1、2022-3-61王文廉2022-3-6NUC 20122課程內(nèi)容微機電系統(tǒng)概述微系統(tǒng)的工作原理用于MEMS和微系統(tǒng)的材料微系統(tǒng)加工工藝傳感器、致動器微制造綜述微系統(tǒng)設(shè)計2022-3-6NUC 20123第一章微機電系統(tǒng)概述主要內(nèi)容：微機電系統(tǒng)基本概念及特點。微機電系統(tǒng)的歷史、發(fā)展與前景。微機電系統(tǒng)的主要特征。微機電系統(tǒng)的器件、系統(tǒng)和應(yīng)用領(lǐng)域。2022-3-6NUC 20124微觀世界光學(xué)顯微鏡電子顯微鏡2022-3-6NUC 20125分子的隔膜2022-3-6NUC 20126批量生產(chǎn) 2022-3-6NUC 20127什么是MEMS微機電系統(tǒng)（Micor Electro Mechanic

2、al Systems, MEMS）是在微電子技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，融合了硅微加工、LIGA技術(shù)和精密機械加工等多種微加工技術(shù)，并應(yīng)用現(xiàn)代信息技術(shù)構(gòu)成的微型系統(tǒng)。它包括感知和控制外界信息(力、熱、光、生、磁、化等)的傳感器和執(zhí)行器，以及進行信號處理和控制的電路。2022-3-6NUC 20128各個國家不同的定義美國：微型機電系統(tǒng)美國：微型機電系統(tǒng)MEMS: Micro electro mechanical system日本：微機械日本：微機械Micro machine歐洲：微系統(tǒng)歐洲：微系統(tǒng)Micro system2022-3-6NUC 20129從國際上開發(fā)MEMS的情況看，美國側(cè)重在微電

3、子技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過微芯片取得制造工藝的突破；日本則側(cè)重從機械加工工藝實現(xiàn)微機械的制造，強調(diào)通過非光刻的傳統(tǒng)機械線實現(xiàn)機械微型化，是一條用大機器制造小機器，用小機器造微機器的途徑；德國的特色是在LIGA工藝的應(yīng)用上取得進展。這些國家的加工工藝各有特色，但均取得顯著成效?？傮w來看，目前美國和日本處于微米/納米技術(shù)技術(shù)領(lǐng)先地位。我們應(yīng)在利用國外各種微加工工藝的基礎(chǔ)上努力創(chuàng)新。2022-3-6NUC 201210什么是微型機電系統(tǒng)傳感器模擬信號處理器數(shù)字信號處理器模擬信號處理器執(zhí)行器信息處理單元通訊/接口單元光光/電/磁其它化學(xué)聲運動能量壓力溫度信息其它感測量控制量2022-3-6NUC 20121

4、1MEMS中的核心元件一般包含兩類：一個傳感或致動元件和一個信號傳輸單元。下圖說明了在傳感器中兩類元件的功能關(guān)系。2022-3-6NUC 201212說明了致動元件和信號傳輸單元之間的功能關(guān)系。傳輸單元將輸入能量轉(zhuǎn)換成為傳感器的電壓等形式，執(zhí)行致動元件的功能。2022-3-6NUC 2012132022-3-6NUC 201214MEMS器件和MEMS系統(tǒng)清華一號清華一號(50kg, 0.07m3)清華大學(xué)聯(lián)合英國薩瑞大學(xué)研制 2022-3-6NUC 201215第一章微機電系統(tǒng)概述主要內(nèi)容：微機電系統(tǒng)基本概念及特點。微機電系統(tǒng)的歷史、發(fā)展與前景。微機電系統(tǒng)的主要特征。微機電系統(tǒng)的器件、系統(tǒng)和

5、應(yīng)用領(lǐng)域。2022-3-6NUC 201216MEMS發(fā)展歷史回顧1750s：第一個靜電發(fā)電機由本杰明.富蘭克林和安德魯 戈登發(fā)明；1822年 發(fā)現(xiàn)了半導(dǎo)體硅；1927年：申請了場效應(yīng)晶體管的專利1947年：發(fā)明鍺晶體管-技術(shù)基礎(chǔ)1954年：Smith, C.S., “在鍺和硅中的壓電效應(yīng)” ，Physical Review, 94.1, April 1954.2022-3-6NUC 201217MEMS發(fā)展歷史回顧應(yīng)變儀2022-3-6NUC 201218MEMS發(fā)展歷史回顧1958年：硅應(yīng)變儀得到商業(yè)應(yīng)用；1959年：Feynman的報告“There is plenty of room a

