第一章微光机电系统绪论

微光机电系统（导论）北京航空航天大学光电工程系周震

2014年9月16日一、课程目标

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掌握微光机电系统的基本概念与原理、主要加工工艺、关键表征及检测技术，对微光机电系统的应用及其发展有大致的了解；•

培养学生分析微光机电系统和综合应用微光机电技术的能力，可以进行MOEMS系统的初步设计（结构、工艺及检测）；•

为开展微光机电系统及相关技术的研究奠定基础。二、课程设置的必要性

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微光机电技术快速发展的需要•

学科发展的需要•

学生对该领域知识的迫切需求三、课程内容五个章节：第一章微光机电系统概述第二章典型的微结构制造工艺第三章MOEMS传感器第四章MOEMS执行器第五章MOEMS设计与仿真实验（工艺+上机）前沿技术专题报告三、课程内容第一章微光机电系统概述微光机电系统的概念与内涵介绍微光机电系统的发展历史和应用状况以及微光机电技术的发展趋势

简要说明本课程的知识结构，让学生对本课程有一个较全面的了解。三、课程内容第二章典型的微结构制造工艺简述微制造工艺流程介绍三种常用的微制造工艺

-表面工艺

-体硅工艺

-LIGA工艺介绍典型微制造技术

-曝光

-刻蚀

-薄膜淀积三、课程内容第三章MOEMS传感器

分类及应用典型MOEMS传感器介绍

-微光学器件

-微力学器件

-其它微器件三、课程内容第四章MOEMS执行器

分类及应用典型MOEMS执行器介绍

三、课程内容第五章MOEMS设计与仿真分析“微型化”带来的特殊理论问题通过典型实例，使学生了解MOEMS的设计及工艺过程介绍MOEMS的设计仿真软件及相关应用技术三、课程内容两个实验：实验1：超净间设备演示及光刻实验实验2：MOEMS设计软件上机实验四、课程讲授与考核讲授及学习方法：-采用多媒体方式以课堂讲授为主，并通过实验、报告辅助教学-结合课堂讨论、自学、文献查阅等方法，要求学生完成必要的大作业。考核方式：平时成绩结合期末考试-平时:

30%-考试:70%四、课程讲授与考核课程类别：-专业课学时：32

-课内外比例为1：0.5，要求学生完成必要的文献翻译和论文阅读。五、主要参考书微光机电系统（MOEMS），张文栋，熊继军，机械工业出版社，2006年微光机电系统，泽田廉士等著，李元燮译，科学出版社，2005年微加工导论，SamiFranssila著，陈迪等译，电子工业出版社，2006年微惯性技术，刘俊等著，电子工业出版社，2005年微机械光子学（英文影印版），H.Ukita，科学出版社，2007年FundamentalsofMicrofabrication,MarcMadou,CRCPress，2003微传感器与微执行器全书(MicromachinedtransducersSourcebook)，GregoryT.A.KOVACS（美）著，张文栋等译，科学出版社，2003微系统设计，StephenD.Senturia（美）著，刘泽文等译，电子工业出版社，2004我的联系方式：地址：光电所305联系电话82316906-878E-mail：zhouzhen@第一章微光机电系统概述目录

WhatisMOEMS？

WhyMOEMS？

HowMOEMS?自然中的微小世界尺度1m human人1cm beetle甲虫1mm headlouse跳蚤100μm hair头发10μm bloodcells血球1μm bacteria细菌100nm virus病毒10nm IC

features线宽1nm DNA双螺旋结构0.1-0.3nm atom原子1959年美国著名物理学家、诺贝尔奖获得者RichardP.Feynman在“在底层大有作为”的演说中提出，用小的机器制作更小的机器，最后将根据人类意愿，逐个地排列原子，制造产品。他的量子动力学获1965年的诺贝尔奖。最早提出了微型机器和纳米技术的设想。There’sPlentyofRoom

attheBottom…I’dliketodescribeafield,inwhichlittlehasbeendone,butinwhichenormousamountcanbedone.

