《微机电系统》PPT课件.pptx

微机电系统,高XX 机研122班,主要内容：,微机电系统的概念 微机电系统的发展历史 微机电系统的特点 微机电系统的研究内容 微机电系统的分类 微机电系统应用 几种典型微机电系统 微机电系统的封装 微机电系统的公司 总结,微机电系统的概念,微机电系统 （micro-electromechanicalsystemMEMS）是指可批量制作的，集微型机构、微型传感器、微型执行器以及信号处理和控制电路、直至接口、通信和电源等于一体的微型器件或系统。 MEMS是随着半导体集成电路微细加工技术和超精密机械加工技术的发展而发展起来的。 微机电系统(MEMS)基本上是指尺寸在几厘米以下乃至更小的小型装置，是一个独立的智能系统，主要由传感器、作动器（执行器）和微能源三大部分组成。 MEMS技术是一种多学科交叉的前沿性领域，它几乎涉及到自然及工程科学的所有领域，如电子、机械、光学、物理学、化学、生物医学、材料科学、能源科学等。,各个国家不同的定义,美国：微型机电系统 MEMS: Micro electro mechanical system 日本：微机械 Micro machine 欧洲：微系统 Micro system,微机电系统,微机电系统的发展历史,MEMS第一轮商业化浪潮始于20世纪70年代末80年代初，当时用大型蚀刻硅片结构和背蚀刻膜片制作压力传感器。由于薄硅片振动膜在压力下变形，会影响其表面的压敏电阻曲线，这种变化可以把压力转换成电信号。后来的电路则包括电容感应移动质量加速计，用于触发汽车安全气囊和定位陀螺仪。 第二轮商业化出现于20世纪90年代，主要围绕着PC和信息技术的兴起。TI公司根据静电驱动斜微镜阵列推出了投影仪，而热式喷墨打印头现在仍然大行其道。 第三轮商业化可以说出现于世纪之交，微光学器件通过全光开关及相关器件而成为光纤通讯的补充。尽管该市场现在萧条，但微光学器件从长期看来将是MEMS一个增长强劲的领域。,微机电系统的发展历史,目前MEMS产业呈现的新趋势是产品应用的扩展，其开始向工业、医疗、测试仪器等新领域MEMS第一轮商业化浪潮始于20世纪70年代末80年代初，当时扩张。推动第四轮商业化的其它应用包括一些面向射频无源元件、在硅片上制作的音频、生物和神经元探针，以及所谓的片上实验室生化药品开发系统和微型药品输送系统的静态和移动器件。,MEMS发展历史回顾,1947年：发明晶体管-技术基础 压力传感器： 54年：Si、Ge压阻效应 66年：机械研磨做硅腔 70年：各向同性腐蚀硅腔 76年：KOH 腐蚀，MEMS加工手段 80年代：集成式压力传感器 目前：新机理压力传感器,微机电系统的发展历史,82年：美国U.C. Bekeley，表面牺牲层技术 微型静电马达成功 MEMS进入新纪元,微机电系统的发展历史,九十年代初ADI公司的气囊加速度计实现产业化,微机电系统的发展历史,90年代中：ICP（电感耦合等离子体）的出现促进体硅工艺的快速发展,微机电系统的发展历史,九十年代末Sandia实验室5层多晶硅技术代表最高水平,微机电系统的发展历史,国内MEMS的发展 20世纪90年代初清华大学等高校开始研究 目前有100个左右的研究小组从事本领域研究， 研究主要领域包括硅微传感器、硅微致动器、硅微加工技术、微系统等领域。 主要加工基地有信息产业部电子13所，北大微电子所，清华大学微电子所，上海交通大学和上海冶金所等。,微机电系统的特点,微型化 智能化 多功能 高集成度 适于大批量生产,微机电系统的特点,和半导体电路相同，使用刻蚀、光刻等制造工艺，不需要组装、调整； 进一步可以将机械可动部、电子线路、传感器等集成到一片硅板上； 它很少占用地方，可以在一般的机器人到不了的狭窄场所或条件恶劣的地方使用； 由于工作部件的质量小，高速动作可能； 由于它的尺寸很小，热膨胀等的影响小； 它产生的力和积蓄的能量很小，本质上比较安全。,微机电系统的特点,微系统并不是传统机械的体积的简单缩小, 它在力和运动原理、材料特性、加工工艺等方面都发生了明显的变化。 1) 宏观领域内作用微小的力在微观领域内有可能起重要作用。在微小尺寸领域, 与特征尺寸L 成高次方的惯性力、电磁力( L3) 的作用相对减少, 而与尺寸低次方成比例的粘性力、弹性力( L2) , 表面张力( L1) , 静电力( L0) 等的作用相对增大。