《机电一体化导论》课件-第10章 微机电系统技术

1第10章微机电系统技术2学习目标知识目标：1.微纳米技术及微纳米材料的三大效应；2.微机电系统的概念、特征、分类及测量等。能力目标：1.概括总结所学知识的能力；2.分析问题、解决问题的能力；3学习重、难点学习重点：

1.微纳米技术及材料的三种效应；

2.微机电系统的概念、特征和测量。学习难点：

1.微机电系统的特征和分类；

2.微机电系统的测量和应用。4本章主要内容微机电系统概述

10.1微机电系统的特征与分类10.2微机电系统的材料和制造技术

10.3微机电系统的测量技术10.410.5微机电系统的发展10.6微机电系统的应用小结思考题510.1

微机电系统概述

微米和纳米均是长度单位，1微米为百万分之一米，1纳米为十亿分之一米。微米尺度是指1um-100um，纳米尺度是指1nm-100nm。一般来说，微纳米技术研究的尺度范围是指1nm-1mm。

微纳米技术是通过在微纳米尺度范围内对物质的控制来创造并使用新的材料、装置和系统。微机械、微系统或微机械电子系统（微机电系统）是大意相同的3个名词，其含义十分广泛，一般可定义为由微米（10-6m）和纳米（10-9m）加工技术制作而成的，融机、电、光、磁以及其他相关技术群为一体的，可以活动和控制的微工程系统。6人们泛称的是微机械电子系统（Microelectro-mechanicalSystems，MEMS）。它是以微传感器、微执行器以及驱动和控制电路为基本元器件组成的、自动性能高的、可以活动和控制的、机电合一的微机械装置。其基本特点是体积小、质量轻、功耗低。传统（宏观）机械的最小构成单元通常是毫米量级，而微机械的最小零件尺寸要下降3～6个数量级，即进入到微米和纳米的尺度范畴。710.2微机电系统的特征及分类10.2.1

微机电系统的特征

微纳米材料具有：（1）微尺寸效应：当粒子尺寸与光波长、德布罗意波长以及超导态的相干长度或投射深度等物理特征尺寸相当或更小时，粒子的声、光、电、磁、热、力学等特性均会呈现新的尺寸效应。如光吸收显著、磁有序态向无序态转变等；（2）表面与界面效应：纳米粒子的直径减小时，表面积则迅速增大，使表面的原子数急剧增加，增强了粒子的活性；（3）量子尺寸效应：当粒子尺寸降到最低值时，费米能级附件的电子能级由准连续变为离散能级的现象。8随着元器件尺寸的减小，元器件材料内部缺陷出现的可能性减小，因而元器件材料的机械强度会增加。所以微型元器件的弹性模量、抗拉强度、疲劳强度及残余应力均与大零件有所不同。由于微尺寸效应，导致微机电系统的惯性小、热容量低，容易获得高灵敏度和响应快。由于微尺寸效应，导致微机电系统的前端装置如微传感器的输出信号十分微小，传统的测量工具和仪器难以实现如此微弱信号的检测，必须创造新的测量设备。910.2.2

微机电系统分类（1）传感MEMS技术是指用微电子微机械加工出来的、用敏感元件如电容、压电、压阻、热电耦、谐振、隧道电流等来感受转换电信号的器件和系统。它包括速度、压力、湿度、加速度、气体、磁、光、声、生物、化学等各种传感器,按种类分主要有:面阵触觉传感器、谐振力敏感传感器、微型加速度传感器、真空微电子传感器等。（2）生物MEMS技术是用MEMS技术制造的化学/生物微型分析和检测芯片或仪器,有一种在衬底上制造出的微型驱动泵、微控制阀、通道网络、样品处理器、混合池、计量、增扩器、反应器、分离器以及检测器等元器件并集成为多功能芯片。10（3）光学MEMS技术随着信息、光通信等技术的迅猛发展,MEMS发展的又一领域是与光学相结合,即综合微电子、微机械、光电子技术等基础技术,开发新型光器件,称为微光机电系统(MOEMS)。它能把各种MEMS结构件与微光学器件、光波导器件、半导体激光器件、光电检测器件等完整地集成在一起。形成一种全新的功能系统。（4）射频MEMS技术传统上分为固定的和可移动的两类。固定的MEMS器件包括本体微机械加工传输线、滤波器和耦合器,可移动的MEMS器件包括开关、调谐器和可变电容。按技术层面又分为由微机械开关、可变电容器和电感谐振器组成的基本器件层面；由移相器、滤波器和VCO等组成的组件层面；由单片接收机、变波束雷达、相控阵雷达天线组成的应用系统层面。1110.3微机电系统的材料和制造技术传统的机电系统，用得最多的是金属材料，采用传统的机械制造工艺制作而成，而微机电系统最常用的则是硅及其化合物材料。集成电路制造技术，包括版图设计、刻蚀工艺、薄膜工艺以及模拟技术等已发展得较为成熟。12加工方法公差/um材料特性蚀刻湿法腐蚀0～10金属高粗糙度电化学沉积0～10金属低粗糙度LIGA0～1金属低粗糙度腐蚀电火花加工0～10金属结构化线切割0～100金属结构化高频腐蚀0～10陶瓷高粗糙度蒸镀Nd-YAG激光器0～10金属、塑料、陶瓷结构化准分子激光器0～1金属、塑料、陶瓷结构化铜-气体激光器0～1金属、塑料、陶瓷高粗糙度电子束0～1金属低粗糙度成型注塑0～10塑料高粗糙度金属压铸0～10金属高粗糙度陶瓷压铸0～10陶瓷高粗糙度微加工金刚石切削0～1金属、塑料、陶瓷低粗糙度磨削、研磨、抛光0～1金属、陶瓷低粗糙度表10-1MEMS技术的不同加工方法13

