传感器微电子机械系统

传感器微电子机械系统第1页，课件共48页，创作于2023年2月14.2微电子机械系统（MEMS)技术

及MEMS传感器MEMS传感器是采用微电子技术和微机械加工技术制造出来的新型传感器，属微电子机械系统MEMS微电子机械系统(Micro-Electro-MechanicalSystems)，是指运用微制造技术在一块普通的硅片基体上制造出集机械零件、传感器执行元件及电子元件于一体的系统。第2页，课件共48页，创作于2023年2月一、为什么采取微型化尺寸变小后强度变大：大象与蚂蚁比较，躯体尺寸虽然只差1000倍,足部粗細却相差30000倍有余

性能加强：尺寸缩小可提高固有频率，增大感知的频率范围

成本低廉第3页，课件共48页，创作于2023年2月二、微机电系统的制造技术以半导体制作技术为基础的光刻掩膜技术LGIA技术（x光深刻模造法）第4页，课件共48页，创作于2023年2月（一）光刻掩膜技术例1：悬臂梁式微加速度传感器1、结构悬臂梁－弹性元件敏感质量

2、性能指标:加速度范围:±50g固有频率:1000Hz尺寸:小于

2×2Cm2第5页，课件共48页，创作于2023年2月3、微机械结构的制作过程Step.1.在基底上涂上一层SiO2作为牺牲层，厚度为2.75μmStep.2.涂上一层阻光层第6页，课件共48页，创作于2023年2月Step.3使用掩膜形成阻光层形状

Step.4.

对SiO2进行蚀刻，蚀刻气体为CF4/H2.Step.5.使用丙酮将阻光层去除

第7页，课件共48页，创作于2023年2月Step.6沉积硅Step.8..使用掩膜形成所要的阻光层形状

Step.7.涂阻光层第8页，课件共48页，创作于2023年2月Step.9.对硅进行蚀刻，蚀刻气体为CF4(orSF6).

Step.10.用丙酮去除阻光层

Step.11.去除牺牲层获得悬臂梁结构

第9页，课件共48页，创作于2023年2月（二）LIGA技术简介LIGA是德语Lithographie微影,Galvanoformung电铸,Abformung模造的首字母缩写词，LIGA技术有三种主要工艺：x光深层光刻工艺、微电铸工艺、微复制工艺该技术使用x射线对在掩膜层下的厚阻光层PMMA

（聚甲基丙烯酸甲酯）进行曝光，将曝光的区域用化学溶剂溶解掉，随后进行微电铸出可获得各种金属微结构器件。特点：可制作高深宽比微结构。高度达数百微米，横向0.2微米，可制作非硅材料微结构：金属、塑料、陶瓷第10页，课件共48页，创作于2023年2月LIGA基本流程光刻、显影电铸第11页，课件共48页，创作于2023年2月微复制翻模二次电铸－复制第12页，课件共48页，创作于2023年2月例：LIGA工艺的微型齿轮制作过程第13页，课件共48页，创作于2023年2月第14页，课件共48页，创作于2023年2月第15页，课件共48页，创作于2023年2月三、应用实例：1、MEMS加速度计（1）技术成熟的MEMS加速度计分为三种:压电式、容感式、热感式。（2）MEMS加速度计一般用在哪里测量物理运动从而提供运动感知能力，用于机器人姿态控制，了解它现在身处的环境。是在爬山？还是在走下坡，摔倒了没有？。归纳其应用主要有以下几个方面：振动检测、姿态控制、安防报警、消费应用、动作识别、状态记录等第16页，课件共48页，创作于2023年2月MEMS被称为电子产品设计中的“明星”汽车类产品MEMS加速度计可以用来分析发动机的振动。汽车防撞气囊的启动也可以由MEMS加速度计控制。第17页，课件共48页，创作于2023年2月消费类电子产品一些用于消费电子产品的最新三轴加速计特别小，非常适用于游戏、硬盘驱动保护和安全等应用。一些加速计具有快速启动、零加速度检测特性，可实现自由落体保护和自检功能。第18页，课件共48页，创作于2023年2月压电式MEMS加速度计运用的是压电效应，在其内部有一个刚体支撑的质量块，有运动的情况下质量块会产生压力，刚体产生应变，把加速度转变成电信号输出。只能检测动态信号第19页，课件共48页，创作于2023年2月压电式MEMS加速传感器第20页，课件共48页，创作于2023年2月电容式MEMS加速度计内部也存在一个质量块，从单个单元来看，它是标准的平板电容器。加速度的变化带动活动质量块的移动从而改变平板电容两极的间距和正对面积，通过测量电容变化量来计算加速度。可检测静态信号第21页，课件共48页，创作于2023年2月ADIADXL50电容传感器测量原理第22页，课件共48页，创作于2023年2月电容式微加速度计之位移传感器镍制振动质量块，高100微米上下电极间隙为3微米右下方为机械过载止动，以防止过载破坏第23页，课件共48页，创作于2023年2月ADIADXL50：电路原理框图第24页，课件共48页，创作于2023年2月同步解调第25页，课件共48页，创作于2023年2月第26页，课件共48页，创作于2023年2月ADIADXL50反馈控制电路原理图Setloopbandwidth第27页，课件共48页，创作于2023年2月2、静电型梳状作动器ElectrostaticCombActuators下方梳狀结构与基材连接，上方梳狀结构为悬浮与一微弹簧结构连接，可受静电力吸引而移动梳尺长200微米寬20微米,齿间距5微米结构高70微米第28页，课件共48页，创作于2023年2月3、微作动器及局部放大图