这就是微系统常用静电力致动的原因。 2) 微系统中大量应用各种薄膜材料。薄膜的厚度一般在几十纳米到几十微米。这些薄膜的机械、物理特性与宏观尺寸相同的材料的特性有很大差别,其加工制作方法也不一样。材料绝对尺寸减小到一定程度时, 材料的许多性能将发生巨大变化乃至质变。传统的关于材料的各种理论和研究方法已不完全适合于微材料特性的研究。,3) 性能稳定, 可靠性高。由于微系统的体积很小, 几乎不受热膨胀、噪音和挠曲等因素的影响, 具有很强的抗干扰性, 可在较差的环境下稳定工作。,微机电系统的特点,控制部分 电子学,机械 部分 传感 执行,微电子学,MEMS,微机电系统的研究内容,MEMS技术的目标是通过系统的微型化、集成化来探索具有新原理、新功能的元件和系统。MEMS技术是一种典型的多学科交叉的前沿性研究领域，几乎涉及到自然及工程科学的所有领域，如电子技术、机械技术、物理学、化学、生物医学、材料科学、能源科学等。其研究内容一般可以归纳为以下三个基本方面： 1、MEMS理论基础 2、MEMS技术基础 3、MEMS应用研究,微机电系统的研究内容理论基础,在当前MEMS所能达到的尺度下，宏观世界基本的物理规律仍然起作用，但由于尺寸缩小带来的影响（Scaling Effects），许多物理现象与宏观世界有很大区别，因此许多原来的理论基础都会发生变化，如力的尺寸效应、微结构的表面效应、微观摩擦机理等，因此有必要对微动力学、微流体力学、微热力学、微摩擦学、微光学和微结构学进行深入的研究。这一方面的研究虽然受到重视，但难度较大，往往需要多学科的学者进行基础研究。,微机电系统的研究内容技术基础,MEMS的技术基础可以分为以下几个方面： （1）设计与仿真技术； （2）材料与加工技术； （3）封装与装配技术； （4）测量与测试技术； （5）集成与系统技术,微机电系统的研究内容应用研究,人们不仅要开发各种制造MEMS的技术，更重要的是如何将MEMS技术与航空航天、信息通信、生物化学、医疗、自动控制、消费电子以及兵器等应用领域相结合，制作出符合各领域要求的微传感器、微执行器、微结构等MEMS器件与系统。 MEMS还用于大量声波双工器（BulkAcousticWaveduplexer）与滤波器、麦克风、MEMS自动聚焦致动器、压力感测器、MEMS微微型投影仪，甚至MEMS陀螺仪。,微机电系统的分类,微传感器： 机械类：力学、力矩、加速度、速度、角速度(陀螺)、位置、流量传感器 磁学类：磁通计、磁场计 热学类：温度计 化学类：气体成分、湿度、PH值和离子浓度传感器 生物学类：DNA芯片 微执行器：微马达、微齿轮、微泵、微阀门、微开关、微喷射器、微扬声器、微谐振器等 微型构件：微膜、微梁、微探针、微齿轮、微弹簧、微腔、微沟道、微锥体、微轴、微连杆等,微机电系统的分类,微机械光学器件：微镜阵列、微光扫描器、微光阀、微斩光器、微干涉仪、微光开关、微可变焦透镜、微外腔激光器、光编码器等 真空微电子器件：它是微电子技术、MEMS技术和真空电子学发展的产物，具有极快的开关速度、非常好的抗辐照能力和极佳的温度特性。主要包括场发射显示器、场发射照明器件、真空微电子毫米波器件、真空微电子传感器等 电力电子器件：包括利用MEMS技术制作的垂直导电型MOS(VMOS)器件、V型槽垂直导电型MOS(VVMOS)器件等各类高压大电流器件,微机电系统的应用,包括： 军事领域 信息领域 航空、航天 生物、医疗 汽车 工业控制 环境保护 消费类、玩具,2008 年中国MEMS 市场结构,在军事中的应用,军事领域是MEMS技术的最早应用点，对推动MEMS 技术的进步起到了很大作用 引信 安全、炮弹弹道修正、子母弹开仓控制、 侵彻点控制 单兵携带 雷达 战场毒气检测和救护 侦察：小飞机 后勤保障,在军事中的应用,用于武器制导和个人导航的惯性导航组合 用于超小型、超低功率无线通讯（RF 微米/纳米和微系统）的机电信号处理 用于军需跟踪、环境监控、安全勘察和无人值守分布式传感器 用于小型分析仪器、推进和燃烧控制的集成流量系统 武器安全、保险和引信 用于有条件保养的嵌入式传感器和执行器 用于高密度、低功耗的大量数据存储器件 用于敌友识别系统、显示和光纤开关的集成微光学机械器件 用于飞机分布式空气动力学控制和自适应光学的主动的、共型表面。