MEMS应用的综述.ppt

2020 1 2 1 MEMS技术及应用综述 李志刚 2020 1 2 2 这次读书笔记的要点 MEMS的概述 略 MEMS的关键技术MEMS的应用一点体会 2020 1 2 3 MEMS的概述 略 MEMS是指采用微机械加工技术可以批量制作的 集微型传感器 微型机构 微型执行器以及信号处理和控制电路 接口 通讯等于一体的微型器件或微型系统 2020 1 2 4 MEMS的关键技术 MEMS技术研究内容极为广泛 其中它的关键技术有 设计技术材料的选择技术制作和加工工艺 略 测试技术 略 多传感信息融合技术微能源技术微驱动技术 2020 1 2 5 设计技术 MEMS产品设计包括系统 器件 电路 封装等设计 采用CAD能设计出具有低成本 高性能 更为复杂的新型微系统 MEMS器件的设计需要综合多学科理论分析 这大大增加了设计参数选择的难度 常规分析计算已无法满足设计要求 计算机技术的进步使得CAD技术在MEMS器件设计中得到广泛的应用 2D和3D计算机绘图技术的发展能够对复杂的MEMS结构及版图进行计算机设计 有限元分析技术的应用可以精确的计算数值求解方法来分析和预测器件的性能 对器件工作的静态 准静态和动态模拟成为可能 从而使我们能够对MEMS器件的结构和工艺进行计算机模拟和设计优化 2020 1 2 6 材料的选择技术 MEMS应用材料主要有三种 单晶硅和多晶硅 压电材料和其他类型的合成材料 硅材料 单晶硅和多晶硅 硅的机械性能好 硅的强度 硬度和扬氏模量与铁相当 密度类似铝 热传导率接近钨 是制作MEMS器件应用最为广泛的材料 在其中掺入各种杂质 能获得很好的性能 压电材料开发研究表明 压电材料可以将压强 振动等迅速转变为电信号 或将电信号转变为振动信号 也就是说压电材料在外电场的作用下可以产生微小变形 同时也可以将微小变形转变为电信号 而且新一代的压电材料还具有了条件反射和指令分析的能力 其特征和运转方式类似于人的神经系统 可执行类似于大脑的指令 压电材料的这种独特功能 使其在智能材料系统中具有广阔的应用前景合成材料最近几年材料结构的控制技术发展很快 在未来阶段 MEMS应用的新材料如 化合物 高温超导材料 磁阻材料 铁电材料 热电材料以及许多其他功能材料 这些材料是专门为MEMS传感器研究和开发的 2020 1 2 7 Example SiC SiChaslongbeenrecognizedasasemiconductorwithoutstandingphysicalandchemicalcharacteristics especiallywhencomparedtoSi Intermsofelectronicproperties SiCexhibitsalargerbandgap 2 3 3 4eV ahigherbreakdownfield 30 e5V cm ahigherthermalconductivity 3 2 4 9W cmK andahighsaturationvelocity 2 e7cm s thanSi SiChaslongbeennotedforitsexcellentmechanicalproperties specificallyhardnessandwearresistance Intermsofhardness SiChasaKnoophardnessof2480kg mm2 whichcomparesfavorablywithvaluesforotherhardmaterialssuchasdiamond 7000kg mm2 andAl2O3 2100 andgreatlyexceedsthatofSi 850 SiChasahighYoung smodulus 700Gpa whichisabout3 5timesgreaterthantheYoung smodulusofSi 190Gpa SiCisnotetchedbymostacids Itcan however beetchedbyalkalinehydroxidebases i e KOH butonlyatmoltentemperatures 600C SiCdoesnotmelt butsublimesabove1800C Simeltsat1410C ThesurfaceofSiCcanbepassivatedbytheformationofathermalSiO2layer buttheoxidationrateisveryslowwhencomparedwithSi 2020 1 2 8 多传感信息融合技术 多传感器集成和信息融合技术是目前机器人技术和微机械系统的重要研究课题之一 多传感器集成是指最佳的综合使用多传感器信息 使智能系统具有完成某一特定任务所需的完备信息 然后把这些信息进行合成 形成对环境某一特征的一种表达方式 能完善地 精确地反映环境特征 而单一传感器系统只能获得环境特征地部分信息段 多传感器系统具有以下优点 多个传感器可提供同一环境特征地冗余信息 可提供出现在当前环境中有关特征地互补信息 多个信息可以并行快速地分析当前地场景 多个传感器虽然成本较高 但具有高鲁棒性可改善完成特定工作指标 在某些传感器发生故障地情形下 可以很快重组 重新投入工作 2020 1 2 9 微能源技术 所有微型装置如微传感器 微驱动器和微处理器都需要能源驱动 而通常采用电能驱动 发展微机械系统必须弄清楚用什么能源驱动 以及如何供能 