MEMS和微系統(tǒng)概述.ppt

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1、MEMS和微系統(tǒng)概述工學(xué)院機械系張曉蕾目錄MEMS的定義及組成MEMS的發(fā)展史MEMS的特點典型MEMS器件及應(yīng)用一尺之錘，日取其半，萬事不絕?！f子：天下篇（公元前571年至公元前471年之間）《西游記》中孫悟空變成小蟲鉆進鐵扇公主的肚子里美國科幻電影《驚異大奇航》中在人血管中前進的微型艦艇多年的期盼發(fā)生在20世紀90年代的故事如膽結(jié)石手術(shù)、心臟搭橋手術(shù)、腫瘤切除手術(shù)等。能夠減輕病人的痛苦。1.微創(chuàng)手術(shù)腹腔插入腹腔鏡、手術(shù)工具、攝像頭等監(jiān)視器遙控操作發(fā)生在20世紀90年代的故事氣囊加速度傳感器：感受振動信號，避免強烈沖擊對駕駛員

2、造成傷害。發(fā)生在20世紀90年代的故事2.汽車中氣囊發(fā)生在20世紀90年代的故事發(fā)生在20世紀90年代的故事3.微型攝像系統(tǒng)背著微型攝像系統(tǒng)的蟑螂微型攝像機在地震廢墟中傳回圖形信號一、MEMS的定義及組成MEMS（MicroElectro-MachanicalSystem,微機電系統(tǒng))是20世紀末發(fā)展起來的一門新興的前沿學(xué)科，它是在微電子二維表面加工技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，以硅、玻璃、有機材料以及金屬材料的三維加工技術(shù)為基礎(chǔ)，結(jié)合功能材料及薄膜化制備工藝，把微型傳感單元、執(zhí)行單元、微能源以及微電子電路集成在一個芯片上的具有傳感、執(zhí)行

3、和數(shù)據(jù)處理功能的微型系統(tǒng)。1.MEMS的定義一、MEMS的定義及組成美國：微型機電系統(tǒng)(Microelectro-mechanicalSystem,MEMS)日本：微機械(Micro-machine)歐洲：微系統(tǒng)(Micro-system)我們把這些通稱為微機電系統(tǒng)(MEMS)2.MEMS的三大流派小型(mini-)機械(1mm~10mm)微型(micro-)機械(1μm~1mm)納米(nano-)機械(1nm~1μm)1μm=10-6m（微米）、1nm=10-9m（納米）1um~100μm為微米尺度100nm~1μm為亞微米尺度1

4、nm~100nm為納米尺度小于1nm為原子團簇一、MEMS的定義及組成3.微型機械尺寸范圍（按特征尺寸）微型機械三、MEMS組成MEMS是微電子同微機械的結(jié)合，如果把微電子電路比作人的大腦，微機械比作人的五官（傳感器）和手腳（執(zhí)行器），兩者的緊密結(jié)合，就是一個功能齊全而強大的微系統(tǒng)。4.MEMS的組成一、MEMS的定義及組成機械部分傳感執(zhí)行控制部分電子學(xué)MEMS控制部分微電子學(xué)傳統(tǒng)的機械電子系統(tǒng)IC工藝發(fā)展后的機械電子系統(tǒng)機械系統(tǒng)和傳感系統(tǒng)縮小后與控制系統(tǒng)平衡的MEMS4.MEMS的組成一、MEMS的定義及組成二、微機電發(fā)展史“如果

5、有一天可以按照人們的意志安排一個個原子，那將會產(chǎn)生什么樣的奇跡呢？”1959年量子物理學(xué)家理查德·費曼在加州理工學(xué)院演講推薦書：《別逗了，費曼先生：怪才歷險記》1.追溯（1）起始點（20世紀50年代末、60年代初）集成電路（IC）技術(shù)出現(xiàn)，實現(xiàn)在微米尺度上規(guī)模制作電子元器件和電路。重要研究成果：1954年：史密斯發(fā)現(xiàn)了壓阻效應(yīng)。1958年：人們用單晶硅制作了半導(dǎo)體應(yīng)變片，其靈敏度是金屬應(yīng)變片的數(shù)十倍。1962年：第一個硅壓力傳感器問世。二、微機電發(fā)展史2.三十年的積累（20世紀50年代末到20世紀80年代末）（2）萌芽階段（20世紀

6、60年代中期到20世紀80年代）開展了一些有關(guān)MEMS的零散研究：硅各向異性腐蝕技術(shù)用于在平面硅襯底上加工三維結(jié)構(gòu)。利用集成電路的加工技術(shù)制造MEMS器件，如懸臂梁、薄膜和噴嘴等。20世紀70年代，IBM實驗室研發(fā)了薄膜型硅微壓力傳感器。這種傳感器比傳統(tǒng)薄膜傳感器有更高靈敏度，并可批量化生產(chǎn)。二、微機電發(fā)展史2.三十年的積累1987年，微機電研究真正興起標志：加州大學(xué)伯克利分校研制成功了直徑為10μm的硅微馬達。第一個豐收的季節(jié)第一臺靜電微馬達3.豐收的季節(jié)（20世紀80年代末，90年代初）世界上第一個微電機（1988）12個固定電

7、極、8個轉(zhuǎn)子電極1988年，伯克利分?？蒲腥藛T為直徑約120μm的靜電馬達通電并成功使其運轉(zhuǎn)。二、微機電發(fā)展史90年代初，ADI的氣囊加速度計實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。90年代末，Sandia實驗室5層多晶硅技術(shù)代表最高水平。二、微機電發(fā)展史3.豐收的季節(jié)三、MEMS的特點MEMS器件體積小、重量輕、耗能低、慣性小、諧振頻率高、響應(yīng)時間短。因為慣性質(zhì)量小，小的系統(tǒng)比大的系統(tǒng)移動更迅速小器件的小尺寸所面臨的熱變形和振動問題會更小小系統(tǒng)除了具有更精確的性能外，它們的小尺寸也使得它們更適合應(yīng)用在藥品和手術(shù)中1.微型化主要材料：硅優(yōu)點：強度、硬度、楊氏模

8、量：與鐵相當(dāng)密度：近似鋁熱傳導(dǎo)率：接近鉬和鎢其他材料：石英，砷化鎵——基底材料玻璃、塑料和金屬——封裝材料聚合物、金屬材料——微系統(tǒng)制作硅片三、MEMS的特點2.制造材料性能穩(wěn)定用硅微加工工藝在一片硅片上可同時制造成百上千個微型機電裝