改变世界的MEMSPPT演示课件

改变世界的MEMS,苏uyan,1、什么是MEMS,2、MEMS的起源与发展,1959年“TheresPlentyofRoomattheBottom”(R.Feynman),1962年第一个硅微型压力传感器问世,1967年美国Westinghouse公司发明表面加工工艺,2、MEMS的起源与发展,1970年，美国Kulite公司研制了第一个硅加速度计样机,1979年，惠普公司发明第一个微机械喷墨头,1977年，美国Stanford大学首先采用各向异性蚀刻制成一种微型加速度计和第一个电容式压力传感器,2、MEMS的起源与发展,1982年，Nova传感器研究所的Petersen教授发表了第一篇针对该领域的综述性文章“SiliconasaMechanicalMaterial”,1985年，德国Karlsruhe微结构研究所开发了LIGA技术。,2、MEMS的起源与发展,1987年，加州大学伯克利分校向人们展示了转子直径120m的硅微静电马达，成为MEMS技术发展历史上一个重要的里程碑。,2、MEMS的起源与发展,1988年，美国出版了“小机械，大机遇”（SmallMachines,Largeopportunities）的一本小册子。,1988年，Nova传感器所开始批量生产压力传感器。,1989年，W.CTang等人研制了第一个侧向驱动的微型谐振器。,2、MEMS的起源与发展,1992年，Cornell开发了一种体硅加工工艺SCREAMprocess（SingleCrystalReactiveIonEtchingAndMetallization）,1993年，德克萨斯仪器研制出数字微镜显示器（Digitalmirrordisplay，DMD)。,2、MEMS的起源与发展,1993年，AD公司推出第一个采用表面微机械加工的全集成的硅微加速度计。,2002年，AD公司推出第一个采用表面微机械加工的全集成的硅微机械陀螺仪。,1999年，朗讯公司研制了光纤网络开关。,2、MEMS的起源与发展,2007年，意法半导体宣布，其硅谐振器已正式提供给客户，用以取代石英晶振作为定时标准。,2007年，韩国科学技术高级研究院（KAIST）发布了使用MEMS开关的能够防止泄露的DRAM。这种器件与DRAM具有相同的电路结构，区别在于它是用MEMS开关取代晶体管。,2007年，美国麻省理工学院发明-芯片实验室(Lab-on-a-chip)，可以实现自动化全动物遗传和药物测试。小小的蠕虫在芯片内流动，由吸管和高分辨率显微镜影像固定。一旦表型被鉴定，这些蠕虫被引导晶片上相应的区域作进一步检查。,2、MEMS的起源与发展,2007年，芯片上的引擎：第一个微涡轮器诞生。10年前在MIT实验室发明出的毫米尺寸的涡轮引擎，经过不断的开发研究，将于今年夏天推出实际产品。这款新引擎可以满足制作目前世界最小的却电量更强大的电池，也可以用来做小型无人飞机或者儿童玩具的发动机。在未来，甚至可以生产出大阵列氢燃料涡轮发动机，以实现清洁、安静和节省能源的生产车间。,2007年，Wispry发布用于移动通信的MEMS数字调谐电容器样品。这些产品将低功耗CMOS控制和电压产生逻辑与可调谐RF-MEMS数字电容器阵列整合到一起，为顾客提供一个单硅片上的超线性，数字可编程，可变电容解决方案。,2、MEMS的起源与发展,2008年，宾夕法尼亚州立大学与Sandia国家实验室合作研究，认为蒸汽将很快成为微小设备的润滑剂。目前，滑动组件通常在几分钟内就失效。将器件浸在含有少量的酒精蒸气的氩气中，他们可以使微机械运行至少十万次而不失效。究竟蒸气如何润滑系统还是未解之谜。,2、MEMS的起源与发展,2009年，美国乔治亚理工学院开发出微型发电机，大约为10毫米宽，大小等同于一枚硬币，供能时间比普通电池长10倍以上。,2009年，MIT完美的纳米折纸艺术-不寻常的装配技术，可能用来制造未来的三维集成电路。纳米电子和三维集成电路是两个计算机研究中的最热门领域。