在以往的微机械系统中 常通过电缆提供电能 然而当系统微型化后 电缆的阻力变得比系统所需的工作驱动力还要大 电缆就成了系统的障碍 因此 必须开展供能系统的研究 典型的供能方法有以下两种 用电池供能 用系统内部的电池为各装置供能 典型的是用化学电池如锂电池 氧化银电池或者镍铬电池 可是由于化学电池的容量取决于其大小 很难微型化 无接触能源供给 这种能源供给方法是利用能在空气或者水中传播的能源如光 磁场 静电场 超声波和微波等通过媒介传递能源 2020 1 2 10 微驱动技术 由于微机械的微型化和基本特征决定了微机械系统的驱动器不可能是传统驱动器的模拟缩小 而必须发展与传统驱动器有着绝然不同结构和工作原理的新型微驱动器 目前研究较多的有以下几种 在此对它们作一简单介绍和性能比较 静电型驱动器 这种驱动器的动作范围较大 可以产生旋转运动 响应速度较高 力较小 驱动电压在5 15V左右 压电型驱动器 这种驱动器的动作范围相对较小 一般作直线运动 但在超声马达中可旋转 响应速度较高 其主要优点是驱动力大 驱动电压在100V左右 存在的主要问题是非线性 蠕动和滞后 超声波驱动 动作范围较大 总体性能也较好 驱动电压在5V左右 形状记忆合金 其他性能中等 主要的问题是由于要加热散热 响应速度太慢 热膨胀型驱动器 利用加热相变 膨胀收缩原理 其动作范围小 只能作直线位移 旋转很困难 而且响应速度较慢 超导驱动器 由于超导驱动器呈悬浮工作 输出力较小 2020 1 2 11 Example ElectrostaticactuatorsMagneticactuatorsPiezoelectricactuators 2020 1 2 12 Example continued ThermalactuatorsHydraulicactuators 2020 1 2 13 MEMS的应用的兴起 1963年第一个硅的微压力传感器问世 1982年K Peberson发表了一篇题为 作为机械材料的硅 的论文第一次系统地阐述了硅地机械特性及作为微机械结构地应用前景 从而开始了硅微机械传感器地飞速发展 1983年Canifornia大学Berkley分校开发出牺牲层腐蚀工艺 采用此工艺于1989年制作了第一个硅的微电机 使制作复杂执行器成为现实 从此各种新的微细加工工艺和新的MEMS器件纷纷问世 2020 1 2 14 MEMS的应用 机械领域 仪器仪表 流体控制器件微小光学器件 信息机械微型机器人微电子器件生物化学领域航空航天领域 2020 1 2 15 机械领域 MEMS用于微系统中的各种微型机械结构有微滑块 微梁 微探针 微齿轮 凸轮 微弹簧 微沟道 微喷嘴 微锥体 微轴承 微阀门和微连杆机构等 Takemicro valveasaexample Thevalvebeginsasthreeseparateparts theseat thediaphragm andtheactuator Thebaseofthevalveisknownastheseat Thisisthepartthatwillinterfacewiththerestofthemicro fluidicsystem Theseatcontainstheinletandtheoutlet aswellasasetofsealringsaroundeachopeninginsidethedevice Thecentersectionofthevalveisknownasthediaphragmwafer Ithasacircularcorrugateddiaphragm withacircularbossiseitherfullysuspendedbythediaphragm orisalsosupportedbyfoursiliconbridges Finally theactuatorconsistsofapiezoelectricdiskinarigidhousing Allthreepartsarebondedtogetherusingagold to goldthermo compressionbond 2020 1 2 16 Micro valveTheprocessforfabricatingtheseat diaphragmassemblyisoutlinedbelow 1 First sealringsandcorrugationsareetchedintotheseatanddiaphragmwafers respectively 2020 1 2 17 Micro valve 2 PatterningandDRIEetchingthroughfromthebacksidetofabricatetheinletandtheoutlet 3 Alow stress1umthicksiliconnitridemembraneisgrownoverallsurfacesofbothwafers 4 BossisreleasedusingDRIEetchingfromtopofdiaphragmwafer 2020 1 2 18 Micro valve 5 Next metalisevaporatedontothebondingsurfacesandpatternedtocreatebondingareas 6 Thebacksideofthediaphragmwaferispatternedandetchedtoreleasetheboss 