6、t the bottom”.1961年：第一個硅壓力傳感器研制成功2022-3-6NUC 201219MEMS發(fā)展歷史回顧1967年：發(fā)明了表面微機械加工技術(shù)；1970年：第一個硅微加速度計演示成功；1977年：第一個整體式電容式壓力傳感器；1988年：美國加州大學(xué)伯克利分校研制的靜電微電機，標(biāo)志著MEMS時代的到來；1995年：開始了Bio-MEMS的研究；圖 伯克利分校研制的微電機2022-3-6NUC 201220MEMS的發(fā)展硅微傳感器階段硅微傳感器階段1963年日本豐田研究中心制作出硅微壓力年日本豐田研究中心制作出硅微壓力傳感器。傳感器。1982年美國年美國IBM和和UCBerkel

7、ey研制了集成電研制了集成電容式加速度計。容式加速度計。硅微致動器階段硅微致動器階段1987年年UCBerkeley研制出轉(zhuǎn)子直徑為研制出轉(zhuǎn)子直徑為60120 m的硅微靜電電機。的硅微靜電電機。傳感器市場化階段傳感器市場化階段1993年美國年美國Analog Devices開始生產(chǎn)集成加開始生產(chǎn)集成加速度傳感器，開始在汽車行業(yè)大量應(yīng)用。速度傳感器，開始在汽車行業(yè)大量應(yīng)用。系統(tǒng)研究階段系統(tǒng)研究階段20世紀(jì)世紀(jì)90年代末，開始微型飛行器、微型年代末，開始微型飛行器、微型衛(wèi)星、微型機器人等研究。衛(wèi)星、微型機器人等研究。2022-3-6NUC 201221國內(nèi)MEMS的發(fā)展20世紀(jì)世紀(jì)90年代初清華大

8、學(xué)等高校開始研究。年代初清華大學(xué)等高校開始研究。目前有目前有100個左右的研究小組從事本領(lǐng)域研究個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、硅微致動器、研究主要領(lǐng)域包括硅微傳感器、硅微致動器、硅微加工技術(shù)、微系統(tǒng)等領(lǐng)域。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)部電子主要加工基地有信息產(chǎn)業(yè)部電子13所，北大所，北大微電子所，清華大學(xué)微電子所，上海交通大微電子所，清華大學(xué)微電子所，上海交通大學(xué)和上海冶金所等。學(xué)和上海冶金所等。2022-3-6NUC 201222MEMS的產(chǎn)業(yè)化及市場前景估計估計2000年年MEMS的市場為的市場為470億美圓億美圓2022-3-6NUC 2

9、01223當(dāng)前市場上存在的MEMS產(chǎn)品噴墨打印頭噴墨打印頭汽車安全氣囊用加速度傳感器汽車安全氣囊用加速度傳感器游戲桿用加速度傳感器游戲桿用加速度傳感器壓力傳感器壓力傳感器微型控制閥微型控制閥微型磁強計微型磁強計2022-3-6NUC 201224MEMS下一步的主要研究內(nèi)容光學(xué)MEMS（Optical MEMS）生物MEMS（Bio-MEMS）量子加密和計算（Quantum encrypting and computing）2022-3-6NUC 201225第一章微機電系統(tǒng)概述主要內(nèi)容：微機電系統(tǒng)基本概念及特點。微機電系統(tǒng)的歷史、發(fā)展與前景。微機電系統(tǒng)的主要特征。微機電系統(tǒng)的器件、系統(tǒng)和應(yīng)用

10、領(lǐng)域。2022-3-6NUC 201226MEMS器件的主要特征工程技術(shù)上說大批量生產(chǎn)(低成本)小尺寸 (新的應(yīng)用)性能 (改善)2022-3-6NUC 201227MEMS器件的主要特征 尺寸微小是微機電系統(tǒng)的基本特征力的尺寸效應(yīng) 在微小尺寸領(lǐng)域，與特征尺寸L的高次方成比例的慣性力、電磁力（L3）等的作用相應(yīng)減小，而與尺寸的低次方成比例的粘性力、彈性力（L2）、表面張力（L1）、靜電力（L0）等的作用相對增大，這也是MEMS常用靜電力致動的理由。 2022-3-6NUC 201228MEMS器件的主要特征表面效應(yīng) 隨著尺寸的減小，表面積（L2）與體積（L3）之比相對增大，因而熱傳導(dǎo)、化學(xué)反應(yīng)

11、等加速，表面間的磨擦阻力顯著增大。 2022-3-6NUC 201229MEMS器件的主要特征誤差影響 對于微小構(gòu)件，制造誤差與構(gòu)件尺寸之比相對增大；同時，由于微型機械往往是一次加工成型，一般不進行安裝高度和修正，這樣，微機構(gòu)的運動特性受制造誤差的影響較大。再加上彈性變形等的影響，使得運動精確度成為微機構(gòu)研究的關(guān)鍵問題。 2022-3-6NUC 201230MEMS器件的主要特征材料的尺寸效應(yīng)構(gòu)件尺寸減小，材料內(nèi)部缺陷減少，材料的機械強度顯著增加。微構(gòu)件的彈性模量、摘拉強度、斷裂韌性、疲勞強度以及殘余應(yīng)力等均與大構(gòu)件的不同，而且有些表征材料性能的物理理需要重新定義，等等。 2022-3-6NU

