特征

2024/12/11第一講MEMS/NMES概論152024/12/11第一講MEMS/NMES概論161.2MEMS特征

1.2MEMS特征2024/12/11第一講MEMS/NMES概論181.2MEMS特征

TRWprototypeddigitalpropulsionMicrothruster.Thismicrothrustercontains15individualthrustersinthecentral3x5array.PhotoCourtesyofTRW2024/12/11第一講MEMS/NMES概論191.3MEMS開展歷史2024/12/11第一講MEMS/NMES概論201.3MEMS開展歷史2024/12/11第一講MEMS/NMES概論211.3MEMS開展歷史1.3MEMS開展歷史2024/12/11第一講MEMS/NMES概論222024/12/11第一講MEMS/NMES概論23高級(jí)開展時(shí)期：到了90年代，已經(jīng)出現(xiàn)了由多個(gè)子系統(tǒng)復(fù)合組成的相當(dāng)復(fù)雜的MEMS系統(tǒng)，也就是說微機(jī)械已開展進(jìn)入了系統(tǒng)級(jí)集成的水平。例如微型加速度計(jì)〔ADXL-50〕、微型掃描隧道顯微鏡〔STM〕、數(shù)字光學(xué)處理〔DLP〕、微型儀器及微型姿態(tài)測(cè)控系統(tǒng)〔MIMU〕等。當(dāng)前，MEMS正向著微系統(tǒng)〔MicroSystem〕集成的方向開展。1.3MEMS開展歷史2024/12/11第一講MEMS/NMES概論241.3MEMS開展歷史2024/12/11第一講MEMS/NMES概論251.3MEMS開展歷史2024/12/11第一講MEMS/NMES概論261.3MEMS開展歷史MEMS已經(jīng)受到世界許多工業(yè)國家的重視，紛紛投以巨資開展研究。目前，國外已經(jīng)研發(fā)出的MEMS微機(jī)械結(jié)構(gòu)部件有閥門、彈簧、噴嘴、齒輪，連接器、散熱器、硅靜電電機(jī)，馬達(dá)及各種傳感器如加速度計(jì)、慣性測(cè)量組合等等，其中硅微壓力傳感器、微加速度計(jì)、陀螺、和微閥等已成為商品，具有和傳統(tǒng)產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)的能力。如奧林帕斯公司研制的直徑近1mm、長度數(shù)厘米的柔性機(jī)器人，它將形狀記憶合金SMA、傳感器及控制電路全部集成到機(jī)器人體內(nèi)，其末端能吊起1g的重塊并自由運(yùn)動(dòng)。

2024/12/11第一講MEMS/NMES概論271.3MEMS開展歷史2024/12/11第一講MEMS/NMES概論281.3MEMS開展歷史2024/12/11第一講MEMS/NMES概論291.3MEMS開展歷史隨著新MEMS和微系統(tǒng)產(chǎn)品的產(chǎn)生，這些產(chǎn)品的市場(chǎng)擴(kuò)展非常迅速。世界硅基微傳感器市場(chǎng)2024/12/11第一講MEMS/NMES概論302024/12/11第一講MEMS/NMES概論311.4MEMS涉及的主要領(lǐng)域微機(jī)電系統(tǒng)所涉及的學(xué)科及其關(guān)系2024/12/11第一講MEMS/NMES概論321.4MEMS涉及的主要領(lǐng)域軍事國防環(huán)境保護(hù)工廠維修醫(yī)療衛(wèi)生信息通信交通運(yùn)輸航空航天

……2024/12/11第一講MEMS/NMES概論331.4MEMS涉及的主要領(lǐng)域微系統(tǒng)設(shè)計(jì)和制造包括的主要科學(xué)和工程學(xué)科2024/12/11第一講MEMS/NMES概論341.4MEMS涉及的主要領(lǐng)域2024/12/11第一講MEMS/NMES概論351.4MEMS涉及的主要領(lǐng)域MEMS在汽車工業(yè)的應(yīng)用2024/12/11第一講MEMS/NMES概論36MEMS在汽車工業(yè)的應(yīng)用2024/12/11第一講MEMS/NMES概論37MEMS在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用2024/12/11第一講MEMS/NMES概論38MEMS在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用生物芯片〔包括基因芯片、蛋白質(zhì)芯片、細(xì)胞芯片等〕化學(xué)／生物微型分析和檢測(cè)芯片或儀器如：微型驅(qū)動(dòng)泵、微控制閥、通道網(wǎng)絡(luò)、樣品處理器、混合池、計(jì)量、增擴(kuò)器、反響器、別離器以及檢測(cè)器等元器件并集成為多功能芯片。2024/12/11第一講MEMS/NMES概論392024/12/11第一講MEMS/NMES概論402024/12/11第一講MEMS/NMES概論41典型的MEMS實(shí)例CloseUpofMEMSPostStyleActuatorDetailViewofMEMSElectrostaticActuator2024/12/11第一講MEMS/NMES概論42典型的MEMS實(shí)例DetailViewofMEMSMirrorEdgepriortoFinalPolishofMirrorSurfaceDetailViewofMEMXCross-CoupledActuator2024/12/11第一講MEMS/NMES概論43典型的MEMS實(shí)例LargeForceElectrostaticMEMSActuatorSegmentMEMSMirrorLiftAssembly2024/12/11第一講MEMS/NMES概論44典型的MEMS實(shí)例SectionofHighPerformanceMEMSPostActuator.UltraStiffMEMSMirrorDevice2024/12/11第一講MEMS/NMES概論452024/12/11第一講MEMS/NMES概論462024/12/11第一講MEMS/NMES概論47典型的MEMS實(shí)例mems-rom-switch-bg-ani2024/12/11第一講MEMS/NMES概論48MEMSmarketCurrentapplicationsincludepressuresensors,inertialsensors,fluidics,datastorage,displays,biochips,communicationTotalMEMSmarket1995:$1.4B(non-sensor$30M)2005:$6.7B(non-sensor$3.4B)[J.Bryzek1998]otherauthors:$13Bby2000comparewithICmarket($150B),orsoftware“enablingtechnology〞2024/12/11第一講MEMS/NMES概論49TheMEMSMarketFromthe1999SPCMarketStudyonMEMSEstimatedSalesbyTechnologyAreaErnst&YoungEntrepreneursConseilestimatestheMEMSmarkettobe$34billionindevicesand$96billioninsystemsby20022024/12/11第一講MEMS/NMES概論50MEMSmarketbysegmentPressuresensorandink-jetnozzlestillkeeps70%oftheMEMSmarketClassofproductInertialsensor:accelerometer,gyro...PressuresensorMicrofluidics:DNAchip,μTAS,nozzleOpticalMEMS:display,switches,adapt.RFtechnology:switch,filter,capacitorOthers:relay,datastorage,...2024/12/11第一講MEMS/NMES概論51FuturemarketbysegmentMicrofluidics(BioMEMS,chemicalsensor,micro-nozzl