,2、MEMS的起源与发展,2010年，世界在探讨各种能量收集的方法。MEMS器件实现耗散热能到电能的转换-Xie及其团队用CVD工艺在一块1平方厘米的芯片上沉积多晶硅。然后对多晶硅层进行干法刻蚀，接着注入磷原子和硼原子，形成由超过125000个热电偶组成的热电偶阵列。该热电偶阵列能够将热能转换为电能。,2010年，光MEMS时代最终到来长久以来，光MEMS一直是创新电子产品的目标，但是该技术的发展道路曲折。IBM和Intel公司相继利用传统的CMOS工具成功制造出了微机械光学结构。如波导、光栅、谐振器、调制器。,2、MEMS的起源与发展,带宽为40Gb/s的锗雪崩光探测器阵列,2011年，微型硅翅膀可以驱动未来微型无人飞机由Sandia国家实验室赞助的学生设计竞赛的获奖作品之一是用硅材料制作的微尺度蜻蜓。来自TexasTechUniversity的学生利用MEMS技术设计了这个多晶硅材质的微型蜻蜓。当蜻蜓翅膀通以小电流时就会热膨胀/卷曲，随着电流的快速通断，蜻蜓翅膀就会快速拍打，继而使飞机产生突进运动。,3、MEMS的特征,MEMS的尺度范围,（1）宏观微机械,尺寸1m，可以用传统的牛顿第二定律来描述动力学行为。,MEMS设计中适用的物理规律：,3、MEMS的特征,（2）介观微机械,尺寸1m，10nm，此时，微结构的尺寸和布朗运动粒子尺寸可比，需要考虑布朗粒子碰撞而产生的随机力。,（3）原子和分子纳机械,尺寸10nm，此时，要用量子力学来描述。,3.MEMS的特征,3.MEMS的特征,4、MEMS的影响,4.1力学力学传感器：压力传感器，微加速度计，微陀螺，麦克风力学执行器：微夹钳，微马达，微谐振器，RF开关MEMS压力传感器广泛应用于汽车电子：如TPMS(轮胎压力监测系统)、发动机机油压力传感器、汽车刹车系统空气压力传感器、汽车发动机进气歧管压力传感器(TMAP)、柴油机共轨压力传感器。消费电子：如血压计、橱用秤、健康秤，洗衣机、洗碗机、电冰箱、微波炉、烤箱、吸尘器、洗衣机、饮水机、洗碗机、太阳能热水器用液位控制压力传感器;工业电子：如数字压力表、数字流量表、工业配料称重等。,4、MEMS的影响,低端MEMS惯性传感器应用于消费电子类产品。主要用在手机、游戏机、音乐播放器、无线鼠标、数码相机、PD、硬盘保护器、智能玩具、计步器、防盗系统等便携式。由于具有加速度测量、倾斜测量、振动测量甚至转动测量等基本测量功能，有待挖掘的消费电子应用会不断出现。,中端MEMS惯性传感器作为工业级及汽车级产品，如汽车电子稳定系统(ESP或ESC)、GPS辅助导航系统，汽车安全气囊、车辆姿态测量、精密农业、工业自动化、大型医疗设备、机器人、仪器仪表、工程机械等,高端MEMS惯性传感器作为军用级和宇航级产品，主要要求高精度、全温区、抗冲击等指标。应用于通讯卫星天线、导弹导引头、光学瞄准系统等稳定性应用;飞机/导弹飞行控制、姿态控制、偏航阻尼等控制应用，以及中程导弹制导、惯性导航等制导应用，远程飞行器、船舶仪器、战场机器人、无人机等。,MEMS麦克风主要有压阻式，电容式，压电式，可动栅极FET。与驻极体电容麦克风相比，MEMS麦克风有几项优势：可以利用表面贴装工艺生产；可以耐受较高的回流焊接温度；容易与CMOS工艺和其它音频电子集成；噪声消除性能得到改进，而且不受电磁干扰（EMI）影响。,SiTimeCorp发布世界上最薄的基于MEMS的硅时钟振荡器，厚度仅为晶振振荡器的1/3。SiT8002XT具有业界领先的可编程、可靠性和交货周期，是大容量SIM卡、智能卡、手机用的封装内系统（SiP）模块、数字相机、LCD电视、媒体播放器、游戏设备、硬盘、USB等大批量便携产品的理想时钟。SiT8002XT面积3.5mmX3.0mm,典型厚度0.25mm。,4.2光学,衍射光学二元光学微镜阵列Sol-gel光学微光学加工系统集成图形转移,基于MEMS技术的WSS结构,光纤-微透镜阵列结构,2005年，贝尔实验室的Marom等人报道了一种基于MEMS技术的微透镜。