12、C 201231MEMS器件的主要特征 器件微型化、集成化、尺寸達(dá)到納米數(shù)量級 ；功能多樣化、智能化 ；功能特殊性 ；能耗低、靈敏度高、工作效率高 2022-3-6NUC 201232第一章微機電系統(tǒng)概述主要內(nèi)容：微機電系統(tǒng)基本概念及特點。微機電系統(tǒng)的歷史、發(fā)展與前景。微機電系統(tǒng)的主要特征。微機電系統(tǒng)的器件、系統(tǒng)和應(yīng)用領(lǐng)域。2022-3-6NUC 201233典型MEMS器件硅微馬達(dá)器2022-3-6NUC 201234典型MEMS器件硅微慣性傳感器2022-3-6NUC 201235典型MEMS器件光開關(guān)體積小、重量輕、體積小、重量輕、波長透明、插損和波長透明、插損和串?dāng)_小、開關(guān)時間串?dāng)_小、

13、開關(guān)時間短、功耗小、成本短、功耗小、成本低低2022-3-6NUC 201236典型MEMS器件微流體器件泵 腔硅硅 出口入口閥閥雙金屬膜2022-3-6NUC 201237典型MEMS器件微型噴2022-3-6NUC 201238典型MEMS器件微電源鋰三硝基甲苯甲烷燃料電池溫差電池，熱電發(fā)生器2022-3-6NUC 201239典型MEMS器件微夾鉗2022-3-6NUC 201240典型MEMS系統(tǒng)微型機器人2022-3-6NUC 201241典型MEMS系統(tǒng)微汽車車長4.8mm車速10mm/s2022-3-6NUC 201242紅外傳感器瑞士洛桑理工2022-3-6NUC 201243

14、名古屋大學(xué)2022-3-6NUC 2012442022-3-6NUC 201245典型MEMS系統(tǒng)生化分析系統(tǒng)用于生物化學(xué)化驗的集成微流體系統(tǒng)微型閥有免疫傳感器的生物過濾器有樹形分子的磁珠2022-3-6NUC 201246典型MEMS系統(tǒng)微型飛行器2022-3-6NUC 201247MEMS應(yīng)用領(lǐng)域汽車用傳感器慣性、壓力、磁場傳感器生物、醫(yī)學(xué)傳感器（器械）化學(xué)傳感器光開關(guān)微泵、微引擎、微開關(guān)光通訊器件執(zhí)行器2022-3-6NUC 2012482022-3-6NUC 201249汽車工業(yè)每部汽車內(nèi)可安裝30余個傳感器： 氣囊，壓力、溫度、濕度、氣體等微噴嘴智能汽車控制系統(tǒng)2022-3-6NUC

15、 201250MEMS的應(yīng)用2022-3-6NUC 2012512022-3-6NUC 2012522022-3-6NUC 201253This image depicts a mirror system moved by a small rotating gear用微小齒輪控制的微鏡系統(tǒng)2022-3-6NUC 201254MEMS加速度計2022-3-6NUC 2012552022-3-6NUC 201256旋轉(zhuǎn)角速率傳感器2022-3-6NUC 201257MEMS在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用人造器官：電子耳、電子眼、人造胰腺、人造心臟、起博器測試儀器：體溫計、血壓計、血糖計等微型手術(shù)器械：微手術(shù)鉗（刀

16、、剪）、微手術(shù)鉆（清理血管脂肪）、微內(nèi)窺鏡、微導(dǎo)管2022-3-6NUC 201258Blood Pressure2022-3-6NUC 201259MEMS化學(xué)傳感器陶瓷的試劑2022-3-6NUC 201260電子鼻美國橡樹嶺國家實驗室 2022-3-6NUC 201261（Virtual eality）2022-3-6NUC 201262Ultrasonic Sensors超聲傳感器鼓膜2022-3-6NUC 201263MEMS在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用軍事領(lǐng)域是MEMS技術(shù)的最早應(yīng)用點，對推動MEMS技術(shù)的進步起到了很大作用引信 安全、炮彈彈道修正、子母彈開倉控制、 侵徹點控制單兵攜帶雷達(dá)戰(zhàn)場

