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精密技术PrecisionTechnology 李庆祥李玉和清华大学精密仪器与机械学系2005年2月 内容 1 1概述 1 2MEMS物性基础 1 3微型驱动器 1 4微型传感器 1 5微机电系统 微机电系统MEMS MOEMS MicroOpticalElectroMechanicalSystem 1 1概述 基本概念 微机器Micromachine Japan 微型电子机械系统MicroElecoMechanicalSystem USA 微系统MicroSystem Europe 尺寸范围 重要发展阶段 1962CrystallineOrientedAnisotropicEtching 各向异性腐蚀 1967OscillatingGateTransistor 牺牲腐蚀 1969 DopantDependentEtchingStop 自停止腐蚀 1970SiliconMicroElectrode 1973SiliconPressureSensor 1979IntegratedPressureSensor 1982LIGAProcess Germany 1988FirstSiliconMicroElectroStaticMotor U C Berkeley 微细工艺 微构件 微系统 加工工艺 微型化历程 一 国内外情况综述 美国最早研究并试制MEMS成功的国家 对MEMS研究始于六十年代中期 八十年后期引起普遍重视 德国 九十年代初将微电子机械系统列为新开发的重点项目 日本 在MEMS研究方面紧随美国作了大量工作 目前已成为MEMS研究最为炽热的国家 中国MEMS研究起始于八十年代末 清华大学 长春光机所 上海冶金所等单位在微型机电系统 微型惯性组合系统 微型传感器取得了可喜成果与进展 电子部13所 半导体研究所 北京大学微电子所等单位在微型机械制造工艺方面也取得了可喜进步 微型机电系统国内外投入与评价 微型机电系统国内外发展概况 国家纳米技术产业化基地 精仪系 微机电系统 专业 二 系统组成及研究内容 MEMS 指集微型机构 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 通讯和电源等于一体的微型机电系统 MEMS模型分为 独立功能单元 输入是物理信号 通过传感器转换为电信号 经过信号处理 模拟的或数字的 后 通过执行器与外界作用 微系统 采用数字或模拟信号 电 光 磁等物理量 与其它微系统进行通讯 MEMS ProcessingUnit SensoryUnit Actuator 研究范围与应用领域 微机械 微动力学 光电子学 微电子学 微系统 MEMS特征 3M 小型 Miniaturazation 多功能 Multiplicity 微电子 Microelectronics 微机电系统特征 尺寸特征 小型机械 1mm 10mm 微型机械 1 m 1mm 纳米机械 1nm 1 m 组成与研究内容 设计 制造 测试 控制 能源 材料 集成 宏观世界接口 研究范围 微电学 微机械学 微光学 微流体学 微热力学 微摩擦学 材料学 物理学 化学生物学等 理论方面 微机械材料 微能源 微细加工 高深宽比多层微结构 微装配和封接 微纳米测量 微系统控制 系统集成 微系统理论基础 尺寸缩小 物理现象与宏观世界有很大差别尺寸效应和表面效应 在微观领域可能起重要作用 系统建模 微系统理论重要组成部分 所需考虑的因素较多也较复杂 1 微系统建模及实验建模 2 有限元法分析与仿真 微观静电作用下机械结构运动特性 微操作器特性分析 微激磁器磁场分析 微悬臂梁运动分析 微泵阀静动态特性及流体特性分析以及非理想状态下 如弯曲 过腐蚀等 谐振器谐振器率分析等 设计技术 微结构设计数据库 有限元和边界元分析 CAD CAM 仿真和拟实技术 微系统建模等 微细加工技术 硅表面加工和体加工硅微细加工 LIGA 准LIGA加工 能束加工激光束电子束离子束 电火花加工特种精密加工 立体光刻成形加工 X射线光刻 微系统集成技术 微系统技术基础 微机械材料 驱动和敏感元件功能材料 微细加工新材料技术 微系统组装技术 粘接材料粘接 硅玻璃静电封接 硅硅键合技术 自对准组装技术等 微系统测量与控制技术 材料特性 微小物理量 微型元件 系统测试及微系统和多微系统控制 微系统技术基础 OpticalMEMS Bio MEMS RF MEMS InertialSensors Machining micro Systems 微系统技术基础 微型系统应用研究 微构件 微传感器和微执行器 微构件 微膜 微梁 微探针 微齿轮 微凸轮 微弹簧 微沟道 微喷嘴 微锥体 微连杆等等 微传感器 压力 力 力矩 加速度 速度 位置 流量 磁场 温度 气体成分 湿度 pH值离子浓度和生物浓度等等 微执行器 阀 泵 开关 扬声器 谐振器和微电机等 医疗及外科手术设备 人造器官 生物医疗微探针阵列 诊断治疗导管 微型泵进入体内微量施药与取样 微型手术机器人进入体内或血管的等 IntegratedDNAChip 