第一章-绪论教学课件

1.1微光学引言1.1.1什么是微光学、MEMS/NEMS、iMS和MOEMS?微光学：Micro-optics,是微米尺度上的光学，其中包括微米尺度的光学表面微结构。物理意义上的微光学其单元尺寸已在光波长量级。常规光学的主要理论和设计方法不适用于微光学或不能精确计算；常规的光学冷加工完全不适用于微光学制作。

MEMS：微机电系统（Microelectromechanicalsystems)（美国）；微系统技术（欧洲）；微机械（日本）特点：“小人国”–外部观察：尺寸小，但功能相同；内部观察：设计方法和工艺技术完全不同于常规机电系统。Micro(small)Electro(electriccomponents/functionality)Mechanical(mechanicalcomponents/functionality)Systems(integrated,system-likefunctionality)MEMS?-MOEMS：微光机电系统或光学MEMS,是微光学与MEMS相结合的微系统技术。是当前性能最佳、精度最高、知识密集度最高的微系统。微机械微电器微电路ＭＥＭＳ微光学MOEMS＋信息微系统（iMS）—是指外界信息通过MEMS或MOEMS技术来实现功能或动作的系统，是广泛意义上的微系统。是集微型机构微传感器微执行器以及信号处理和控制电路甚至接口通讯和电源等集成于一体的器件或系统。微光学微传感器微处理器微执行器微机械微电器输入外界物理量如力、光、声、气等输出功能或动作特点：低成本、能耗低、体积小、重量轻、高可靠性和能批量生产、可集成并实现复杂功能。分类：物理MEMS、光学MEMS、化学MEMS、生物MEMS、射频MEMS和电源MEMS(PowerMEMS)NEMS：纳米机电系统1.1.2什么是微加工微加工是用于加工MEMS或MOEMS器件的方法与技术，也称为微制造技术。微加工不同于传统的机械加工方法（机床切削、磨削、锻压、铸造和焊接等），不能用精密或超精密加工方法来完成；而是用光刻、离子注入、扩散、沉积、外延、溅射、离子刻蚀等方法实现三维微雕刻，即微加工成形。微加工技术是由微电子加工技术发展而来的，又不完全同于IC的微电子加工技术。独特的微加工技术包括表面微制造、体硅微制造和LIGA工艺。表面微制造（平面工艺）体硅微制造（三维工艺）微加工及测试LIGA微装配iMS微封装1.2形成背景与意义形成背景:具有必然性（1）信息化：是信息技术的光机电一体化关键是如何获取信息并加以处理。微型化：体积、重量实现最小化微电子学中的超大规模集成电路已使处理电路实现了微型化。微系统微机械微电器微光学微齿轮微杠杆微泵微电机微驱动微电源微透镜微棱镜微光栅………MEMSMOEMS智能化：功能的智能化，最终实现系统芯片化信息微系统动作功能知识功能能源功能驱动执行传感放大识别功能经验数据库学习功能…处理显示Lab.onchipSystemonchip或微技术或微细工业具有生命力系统的惯性质量小，小系统比大系统移动更迅速和方便；小尺寸面临的热变形和振动影响小；小尺寸便于携带，是研究分析生产能现场化和实时化；小型化可以满足航天航空中降低有效载荷的要求；微技术可以实现功能及系统的芯片化和智能化。MEMS企业：无锡美新半导体（MEMSIC）美新半导体公司成立于2019年，由赵阳博士创立。赵阳是北京人，1985年毕业于北京大学物理系，后在美国普林斯顿大学留学，师从诺贝尔奖学金获得者崔琦教授并获得博士学位，毕业后在AnalogDevices公司工作了七年。2019年赵阳成立了MEMSIC(美新)公司，并投资300万美元在无锡建立了自己的分公司及工厂。在本站记者有限的见识中，赵阳可能是第一个在中国成立半导体公司的大陆人(如果我们不计算IC设计公司,DesignHouse的话)。美新公司的主要股东还包括AnalogDevices和台积电(TSMC)。

•美新在无锡的生产工厂被称作半外包方式(semi-fabless),在台积电(TSMC)流片，在南通富士通封装，目前生产能力在每月100万/个左右，到年底将达到200万个/月的规模。美新工厂的设计生产能力为每月1500万个。•公司已成为众多世界知名厂家的合格供应商，如IBM、SONY（索尼）、Panasonic（松下）、LG、Mitsubishi、ASUS、IAC(OKWAP)、TomTom、Toshiba等…•在硅芯片中央的热源在一个空腔中产生一个悬浮的热气团；•由铝和多晶硅组成的热电耦组被等距离对称地放置在热源的四个方向；•在未受到加速度或水平放置时，温度的下降陡度是以热源为中心完全对称的，此时所有四个热电耦组因感应温度而产生的电压是相同的。

