《微电子学概论》chap08

1、微机电系统Micro-Electro-Mechanical Systems1引 言信息系统微型化系统体积大大减小性能、可靠性大幅度上升功耗和价格大幅度降低信息系统的目标：微型化和集成化微电子解决电子系统的微型化非电子系统成为整个系统进一步缩小的关键2机械部分传感执行控制部分电子学MEMS微电子学34微机电系统/微电子机械系统 Micro-Electro-Mechanical Systems微机械：Micro-machine微系统：Micro-System5MEMS技术从广义上讲，MEMS是指集微型传感器、微型执行器、信号处理和控制电路、接口电路、通信系统以及电源于一体的微型机电系统MEMS技术

2、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6MEMS 微小型、智能、集成、高可靠MEMS是人类科技发展过程一次重大的技术整合微电子技术、精密加工技术、传感器技术、执行器技术微小型化、智能化、集成化、高可靠性MEMS能够完成真正意义上的微小型系统集成在芯片上实现了力、热、磁、化学到电的转变MEMS极大地改善了人类生活的质量大批量、低成本的传感器生产方式给人们更多的保护MEMS将会带动一个充满活力的产业迅速成长不是钢铁、汽车、微电子，而是微系统7ADI公司生产的微加速度计MEMS芯片8MEMS在航空、航天、汽

3、车、生物医学、环境监控、军事以及几乎人们接触到的所有领域中都有着十分广阔的应用前景微惯性传感器及微型惯性测量组合能应用于制导、卫星控制、汽车自动驾驶、汽车防撞气囊、汽车防抱死系统(ABS)、稳定控制和玩具微流量系统和微分析仪可用于微推进、伤员救护MEMS系统还可以用于医疗、高密度存储和显示、光谱分析、信息采集等等已经制造出尖端直径为5m的可以夹起一个红细胞的微型镊子，可以在磁场中飞行的象蝴蝶大小的飞机等MEMS技术的应用9MEMS技术的应用空间应用用作运行参数测量的微加速度计已进行了地面辐照实验，正在进行飞行搭载实验微陀螺、微推进和微喷管等微系统基础研究通信方面光通信正在向有光交换功能的全光通

4、信网络方向发展无线通信则要求增强功能（如联网等）和减小功耗。包括美国朗讯公司在内的一些公司和大学正在研究全光通信网用的微系统及无线通信用射频微系统10MEMS技术的应用在生物医学方面，将光、机、电、液、生化等部件集成在一起，构成一个微型芯片实验室，用于临床医学检测，为医生甚至家庭提供简单、廉价、准确和快捷的检测手段光显示、高密度存储、汽车、国防等微系统11MEMS技术的应用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15cm12MEMS技术的历史微系统是从微传感器发展而来的，已有几次突破性的进展70年代微机械压力传感器产品问世80年代末研制出硅静电微马达90年代喷墨

5、打印头，硬盘读写头、硅加速度计和数字微镜器件等相继规模化生产充分展示了微系统技术及其微系统的巨大应用前景13MEMS技术MEMS用批量化的微电子技术制造出尺寸与集成电路大小相当的非电子系统，实现电子系统和非电子系统的一体化集成从根本上解决信息系统的微型化问题实现许多以前无法实现的功能今天的MEMS与40年前的集成电路类似，MEMS对未来的社会发展将会产生什么影响目前还难以预料，但它是21世纪初一个新的产业增长点，则是无可质疑的14研究领域理论基础：随着MEMS尺寸的缩小，有些宏观的物理特性发生了改变，很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、微观摩擦机理等等，微动力学微

6、流体力学微热力学微摩擦学微光学微结构学15研究领域技术基础：设计、工艺加工(高深宽比多层微结构)、微装配工艺、微系统的测量等。应用研究：如何应用这些MEMS系统也是一门非常重要的学问。人们不仅要开发各种制造MEMS的技术，更重要的是如何将MEMS器件用于实际系统，并从中受益。16MEMS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17MEMS的分类微执行器：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

7、齿轮、微弹簧、微腔、微沟道、微锥体、微轴、微连杆等微机械光学器件：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18MEMS的分类真空微电子器件：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19MEMS制造工艺20大机器加工小机器，小机器加工微机器微机械用微电子加工技术M