设想的提出RichardP.FeynmanRF：FeynmanRP.ThereisPlentyofRoomattheBottom[J]EngineeringandScience,1960.20

“There’sPlentyofRoomattheBottom”RichardFeynman,19591982年国际商业机器公司(IBM)苏黎世实验室的两位专家GerdBinnig教授和HeinrichRohrer博士研制出扫描隧道显微镜--STM，获得1986年的诺贝尔物理学奖。STM能获得物质表面原子量级尺寸分辨率的图象，还可用作操纵和移动物质表面原子和分子的工具，此后，相继发明了一系列扫描探针显微镜（如原子力显微镜等，通称为扫描探针显微镜SPMs），是纳米技术迅速发展的关键技术。1990年美国IBM公司在镍表面用36个氙原子排出“IBM”；1993年中科院北京真空物理实验室操纵原子写出“中国”二字。进入纳米世界的“眼睛”和“手指”－扫描隧道显微镜(STM--ScanningTunnelingMicroscopy)被发明Fullerene结构的发现1985年Fullerene富勒烯结构被发现，RobertF.Curl,Jr.,SirHaroldW.Kroto,和RichardE.Smalley因此获1996年诺贝尔化学奖。1991年，日本人发现碳纳米管。碳纳米管的质量是钢的六分之一，强度却是钢的100倍，成为纳米技术研究的热点。纳米碳管是未来制造纤维的最佳材料，也将用于超微导线、超微开关和纳米电子器件等。金刚石C60碳纳米管石墨

微型化历程

MicrofabricationandMiniaturization

History：1960s－1980s的萌芽期

History：1960s－1980s的萌芽期

History：1990s高速发展期

ADXLaccelerometer

DigitalLightProcessor(DLP),TI

OpticalMEMS

BioMEMS

RFMEMS

Microfluidics

NEMS

开始显现IC技术的吞噬效应

Future

名词和术语－什么是MEMS?习惯的名词MEMS：MicroElectroMechanicalSystem (微机电系统、美国)MicroMachine(微机器、日本)MicroSystems(微系统、欧洲)一种认识一种技术平台（ATechnicalPlatform）一类新产品（PhysicalProducts）一种方法学（AMethodology）WhatisMEMS？什么是MEMS的尺度？MEMS：特征尺度为微米量级NEMS：特征尺度为纳米量级什么是MEMS－

微机械+微电子?RichardS.MullerUCB,Berkeley,CA,USA世界上第一台静电驱动的微机械马达(1987)转子直径60--120μm的硅微静电电机Long-ShenFan,Yu-ChongTaiandR.S.Muller,1989,IC-processedelectrostaticmicromotors,Sensors&Actuators,2041–7WhatisMEMS?-微系统

微小机器WhatisMEMS?-微系统

WhatisMOEMS•

微光机电系统（MOEMS-Micro-opto-electro-mechanicalsystem，OpticalMEMS）-区别：加了一个“o”-驱动力：微光学、微光器件及微光机电一体化集成技术的发展-定义1：微光学、微电子和微机械相结合而产生的一种新型微光学结构系统-定义2：微光机电一体化系统MOEMS-Micro-opto-electro-mechanicalSystems-利用微米/纳米技术，形成微/纳系统，集成了光机电等多种元件Micro-MechanicsMicro-ElectronicsMicro-OpticsMicro-MechanicsMicro-ElectronicsMicro-OpticsMOEMSMOEMS-Micro-opto-electro-mechanicalSystems-利用微米/纳米技术，形成微/纳系统，集成了光机电等多种元件Micro-MechanicsMicro-ElectronicsMicro-Optics微光机电系統在信息、军事、航天、医学、工业等领域有着广阔的应用前景。朗讯路由器中的微镜阵列112x112光交叉连接微光学平台，用于光盘的读写头。光开关光谱仪光收发组件微光机电系統在信息、军事、航天、医学、工业等领域有着广阔的应用前景。什么是MEMS多学科性?什么是MEMS多学科性?MEMS:

MultiDisciplinaryScienceMEMS中的科学问题Micro-XMicro-mechanisms 微机构学Micro-dynamics 微动力学Micro-electronics 微电子学Micro-optics 微光学Micro-fluidics 微流体Micro-thermodynamics 微热力学Micro-tribology 微摩擦学……

什么是MEMS的多样性?以功能分类：微传感器微执行器微系统…以操纵对象或应用分类（X－MEMS）InertialMEMS（惯性）OpticalMEMS(MOEMS)（光）RFMEMS（射频）BioMEMS（生物）ChemicalMEMS（化学）PowerMEMS（能源）…什么是MEMS－制造是基础?从微电子技术发展－MEMS尺寸不断缩小（摩尔定律）1965年Intel公司的创始人之一GordonE.Moore预言集成电路产业的发展规律:集成电路的集成度每三年增长四倍，特征尺寸每三年缩小√2倍集成电路(IC)发展成为系统芯片(SOC)IC

to

MEMS沿用了大量集成电路制造技术，继承了集成电路大批量、低成本、集成化的优点多功能、多用户在一个硅片上什么是MEMS的加工技术?SurfaceMicromachiningBulkMicromachiningLIGA/SLIGA,LIGA-LikeWaferBondingOthers--MicroEDM--3-DSteroLithography--LaserMicromachiningMEMS和NEMS的简单比较微米/纳米技术的关系