,在军事中的应用,作为一个在海上应用的实例 ,MEMS引信 /保险和引爆F/SA 装置已成功地用于潜艇鱼雷对抗武器上。引信 /保险和引爆装置的工作包括 3个独立步骤:发射鱼雷后 ,解除炸药保险、引爆 引信 和防止在不正确时间爆炸保险 。 陆地上的应用包括灵活且坚固的爆破装置、发射装置和其他使用 MEMS惯性制导系统的武器平台。MEMS轮胎压力传感器已经用在美国军队装甲运兵车的轮胎中。分布式战场微型传感器网络系统是可以准确地探测与查明敌人的作战部署与军队调动的新型探测装置 ,这种微型机电系统在布设、耐久和易损性等方面有明显的优点。 在空中应用方面 ,MEMS压力传感器已在 F-14战斗机弹射座的助推火箭上进行了测试 。喷射式涡轮发动机使用的适于在恶劣环境下工作的材料 ,被用于各种监视该类发动机内部动力学特性的传感器上。,航空航天,航空：改进飞机性能、保证飞机安全舒适、减少躁声 航天：天际信息网、微重力测量,信息领域,全光通信网：光开关和开关阵列、光可变衰减器、光无源互连耦合器、可调滤波器、光相干探测器、光功率限幅器、微透镜、光交叉连接器OXC、光分插复用器OADM和波分复用器 无线电话； MEMS电容、电感、传输线、RF MEMS滤波器、RF MEMS振荡器、MEMS移相器、微波收发机MEMS集成化射频前端 计算机；摄像头、鼠标 投影仪、喷墨打印机 数据存储,信息领域,汽车工业,每部汽车内可安装30余个传感器： 气囊，压力、温度、湿度、气体等 微喷嘴 智能汽车控制系统,在汽车领域，MEMS被用于导航和信息娱乐设备中,工业控制,化工厂 自动化控制中的探测器等,环境保护,无人值守大气环境监测网 高速公路环境监测网,消费类、玩具,消费类电器模糊控制：摄象机、洗衣机 虚拟现实目镜、游戏棒、智能玩具,生物医疗和生物医学方面的应用,微机械技术在生物医疗中的应用尤其令人惊叹。例如:将微型传感器用口服或皮下注射法送入人体 ,就可对体内的五脏六腑进行直接有效的监测 。将特制的微型机器人送入人体 ,可刮去导致心脏病的油脂沉积物 ,除去体内的胆固醇 ,可探测和清除人体内的癌细胞 ,进行视网膜开刀时 ,大夫可将遥控机器人放入眼球内 ,在细胞操作、细胞融合、精细外科、血管、肠道内自动送药等方面应用甚广。MEMS的微小 可进入很小的器官和组织 和智能 能自动地进行细微精确的操作 的特点 ,可大大提高介入治疗的精度 ,直接进入相应病变地进行工作 ,降低手术风险。同时 ,可进行基因分析和遗传诊断 ,利用微加工技术制造各种微泵、微阀、微摄子、微沟槽、微器皿和微流量计的器件适合于操作生物细胞和生物大分子。所以 ,微机械在现代医疗技术中的应用潜力巨大 ,为人类最后征服各种绝症延长寿命带来了希望。,飞思卡尔的MPL115A等MEMS数字气压计可用作智能绷带，通过负差压测量进行疗伤。,这款超声波压力测量传感探头通过压电效应来实现人体组织的 无创性测量。此探头由日本工业技术协会开发。,这种摄像头的镜头采用高硼硅浮法玻璃设计，这使得朝向被摄物体的表面是扁平的，从而最大限度地减少镜头与被摄物体之间存在中间物所产生的影响。因此，当系统在与体液接触的环境中工作时，仅有镜头的开度角减小。,Triggerfish的眼科植入体可以24小时测量、监测和控制病人的眼压水平，以便及时发现青光眼的早期症状。该植入体由Sensimed公司和意法半导体联合开发。,典型微机电系统MEMS加速计,MEMS技术在手机和PDA中的使用率正在提高，目前市场上采用MEM加速计的手机越来越多。手机中的MEMS加速计使人机界面变得更简单、更直观，通过手的动作就可以操作界面功能，全面增强了用户的使用体验。,MEMS加速计,根据终端设备的指向，MEMS传感器可以把图像、视频和网页(无论是人物肖像还是风景画面)进行旋转。通过上下左右倾斜手机，还可以查看手机菜单；只要轻轻击打手机机身，就可以在屏幕上选中不同的图标，所有这些智能功能离不开新一代MEMS器件内嵌的先进数字技术。 有了MEMS加速计，只要把设备向某一方向倾斜，就能在小屏幕上详细查看地图，显示放大的图像。