•由于自由对流热场的传递性，任何方向的加速度都会扰乱热场的轮廓，从而导致其不对称，此时四个热电耦组的输出电压会出现差异；•热电耦组输出电压的差异是直接与所感应的加速度成比例的；•在加速度传感器内部有两条完全相同的加速度信号传输路径；一条是用于测量X轴上所感应的加速度；另一条则用于测量Y轴上所感应的加速度。热对流加速度计原理应用：（1）汽车。是加速度传感器最重要的应用领域，在汽车停车，紧急刹车，防盗系统中，加速度传感器可以作为汽车的触觉系统，迅速将速度变化反馈给CPU，而相应地采取应急措施。一个普通的汽车要用到的四到五个加速度传感器，而豪华轿车要用到的加速度传感器件则多达十个以上。市场分析人士表示，汽车传感器市场在1993年的市场规模为2000万美元左右，到2019年将达到10亿美元左右。（2）消费类电子：Phone、MP3、GPS、PDA、GamePad、Joystick、Toy、GameBoy等。

美新杯MEMS大赛8月13日，2009年美新杯中国区MEMS传感器应用大赛在哈尔滨闭幕，大赛共决出特等奖一名，一等奖三名，二等奖六名，三等奖十名，其中荣获特等奖和一等奖的四个项目将代表中国大陆区参加明年1月举行的第一届微纳米应用技术国际大赛。

中国美新杯MEMS传感器应用大赛始于2019年，是由美新半导体公司冠名赞助，全球华人微纳米分子系统学会（CINS）主办，全球华人微米纳米技术合作网络（CINN）承办的一项针对中国大陆高校学生的科技竞赛活动。

大赛的宗旨是以MEMS传感器的应用为目标，引导和激励高校学生勇于创新，发现和培养一批有作为、有潜力的优秀青年科技人才，促进和加强微纳米领域产学研的结合，推动微纳米高科技产业的发展。

前两届美新杯获得巨大成功的鼓励下，本届大赛已经发展为国际性大赛。2019年1月，第一届微纳米应用技术国际大赛（The1stInternationalContestofApplicationsinNano/MicroTechnologies,简称iCAN’2009）全球总决赛将在中国福建厦门举行。据悉，德国、美国、新加坡、日本、台湾地区、香港地区等赛区的决赛正在陆续举行。2019年1月，来自全球共二十支参赛队将使用英语同场竞技，中国选手能否有所斩获还要拭目以待

2009年哈尔滨：黑龙江大学的多维空间控制器获得特等奖，华中科技大学的自助式水下寻污潜器、中北大学的智能婴儿床、西北工业大学的桌Q等三个作品获得一等奖，北京大学的探路者户外助手等六个作品获得二等奖，清华大学的对于晕动症有改善作用的座椅等十个作品获得三等奖。2019年深圳：复旦大学世博会3-D控制实体展示台荣获大赛一等奖。黑龙江大学的可视电子鱼漂、西北工业大学的微型直升飞机控制系统荣获二等奖，哈尔滨工业大学的列车弯道安全监测报警系统、东北林业大学的手语识别系统、南开大学的无线地磁停车管理系统、西北工业大学的“千里眼”多功能电子眼鱼漂、黑龙江大学的交警手势识别系统等五个作品荣获三等奖。