17、毒氣檢測和救護偵察：小飛機后勤保障2022-3-6NUC 201264v用于武器制導(dǎo)和個人導(dǎo)航的慣性導(dǎo)航組合v用于超小型、超低功率無線通訊（RF 微米/納米和微系統(tǒng)）的機電信號處理v用于軍需跟蹤、環(huán)境監(jiān)控、安全勘察和無人值守分布式傳感器v用于小型分析儀器、推進和燃燒控制的集成流量系統(tǒng)v武器安全、保險和引信v用于有條件保養(yǎng)的嵌入式傳感器和執(zhí)行器v用于高密度、低功耗的大量數(shù)據(jù)存儲器件v用于敵友識別系統(tǒng)、顯示和光纖開關(guān)的集成微光學(xué)機械器件v用于飛機分布式空氣動力學(xué)控制和自適應(yīng)光學(xué)的主動的、共型表面。2022-3-6NUC 201265魚雷雷管2022-3-6NUC 2012662022-3-6NUC

18、 201267聲電子學(xué)聲電子學(xué)混合傳感器陣列混合傳感器陣列2022-3-6NUC 201268多色儀化學(xué)遙感分光計衍射光柵2022-3-6NUC 201269軍需品2022-3-6NUC 201270微型飛行器“微星”，海軍陸戰(zhàn)隊士兵可以通過便攜式電腦的畫面，操縱“微星”偵察機，可偵察前方5km的情況2022-3-6NUC 201271微型飛行器2022-3-6NUC 201272利用昆蟲攜帶傳感器 機器昆蟲 2022-3-6NUC 201273微型芯片火箭 在6mm4mm芯片上制造出15只火箭，并在10cm2的芯片上設(shè)計了1000萬只火箭 2022-3-6NUC 201274機器人 阿蒂拉”

19、型機器人 50cm仿人機器人（東京大學(xué)） 美國麻省理工學(xué)院研制的“阿蒂拉”型機器人重1.6kg，有32臺電機，10個微處理器和150個傳感器，并帶有一臺微型攝象機 2022-3-6NUC 2012752001年，美國IEC公司研制的MIMU在155mm火炮發(fā)射 2022-3-6NUC 201276信息領(lǐng)域全光通信網(wǎng)：光開關(guān)和開關(guān)陣列、光可變衰減器、光無源互連耦合器、可調(diào)濾波器、光相干探測器、光功率限幅器、微透鏡、光交叉連接器OXC、光分插復(fù)用器OADM和波分復(fù)用器無線電話； MEMS電容、電感、傳輸線、RF MEMS濾波器、RF MEMS振蕩器、MEMS移相器、微波收發(fā)機MEMS集成化射頻前端

20、計算機；攝像頭、鼠標(biāo)投影儀、噴墨打印機數(shù)據(jù)存儲2022-3-6NUC 201277數(shù)字彩色投影顯示數(shù)字微鏡芯片（DMD）可以對光進行數(shù)字化調(diào)理，在不同的光照環(huán)境，最真實地投影圖像。2022-3-6NUC 201278 原子(微粒子)成像原理使存儲容量遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)的磁和光原理存儲。2022-3-6NUC 201279航空、航天航空：改進飛機性能、保證飛機安全舒適、減少躁聲航天：天際信息網(wǎng)、微重力測量2022-3-6NUC 201280幻影戰(zhàn)斗機2022-3-6NUC 201281噴氣發(fā)動機鎳 管火焰檢測2022-3-6NUC 2012822022-3-6NUC 201283皮(p)衛(wèi)星 2000年

21、2月用30m連接的兩個皮衛(wèi)星從母船上投放。2000年1月第一個皮衛(wèi)星發(fā)射。驗證了30m距離內(nèi)的跟蹤和通信。2022-3-6NUC 2012842022-3-6NUC 201285環(huán)境保護無人值守大氣環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)高速公路環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)消費類、玩具消費類電器模糊控制：攝象機、洗衣機虛擬現(xiàn)實目鏡、游戲棒、智能玩具2022-3-6NUC 201286其它應(yīng)用2022-3-6NUC 201287微型馬達(dá)納米馬達(dá)分子馬達(dá)2022-3-6NUC 201288ATP納米馬達(dá)的可能應(yīng)用一種超微型的生化酶分類器未分類的分子分類的分子一種超微型的ATP生化酶流量計2022-3-6NUC 201289納米電動機有望制造出納

22、米級的光學(xué)振蕩器 美國加利福尼亞大學(xué)的研究人員已制造出迄今為止最小的合成電動機，它由裝在510nm厚的碳元素納米管軸上的長度不足300nm的金質(zhì)轉(zhuǎn)子組成。這種微型電動機可在光學(xué)電路中用于改變光路，或迅速地來回旋轉(zhuǎn)以形成一個微波振蕩器。金質(zhì)轉(zhuǎn)子在一個由排布在硅表面的兩個充電定子來驅(qū)動的碳納米管軸上旋轉(zhuǎn)2022-3-6NUC 201290Atom MovingIn 1989 researchers at IBM figured out how to move single atoms on a crystalline surface using the STMThey later figured out how to move larger molecules using mechanical force 用掃描隧道顯微鏡在晶體表面