第29页，课件共48页，创作于2023年2月旋转马达第30页，课件共48页，创作于2023年2月可转动的齿轮固定的轴4、活动微齿轮结构两个相互错开的直道用来限制气体流动的方向，齿轮的旋转靠直道送入的气体来驱动采用微装配技术完成活动微结构的制作第31页，课件共48页，创作于2023年2月活动微齿轮：高230mm半径200mm轴半径：80mm间隙：10mm该齿轮在气流的作用下能够平稳的转动其转速可以通过控制气流的大小来控制第32页，课件共48页，创作于2023年2月5、微齿轮机构第33页，课件共48页，创作于2023年2月6、MEMS光开关光开关是一种可对光传输线路或集成光路中的光信号进行相互转换或逻辑操作的器件，广泛使用于光纤通信系统、光纤网络系统、光纤测量系统或仪器以及光纤传感系统和光学信息处理系统中，起开关切换作用，是目前MEMS领域的一个研究的热点。第34页，课件共48页，创作于2023年2月利用微动微镜制作的光开关矩阵，在2D结构中，所有微反射镜和输入输出光纤位于同一平面上，通过静电致动器使微镜直立和倒下或使微镜以“翘翘板”的方式来实现光路的导通和断开功能。1×2，1×4，2×2的光开关第35页，课件共48页，创作于2023年2月光开关

微机械1X2光开关微机械1X8光开关第36页，课件共48页，创作于2023年2月

微机械22光开关微机械22光开关光开关第37页，课件共48页，创作于2023年2月第38页，课件共48页，创作于2023年2月7、Bio-MEMS生物微机电系统许多科学家和研究人员致力于开发新型的用于生物和医学的微机电系统设备。图为用LIGA技术制作的用于药物注射或采血聚合物和金属微型针头阵列第39页，课件共48页，创作于2023年2月8、Micropump应用实例瑞典公司H-TRONplus的产品携带式的insulin（胰岛素）注射調节器第40页，课件共48页，创作于2023年2月Micropump的结构和原理

checkvalveflap止回阀片，electrostaticactuationunit静电驱动单元第41页，课件共48页，创作于2023年2月Diaphragm,横隔膜,振动膜,counterelectrode计数器电极

chamber，腔，室第42页，课件共48页，创作于2023年2月在静电力作用下，薄膜变形产生吸力和压力第43页，课件共48页，创作于2023年2月横振膜的动力学模型第44页，课件共48页，创作于2023年2月Micropump的製程第45页，课件共48页，创作于2023年2月9、硅谐振式微型压力传感器核心部分为感压硅膜片和其表面上的构成两个H型谐振梁有压力输入时，膜片变形，使两处硅梁都产生应变，固有频率改变中心受拉