光学MEMS的意义将MEMS引入微光学领域，体现了MOEMS的先进性，高技术性和多功能性，是MEMS未来的发展方向。近十年由于集成光学的发展，半导体激光，光波导，微反射镜，微透镜，微光栅，微干涉也得到了发展，同时由于光扫描和光调制微器件的产生以及微执行器的产生，使光学MEMS可以用于通信网络，存储器，传感器，生物化学分析等各个方面。微机电系统（MEMS）生物医学细胞操作及合成生物分子操作智能药丸微外科血液分析微化学反应流场控制智能阀，微阀微泵流量放大器流量元件气/液传感器微光学光纤操作光准直，光调制光扫描光干涉变焦反射镜光机IC微探针STMAFMSXM近场显微镜隧道探针阵列计算机/自动化磁化打印头激光扫描微存储显示人体传感与模拟脑与神经探测神经模拟触觉模拟表层分布传感器VLSI工艺真空机械手微位置控制质量流控制先进机器人远测机器人微机器人微遥控人移动传感器微远测机器人MEMS中的光学技术光传感近场光探头光学编码及位移传感光存储波导传感及光纤传感光信号控制波长滤波器调谐激光器光开关扫描与调制微光谱微透镜光学LIGAMEMS增能微结构激光操作激光光刻扩散蚀刻三维光刻光致执行器激光增益放大MEMS和MOEMS应用领域商业应用国防应用植入或非植入生物医学传感器小型生化分析仪器心脏操作系统（如起搏器）药量控制系统（如胰岛素止痛器）神经学模拟工程及动力控制自动化安全，刹车及悬浮系统长距光通信器件及开关数据存储系统机电信号处理健康及工程健康检测（分布式传感）空气动力及流体动力分布式控制军用导航的惯导系统用于跟踪，环境及安全检测的自动分布式传感器武器点火等使用中的安全保证集成微光机敌我识别系统及元器件低功耗，高密度数据存储驱动基于维修条件的嵌入式传感及执行器用于小型化控制燃烧的集成流场系统通信中光机电信号处理航空器空气动力控制主动式分布蒙皮传感科学意义MEMS、MOEMS及iMS是将机器、系统或器件最终实现小型化或微型化的关键步骤，是科学幻想走上现实的科学技术。当前这种为系统或微技术将有以下科学意义：-在微尺度上实现光机电算一体化，使信息系统或实验室做在西片上，实现功能芯片化。-微加工、微技术实现信息产业的技术革命，如微分析、微机器人、微医学等，从而实现微观世界的科技化；-引起空间技术的革命，包括小卫星、微卫星、皮卫星等，使国防进入先进领域。经济意义新的经济增长点。1.3研究领域微系统的研究领域微光学的研究领域发展前景镜面微结构微光学阵列微光学器件Sol-gel光学集成光波导微光学技术微相干技术光学系统集成与微型化微自适应及智能化MEMSMOEMS微光机电一体化实验室芯片化系统芯片化1.4尺度效应与光技术微系统的基础理论与常规光机电系统在以下三个基本理论方面有所不同（1）尺度效应：当器件尺寸变得越来越小时，物理学中的弹性、惯性、摩擦、热容、刚性等都有根本性的变化。体积关系到质量、重量、热容,即关系到起动力、惯性力及热传导等；而表面积关系到摩擦、磨损、流体力学中的压力和浮力等。大象：S/V=104;蜻蜓：S/V=10-1.（2）微动力学力度尺寸度粗糙度尺寸mkTcYmnmμmmmm-质量T–阻力因子K刚体的弹性系数C为摩擦常数项F(t)为受到的力•常规工程中，惯性项远大于其他项；当尺度降到微米量级，力的变化更趋向静力项，尤其是刚性项kx.•尺寸变小时，刚性增加。（3）表面效应—表面效应仅和物体的尺寸、形状与粗糙度有关。—装置尺寸和形状由工程的应用形状决定，故微动力学的效应主要由表面的粗糙度决定，而粗糙度对同一性质的物体并不会随是尺寸的降低而降低，粗糙度是由制造工艺决定的。—粗糙度与尺寸之比将随着尺寸的减少而增加。故小物体的粗糙度效应比大物体明显，会影响摩擦、蠕变及振动的效果。应防止摩擦中出现爬行、振动等现象。开展微尺度效应，需要引入光学技术包括微光学技术，因为它是最灵敏与最精确的技术。1.5微光学发展概要（1）衍射光学：100多年前已形成，但制作工艺并没有跟着突破，未得到应用。（2）20世纪60年代，激光出现，出现激光全息技术，是一种微技术。但是用全息法制作的衍射元件效率低，影响应用。（3）80年代，大规模集成电路出现和成熟，开始应用于光学，出现了微结构光学。（4）80年代后期，MIT林肯实验室提出二元光学，器件效率得到大的提高。在美国被称为90年代的光学技术。（5）随着二元光学和微加工技术的进步，各种新原理、新概念和新技术在微光学领域得到迅速发展。应用领域涉及光通讯、光计算、光互连、光电探测阵列、红外成像、光束成形、光束控制、光显示以及空间与军事领域。微光学元件按照光的传播方式可分为衍射型微结构与折射型微结构两大类；微光学元件按照设计方法可分为衍射法和光线追迹法，如波带法、G-S算法、遗传算法、杨-顾算法等，可用的光学软件有Code-V、Zemax-EE、OSLO等，以及一些具有全矢量