微米技术已有150年历史，微电子技术发展了几十年，微机械发展了10多年，纳米技术的发展还刚刚开始。1、由微米技术发展到纳米技术是必由之路，如：微电子纳电子，微操作纳操作。

2、微系统与纳米技术有一定的联系，如：Top-down方法继续发展；

MEMS是纳米技术的平台（工具和载体）。

3、成熟期：微系统近中期，纳米技术中远期。4、纳米技术提供的功能材料、结构和器件可以集成到微机械中提高微系统的性能，形成MEMS和NEMS的现实应用系统。纳机电系统NEMS开始登场

纳机电系统（NanoElectromechanicalSystems,NEMS）开始受到人们的重视。它包括纳结构、纳器件和纳系统、加工方法和测控技术，把最新成果转化为应用系统。预计再过十年多时间，NEMS器件可能会像今天的MEMS一样流行。

纳机械结构

现已研制成功了纳米导线、纳米管、纳米柱，纳米薄膜等机械结构。基于已趋成熟的纳米管制造技术，可装配纳米轴承，并有望通过有选择地与苯甲基结合，构成纳米齿轮、纳米齿条等基本机械结构。纳米管之间有很强的支撑力，所以利用单层纳米管形成环或纳米管弹簧是可行的，弯曲纳米管的应变能（与1/r2成正比，r是纳米管的曲率半径）与纳米管的粘接能（与纳米管重叠长度成正比）相互抵消。对于长度为3-4微米的纳米管束，平均环的半径是350nm，并发现环壁的半径从5~30nm。将直的纳米管完成纳米管环成品率约50%。（IBM)纳米齿轮

纳米齿条

纳米管形成环的SEM图象

纳米管放在三个金电极上的AFM图象圆环电接触的碳纳米管纳米测控与表征工具以STM为例STM(ScanningTunnellingMicroscope)是基于量子隧道效应的分辨率为原子量级的表面成像和纳米结构操纵的工具：1、隧道效应：当电子或其它微观粒子从势垒的一边入射时，即使它们不具有足够的动能从势垒的顶部翻越过势垒，他们仍能在势垒入射的一边消失而在势垒的另一边出现。2、STM的原理：当调节探针与试样之间的间隙时，隧道电流随间隙宽度（或势垒宽度）改变而变化。如探针在试样表面上方作扫描运动，隧道电流的变化就反映出试样表面的微观“形貌”；当施加高电压，探针便能从样品材料表面吸起原子，实现对原子的操纵，成为一种微加工技术。3、STM和AFM的探针就可以认为是纳米世界研究的理想的微机械工具。U(x)x1x2Ex粒子的能量势垒高度隧道效应示意图Top-down

的方法也在发展Top-down加工方法的代表是半导体工业的光刻技术。光刻图形的分辨率与光的波长有关。

为了减少线宽，发展了一些新的技术：1、采用短波长的光源。光刻的极限线宽为0.07m，目前已经采用193nm的光束，并将研究93nm光束的光刻技术；2、紫外光刻。紫外线波长为13nm，但易被多种材料吸收，要采用特殊的镜片和掩膜；3、近X线光刻。近X光波长为0.6—1.4nm，要用同步加速器；4、电子束光刻。电子束的波长为0.01nm，可以刻出宽度为20nm的线。

微型机电系统具有小巧和高度集成的特点，这对于满足武器装备体积小、重量轻、能耗低和智能化的要求，具有独特的优势。将使军队的状态识别、伤员信息、精确定位能力以及武器的性能和可靠性提高到一个新的水平。尤其是单独作战的士兵，其作战能力将大为提高。因此，MEMS/NEMS自80年代中后期崛起以来，受到了发达国家国防部门的普遍重视。美国国防部为保持连续的军事技术优势，十分重视发展MEMS技术。除大力资助外，1999年4月，DARPA(DefenseAdvancedResearchPrejectAgency--国防高级研究规划局（美国）)又将它的电子科技部（ElectronicsTechnologyOffice）更名为MTO（MicrosystemsTechnologyOffice，微系统技术部）。这一变化表明MEMS已经不再仅仅是一项独立的研究计划，而是DARPA重点支持的具有极强竞争力的核心技术。