8、EMS系统X光铸模+压塑技术(LIGA)从顶层向下从底层向上分子和原子级加工国防、航空航天、生物医学、环境监控、汽车都有广泛应用。2000年有120-140亿美元市场 相关市场达1000亿美元2年后市场将迅速成长MEMS微系统21MEMS制造工艺大机械制造小机械，小机械制造微机械日本为代表LIGA工艺Lithograpie(光刻)、Galvanoformung(电铸) Abformung(塑铸)德国为代表硅微机械加工工艺：体硅工艺和表面牺牲层工艺美国为代表22LIGA工艺23硅MEMS工艺化学腐蚀高深宽比深槽刻蚀键合24体硅工艺25表面牺牲层工艺表面牺牲层与CMOS工艺集成结构单独制造，灵活性

9、较大灵敏度高、寄生小、体积小简化封装和组装，可靠性高加工工艺复杂，成品率较低工艺兼容的材料种类较少电路工艺与结构加工工艺交替进行先加工电路，后加工结构先加工机械结构，再加工电路26几种重要的MEMS器件27MEMS器件惯性MEMS器件加速度计陀螺压力传感器光学MEMS器件微光开关微光学平台微执行器微喷微马达生物MEMS器件其它28加速度计 (理论基础牛顿第二定律）压阻式加速度计电容式加速度计压电式加速度计惯性器件29惯性器件30电容式微加速度计31光学MEMS器件定义Optical Transducers，MOEMS, Optical MEMS分类传统的光传感器、转换器光传感、成像、发光器件（

10、光电子）利用光进行传感的器件位置传感器、光谱仪、DNA芯片利用微机械加工方法形成的器件传统器件的新生命新型器件32传统的光传感器光传感方式成像系统(Imager)CCDCMOS发光系统LED半导体激光器等离子生物发光光调节器33发光器件场发射（FEDs）未来的显示设备(FPD)34新器件组件微镜MirrorSupportStructureSubstrate HingesTorsion Hinges1st DOF2nd DOFForce-redirecting Linkage35各种光学元器件透镜、波带片、滤波器、光栅及各种致动机构新器件组件36微光学系统微光学工作台（Micro Optical

11、 Bench）37微型显示阵列（光调制器）数字镜面显示（DMD）原理改变反射方向38DMD应用39DMD应用40光开关 微机械1X4光开关微机械1X8光开关41 微机械22光开关 微机械2 2光开关光开关42光纤固定结构V形槽各种卡紧结构43光栅及光栅光谱仪原理不同类型的光栅4445新器件组件线性马达46弧形梳齿原理应用静电47静电旋转马达原理48美国喷气推进实验室(JPL)展示的采用MEMS技术的电阻电热式微推进器样机（液体气化方式）。微推进器由薄膜加热器、微型喷口等组成。其性能目标为：比冲75125s，推力0.5mN，功率 5W，效率50%，质量为几克，大小为1cm2。微推进器49美国喷气

12、推进实验室(JPL)展示的采用MEMS技术的电阻电热式微推进器样机(固体升华方式)。微推进器由推进剂出贮箱、微阀、微过滤器、微型喷口等组成，微型喷口利用MEMS技术中的体硅工艺制作。其性能目标为：比冲5075s，推力0.5mN，功率 2W/mN，质量为几克，大小为1cm2。微推进器50美国TRW公司、航空航天公司和加州理工学院（CIT）组成的研究小组提出了一个“数字推进概念”方案。硅片上有集成电路来开启和控制每个微推进器。整个推进系统还可充当卫星的散热器，以进一步减小卫星的有效载荷。制作方法可以用目前已成熟的MEMS及LIGA技术。图为他们于99年初发表了35阵列的电阻电热式微推进器样机。微推进器51新概念的微型双组元火箭发动机结构图 组成: 由5到6片芯片叠在一起，内有混合燃烧室、喷口喷管、两个泵和两个阀以及冷却管道的多器件集成系统。用液态氧和乙醇作燃料 性能：能产生15N的推力，推力重量比达 1500:1，是大火箭推进器的10100倍，反映了微系统的潜力微推进器52结