,非制冷红外焦平面阵列,MEMS微显示屏,Microoled公司与法国原子能机构CEA-Leti合作开发出世界上最高效的有机发光二极管（OLED）微显示器。CMOS制造技术与OLED的灵活性相结合为微显示技术提供了前所未有的分辨率和亮度。Microoled的超级紧凑型0.38英寸WVGA微显示器适合数字摄像机、数字相机、游戏用镜片显示器。,MEMS微投影仪,Microvision采用MEMS技术把数字投影仪缩小至可由电池供电的掌上型设备大小。Optoma最新发布了基于TIDLP技术的微型投影仪。该产品体积24.10.7英寸、重量4.2盎司、分辨率480320、亮度9流明、投影距离最小为8英寸、最大8.5英尺。可以通过交流适配器或USB接口充电。,20世纪90年代后，基于传热式原理的硅微流量传感器逐渐被深入研究。以溅射在耐热玻璃上的Pt薄膜为敏感元件，在硅上刻蚀变截面的微通道，设计制造了一种基于恒流法可用于测量微升级的MEMS热式微流量传感器。热流量传感器在工业控制、医疗、汽车、化工和制药等许多领域均有着重要的应用。,4.3热,MEMS热流陀螺和热对流加速度计没有复杂的悬挂质量和振动结构，具有抗大冲击、体积小、重量轻、成本低、可批量化生产等优点。基于这些优点它可广泛应用于平台稳定系统，如照相机、摄像机等电子产品的稳定系统，市场前景十分光明；更为重要的是，它们可构成抗大冲击的惯性制导等应用。,MEMS热流惯性传感器,MEMS气体热导检测器,特点应用气体热导传感器采用硅微技术气体分析仪功耗低，温度范围宽，灵敏度高石油化工体积小，时间常数小，快速响应冶金行业可以测量非常小的气体量环保行业气体交换扩散，独立流动医疗器械集成温度补偿电阻电力行业TO8封装，抗冲击能力强检测仪器,薄膜热电器件,其热电偶臂长度减小，能处理更高的热流密度，单位面积热电转换效率提高；集成度更高，重量更轻，体积更小；更快的温差电响应速度；可用微电子制造工艺批量生产，降低成本；可用MEMS微加工手段形成各种三维立体结构，器件配置更加灵活。,霍尔效应传感器载流子磁畴磁力计磁通门磁力计隧道磁力计真空电子磁传感器超导量子干涉磁力计涡流探伤传感器共振磁传感器磁式微型马达磁头（感应式磁头，磁阻式读磁头）,4.4磁,化学领域应用的MEMS传感器包括：电阻化学传感器电容化学传感器测热传感器金属氧化物气体传感器pH计基于功函数的ADFET气体传感器铂基氢传感器离子灵敏FET使用微电极的电化学传感器,4.5化学,MetalOxideGassensor,FETGasSensor,4.6生物和医学,日本奥林巴斯医疗系统公司（OlympusMedicalSystemsCorp）于2008年10月15日开始在日本销售该公司专利的内窥镜胶囊。公司在9月份对外宣布从日本健康、劳务和福利省得到许可生产和销售小肠用胶囊式内窥镜。,德州仪器（TI）的研究人员正在开发一款基于MEMS器件的便宜、可联网的哮喘病人肺功能检测设备。该设备可以通过内置的网络和数据编码软件快速地联结到因特网。MEMS肺活量计能够测量呼入和呼出病人肺部的空气流量和体积。,4.6生物和医学,诊断学，自我组装，治疗学，分子提取，混合生物芯片，仿生材料,微量流体的传输及控制：集成微阀、微汞及微流管道等，制作出单一智慧型微流体芯片。微型化学分析系统：如可快速分析DNA的微电泳芯片及细胞分离等。生物医疗检测：如微量血液分析、自动导尿管、微量药物传输系统等。微流量控制：如气体精密流量测量和控制。,4.7微流体,微流量控制管,电化学仪器,蠕动式微汞示意图及实物图,硅橡胶垫圈及其在汞基座上装配实物图,双面的聚对二甲苯止回阀实物图,能量采集器把环境中的能量（光、热、振动）转化为电能。它在电池更换困难的场合不可或缺，例如大范围内分布的或者不易接近的地点放置的自动传感网络，汽车胎压监测系统（TPMS），工业设备的监测。,比利时IMEC研制的微加工的压电能量采集器方面取得破纪录的60uW能量输出。该采集器以氮化铝（A