军用微米纳米技术来源美国国防部与MEMS行业协作关系图纳米涂料的抗干扰作用---用于电器的纳米静电屏蔽材料

日本松下公司已研制成功具有良好静电屏蔽的纳米涂料，所应用的纳米微粒有Fe2O3，TiO2，Cr2O3，ZnO等。这些具有半导体特性的纳米氧化物粒子在室温下具有比常规的氧化物高的导电特性，因而能起到静电屏蔽作用，同时氧化物纳米微粒的颜色不同，TiO2，SiO2纳米粒子为白色，Cr2O3为绿色，Fe2O3为褐色，这样就可以通过复合控制静电屏蔽涂料的颜色。这种纳米静电屏蔽涂料不但有很好的静电屏蔽特性，而且也克服了碳黑静电屏蔽涂料只有单一颜色的单调性。高清晰度显示

---可折叠的平面显示系统，它的亮度比现在的大100倍。如：碳纳米管的壁挂电视。日本通产省物质工学工业技术研究所、三重大学、伊势电子公司联合试制出采用碳纳米管的壁挂电视，日前在日本筑波科学城问世。

该壁挂电视的特点在于采用了碳纳米管作为像素。当有电压存在时，碳纳米管能够释放出大量电子，使荧光体发光，因而使制造壁挂式电视成为可能。

通产省物质工学工业技术研究所提供的资料说，他们试制成功的新式壁挂电视只有4英寸大，具有红、蓝、绿像素1452个。演示结果显示，该电视适于显示细微的画面且耗电量少。通讯---纳米阵列信号处理器（NMASP）

利用纳米阵列信号处理器可制作微型（手表或助听器大小）和超低功耗的VHF通话/GPS接收器，能极大地提高战士的单兵机动性和定位准确性，实现分立无线微传感器和微执行器的集成化和微小化，可以增强武器系统的先进性和提高对战场情况的掌握能力。通信系统的带宽将增加100倍；空间探测中的纳米器件

人体释放的红外线大致在4-6mm的中红外频段，如果不对这个频段的红外线进行屏蔽，很容易被非常灵敏的中红外探测器所发现，尤其是在夜间人身安全将受到威胁。某些纳米微粒具有很强的吸收中红外频段的特性。纳米Al2O3、、纳米TiO2、纳米SiO2和纳米Fe2O3的复合粉就具有这种功能。纳米添加的纤维还有一个特性，就是对人体红外线有强吸收作用，这就可以增加保暖作用，减轻衣服的重量。战场“隐身衣”有几种纳米微粒与高分子纤维结合，对中红外波段有很强的吸收性能，可做成有屏蔽作用的衣服。装甲与穿甲武器

纳米陶瓷的活性高、韧性好，用于军用涡轮发动机的高温部件，可使发动机效率、工作寿命和可靠性得到提高；用于主战坦克的复合装甲，可提高抗弹能力；用于速射武器的衬管，可增强抗烧蚀性和抗冲击性。

用纳米材料制成的钨合金弹芯，穿甲能力大大提高，可用于制造性能优异的穿甲武器。防弹背心、装甲--利用纳米材料的高断裂韧性和耐冲击性碳纳米管的强度大约比其他纤维的强度高200倍，原因是碳纳米管可以经受约100万个大气压的压力而不破裂，这一结果比类似的纤维高两个数量级。而且碳纳米管具有很好的弹性。这一发现可能促使利用碳纳米管作为加强材料制造强度更高，重量更轻的复合材料，可望用于超轻防弹背心和武器装甲。

导热、冷却---纳米碳管在一维方向传递热能性能极佳

美国宾夕法尼亚大学研究人员最近发现：纳米碳管是目前世界上最好的导热材料，它依靠超声波传递热能，其传递速度可达到每秒1万米。他们发现，即使将纳米管捆在一起，热量也不会从一根纳米管传到另一纳米管，这说明纳米碳管只能在一维方向传递热能。研究人员称，纳米碳管优异的导热性能将使它成为今后计算机芯片的导热板，也可用作发动机、火箭、核反应堆等各种高温部件的防护材料。核电站核潜艇

纳米技术将给医学带来变革：纳米级粒子将使药物在人体内的传输更为方便，用数层纳米粒子包裹的智能药物进入人体后可主动搜索并攻击癌细胞或修补损伤组织；在人工器官外面涂上纳米粒子可预防移植后的排异反应；使用纳米技术的新型诊断仪器只需检测少量血液，就能通过其中的蛋白质和ＤＮＡ（脱氧核糖核酸）诊断出各种疾病。纳米技术的医学应用

将来纳米级