MEMS还能检测到用户抖动手机和MP3播放器的动作，这个简单的手势可以让播放器跳到下一首歌或返回到上一首歌。 MEMS加速计与陀螺仪配合使用，可以把更先进的选择功能变为现实，例如：能够在空中操作的三维鼠标和遥控器。在这些设备中，传感器检测到用户的手势，将其转换成PC屏幕上的光标移动或机顶盒和电视机的频道和功能选择。,典型微机电系统MEMS陀螺仪,陀螺仪能够测量沿一个轴或几个轴运动的角速度，是补充MEMS加速计功能的理想技术。事实上，如果组合使用加速计和陀螺仪这两种传感器，系统设计人员就可以跟踪并捕捉三维空间的完整运动，为最终用户提供现场感更强的用户使用体验、精确的导航系统以及其它功能。 在系统方面，陀螺仪的信号调节电路可简化为电机驱动部分和加速传感器感应电路两部分： - 电机驱动部分通过静电驱动方法，使机械元件前后振荡，产生谐振; - 感应部分通过测量电容变化来测量科里奥利力在感应质点上产生的位移，这是一个稳健、可靠的技术，被成功地用于ST的MEMS产品线，能够提供强度与施加在传感器上的角速率成正比的模拟或数字信号。,目前大多数手机都含有MEMS传感器实现重力加速计和陀螺仪的功能，例如被用在iPhone中。通过对旋转时运动的感知，iPhone可以自动地改变横竖屏显示，以便消费者能够以合适的水平和垂直视角看到完整的页面或者数字图片,典型微机电系统微型飞行器 MAV(Micro Aerial Vehicle),微型飞行器MAV(Micro Aerial Vehicle),微型飞行器MAV(Micro Aerial Vehicle),微型飞行器MAV(Micro Aerial Vehicle),微型飞行器MAV,微型飞行器MAV,典型应用系统微小型卫星,美国提出的硅固态卫星的概念图，这个卫星除了蓄电池外，全由硅片构成，直径仅15cm,典型应用系统微型机器人,微机电系统的封装,目前相对落后的封装技术已成为制约MEMS产品产业化的瓶颈,研究与开发低成本、高性能的高密度封装关键技术已成为MEMS 领域的一项重要课题,几乎每次国际MEMS 会议都会对封装技术进行热烈的讨论。早期的MEMS 封装基本上沿用了传统的微电子封装工艺,随着MEMS 器件种类的日益繁多和结构的日趋复杂,其封装工艺也变得相当复杂。MEMS 封装没有相对统一的封装标准,不同的MEMS 器件封装差别很大,增加了封装的难度和成本。此外,在使用寿命期间的性能维护同样也是一个很重要的问题。MEMS 一旦封装完毕就无法进行再冲洗,MEMS 模具必须避免吸附因激光雕刻所产生的泥浆和颗粒。来自机器或环境的灰尘同样有可能阻止MEMS 的运动,并影响控制运动的电磁场,因此制备MEMS 模具也必须在可控的、密封的、绝对无尘室里完成。,微机电系统的封装,目前在MEMS 封装中较常用的封装技术有无引线陶瓷芯片载体封装、真空封装、高压静电封装、低温硅直接键合、阻尼控制封装、保护涂层封装以及全片钝化封装等,在微电子封装中备受青睐的倒装芯片封装、上下球栅阵列封装、多芯片模块封装、倒装与引线键合等相结合的32D 封装技术已逐渐成为MEMS 封装中的主流。用于MEMS 封装的材料主要有陶瓷、金属、铸模塑料等多种,高可靠性产品的壳体大多采用陶瓷2金属、陶瓷2玻璃、金属2玻璃等结构。近年来,聚合物封装因其成本低廉、工艺简单、可规模化生产而成为研究的热点。ZimmermanM 等采用预成型的液晶高分子聚合物(LCP) 实现了MEMS 微陀螺器件封装; SU Yu2chuan 等采用局部热键合方法实现了PMMA、PC 和PVDC的封盖键合封装;,微机电系统的封装,北京大学李志宏等采用聚合物粘附剂键合方法实现了圆片级MEMS 微流体芯片的封装。当前,开发低成本、高性能的封装方法,建立MEMS 封装单元库,注重芯片制造与封装的集成与整合,已成为封装技术的重要的发展趋势。,微机电系统的封装,从传感器的应用来说，有些MEMS器件的封装必须能够和环境进行相互影响。例如，在压阻传感器内，封装应力就会影响传感器的输出。当封装中不同材料混合使用时，它们的膨胀和收缩系数不同，因此，这些变化引起的应力就附加在传感器的压力值中。在光学MEMS器件中，由于冲击、震动或热膨胀等原因而产生的封装应力会使光器件和光纤之间的对准发生偏移。在高精度加速度计和陀螺仪中，封装需要和ME