7 Thewafersarebonded Fortheactuator weintendtouseasiliconhousingwithapiezoelectricdisk Metalizedviaswillbeetchedthroughthehousingtomakeelectricalcontacts Thispiecewillalsobebondedtotheseat diaphragmassemblythroughametal to metaldiffusionprocess 2020 1 2 19 仪器仪表 MEMS在仪器仪表领域的应用很广泛 一般用作仪器的信息采集部分的传感器部分 如压力传感器 加速度传感器 振动传感器 湿度传感器 温度传感器 流量传感器等等 其中像加速度传感器在汽车工业中 压力传感器在医学中都已经得到了充分的应用 下面是一个加速度传感器的例子 它在设计原理有别于传统的加速度计 2020 1 2 20 Accelerometer AccelerometersfabricatedusingMicroElectro MechanicalSystem MEMS technologyhavealreadycapturedasignificantsensormarket Inthelasttwentyyearsalargevarie tyofMEMSaccelerometershavebeendeveloped Most ifnotall oftheseaccelerometersarebasedonthesamemechanicalsystemwithaproofmassattachedtoaspring Thespringcanbeintheformofeitherathindiaphragmofacantilever amongothers Theforceresultedresultedfromacceleratingtheproofmassbendsthecantileverofdeformsthediaphragm 2020 1 2 21 Accelerometer producingastressordisplacement Thesemechanicalsignalsinturnareconvertedintoanelectricaloutputusingpiezoelectric piezoresistive orcapacitivemeans Afteryearsofinnovationanddevelopmentmanyofthesedeviceshavematuredfromresearchprototypestopracticalandmass producedcommercialaccelerometers Nevertheless thesignificantcostofthesedevices resultingfromthestringentmanufa cturerequirementsandtheneedofmanycustom processingsteps remainsaprincipalbarrierfortheirwidespreaduseinmanyapplications Figures 2020 1 2 22 Accelerometer Thesefiguresshowhowtheaccelerometerworks 2020 1 2 23 Accelerometer Thisanimationgraphicallydemonstrateshowtheairheatedbytheheaterelementisdisplacedameasurabledistancebymotion accelerationorimpact 2020 1 2 24 流体控制器件 如微泵 智能泵等 美国一些医院已经可以做用人工的智能泵来取代心脏的手术 带有微泵的药物释放机器人可以通过口服进入人体 控制药物扩散的速度 2020 1 2 25 微小光学器件 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 光功率分配器等 使用微型制造技术来生产尺寸更小的分立式或阵列式光学部件 它不仅可以完成普通光学设备所具备的许多光学功能 如 折射 衍射 反射 散射和致偏等 而且在尺寸 体积 重量与成本上具有极大的优势 2020 1 2 26 ElectrostaticTorsionMirrorsforFiberOpticSwitch 2020 1 2 27 ElectrostaticTorsionMirrorsforFiberOpticSwitch 2020 1 2 28 信息机械 如磁头 打字机 扫描器 超精细彩色喷墨打印头 微麦克风 超大容量存储器等 2020 1 2 29 微型机器人 如微机器人 微型夹持器 如静电式微型镊子 微位移平台 多自由度机械手等 可用于极限环境如微型管道检修 2020 1 2 30 微电子器件 微电子器件 如RF MEMS有微机械电容 电感 微机械滤波器和谐振器 微传输线和微型波导 微型开关 微机械阵列天线等 值得一提的是纳米电子器件 以纳米颗粒效应为基础的纳米器件是纳米科技体系的产物 利用具有半导体性质的纳米管与具有金属性质的纳米管组装成具有隧道结构的纳米碳管很可能发展成为新型的纳米器件 特别是按照组织原理设计的新型材料 该材料在机械 电子 光学 磁学