仪器 设备和系统 微型集成仪器 微气相色谱仪 微型分析系统 微光学系统 微惯性导航系统 微型车船 微型飞机 微型卫星等 微量流体控制系统 可用于IC 制药工艺微量元素供给 控制和分析 计算机内芯片冷却系统 新型汽车发动机电子燃料喷嘴 高分辩率微型喷墨元器件等 宏 微对比 质谱仪 Massspectrograph 惯性测量系统 微型机械及微型机电系统是一门新兴的技术 将引起精密仪器设计与制造的革命 导致精密仪器向智能化 微型化 集成化 芯片化和系统工程化 应引起设计者高度重视与密切关注 使仪器赶上 纳米 时代步伐 微型机电系统理论和技术研究尚不成熟 有待继续研究 微型系统机理研究 微型机电系统设计制造基础和相关纳米级测量与控制技术研究 有实用价值典型微型机电系统研究开发 重视实用化微型传感器和微型执行器 特别是集成微型传感系统的研究开发 在微型机电系统的技术前沿 微小型移动载体的研究 关注微型机器人 微型车船和微型卫星的进展 微型机电系统发展趋势 1 2MEMS物性基础 一 尺寸效应 概念 当尺寸微小化后 机械装置与运行物理环境的影响将发生与宏观世界不同的变化 物体尺寸缩小1 10 则表面S为1 100 体积V变小1 1000 运动物体所受外力 惯性力与 粘性力与成正比 也就是说尺寸变小时 相对而言 惯性力变小而粘性力所占因此在微小物体的运动中 摩擦或流体的粘滞阻力将成为主要问题 代表尺寸L以每大103划分为不同的领域 1nm 分子领域 1 m 细菌领域 1mm 微机械的领域 1m 人类世界领域 面积 长度 2orS L2体积 长度 3orV L3面积 体积 2 3orS V2 3S kV0 67 尺寸效应 比例标准 运动的尺寸效应 二 微构件机械特性 微构件特性 很大程度上依赖于构成材料机械物理特性值 因此 在微构件设计上 必须考虑材料弹性模量 泊松比 内应力 破坏应力 疲劳强度 固有频率以及热传导率等机械物理特性 1 3微型驱动器 微执行器 micro actuator 将不同控制信号变为微小动作以实现某种功能 因而成为微机械研究的重要课题 目前已研制出电磁式电机 超声波电机 压电电机 形状记忆合金 SMA 微执行器 静电电机等微执行器 微位移结构与部件 微动操作台 三维驱动微动台 压电驱动微夹持手 微夹持器 1 4微型传感器 一 微硅加速度计二 电子隧道传感器 一 微硅加速度计 原理 敏感质量 挠性梁及框架是由一片单晶硅经各向异性刻蚀面成的 玻璃片内表面用淀积金属方法产生极板及引线图形 摆片厚度比框架薄 作为金属电极和摆片之间的间隙 这样 摆片在间隙内可自由活动 并与玻璃上的电极形成三端差动电容 电容式静电力平衡摆式硅加速度计 二 电子隧道传感器 八十年代中期开始 将扫描隧道显微镜 SEM 电子隧道原理应用于传感器设计 同期 微电子机械系统技术发展有力支持了传感器微型化 集成化 以美国为代表 开发和制成了基于电子隧道原理的微型加速度计 红外探测器 磁强计 触觉传感器 电子隧道传感器具有灵敏度高 体积小 能耗低 易集成的特点 有着良好的科研和实用前景 电子隧道传感器 特点 1 采用表面工艺完成 无需键合 装配2 平头探针结构 不影响灵敏度 可防冲击3 多晶硅悬梁结构和机械特性易于设计控制 电子隧道传感器结构 微细加工样品 1 5微机电系统 一 微陀螺仪 微机械陀螺 技术难度较大的微机电系统 MEMS 在硅微结构的微米 纳米技术基础上发展起来 由单晶硅片采用光刻和各向异性刻蚀工艺制造而成 具有显著的尺寸小 重量轻 可靠性高 抗振动冲击能力强以及大批量生产等优点 因此成本低 价格低廉 据文献报导 这类陀螺目前已经能够达到10 h漂移性能指标 在战术武器 汽车工业以及GPS导航等方面 都有广泛的应用前景 基本工作原理 由加速度计附加抖动装置组成 抖动装置有角振动和线振动两种 所以 从本质上来说 微机械陀螺是一种振动式角速度传感器 二 典型微机电系统 微型化学分析系统 微型空间探测仪器 微型流体处理系统 医疗辅助系统 电火花微细加工设备 电火花微细加工技术样件 微型飞行器 微型飞行器测控组合 微型飞行器样机 微飞行器制导测试设备 航天清华一号 小卫星 航天清华一号 是实现遥感 通信 无线电信号分析和科学实验的技术演示的低轨微小卫星 在研清华纳型卫星 清华纳型卫星外观图 基于微纳米技术重量小于10公斤纳型卫星的组网 虚拟卫星 微机械陀螺仪 Microgyroscope 微动台 柔性铰链技术位移分辨率0 1 mCCD柔性视觉反馈微动台输出力大于3 32N 微器件装配系统 横向微硅隧道加速度计 MEMS micro system micro machine MOEMS1 Verybroadintroductorytomicroengineering MEMS http www dbanks demon co uk ueng 2 AvisionforMEMSfromSandiaNationalLaboratories http www mdl sandia gov Micromachine vision html3 MEMSVirtualLearningCybercenter http www peopl