10.4微机电系统的测量技术

对于如此微弱信号的检测，目前还缺少标准化的测量方法和设备，因此，研究和开发微弱信号的测量技术和相应的设备，是保证微机电系统取得成功的另一项关键技木。微机电系统器件的制造，涉及到nm量级的加工精度。如何测量微器件的尺寸和结构的误差，如何评价器件表面的原子和分子的几何结构；如何评价薄膜表面的平整度和起伏等，都是摆在测量技术面前的重要课题。14能够在nm范围内进行测量的仪器，是20世纪80年代中前期基于量子隧道效应创造的扫描隧道显微镜（ScanningTunnelingMicroscopy，STM）或称扫描探针显微镜。其工作原理是利用超细的金属纳米探针（纳米尖）和被测样件表面的2个电极，当探针尖与样件表面非常接近（如1nm）时，在探针与表面形成的电场作用下，将产生隧道电流效应，即电子会穿过二者之间的空隙从一个电极流向另一个电极，隧道电流的大小与空隙大小有关。当空隙增大时，电流指数形式衰减，灵敏度极高。测出探针在非常接近的被测样件表面上扫描产生的隧道电流变化，即可得知样件表面在nm尺度内各点位置的微细变化，即表面的三维空间形貌。15原子力显微镜（AtomicForceMicroscopy，AFM），就是利用探针和被测表面之间微弱力的相互作用这一物理现象，对被测样件表面进行扫描测量，得知纳米形貌。AFM的探测力极其微弱，形成与被测表面轻微接触或接近于非接触（相互作用力仅为几N）的模式。这种程度的接触模式是不会使样件表面产生形变和损伤的。16如图10.1所示，是用AFM扫描测量出的多晶硅芯片的表面粗糙度。尽管有21nm的凹凸不平度，但给人的直观感觉仍是非常光滑的表面。图10.1AFM扫描测量结果示例1710.5微机电系统的应用微机电系统及微器件在各种工程和科学领域的应用大有发展前途，可用它实现信息获取（微传感器）、信息处理（微电子技术）乃至信息执行（微执行器）等多种多样的功能。优先应用的主要领域包括航空航天、生物医学、微流量控制、微探头和显微技术、信息科学、微光学技术、微机器人及环境监测等。18微机电系统在飞行器的电子设备、飞行器设计及微小卫星等技术方面都有重要的应用。图10.2所示为机载分布式大气数据计算机，由全压-静压-攻角为一体的多功能微型大气数据探头（或称组合式空速管）、微型压力传感器（静压、差压及动压）以及信号处理单元直接组成，并封装在壳体内，形成一个微机电系统。10.5.1在航空航天方面的应用图10.2分布式大气数据计算机19现代飞机和飞行器的结构更多地采用复合材料，已成为发展趋势。尤其引人注目的是在复合材料内分布嵌入微机电系统功能单元（微传感器+微执行器+微电子线路），便可得到期望的、程序可控的材料和结构组态。这些材料和结构被称为Smart（机敏）材料和Smart结构，这种Smart结构具有自我监测和检测的功能，能连续地对结构的应力、振动、声、加速度、气动阻力及结构完好性（或损伤）等多种状态实施监测和检测。20微机电系统也推动了无人驾驶微型飞机的实现。图l0.4给出的是利用微、纳米制造技术制造出来的微型飞机样机。可以放在手掌上的这种微型飞机的翼展仅有15cm，靠体积仅有纽扣大小（直径<1cm）的涡轮喷气发动机或微型马达来驱动,这种微型飞机可用于常规军用侦察机监观不到的巷道和阴山背地的地方侦察，搜集情报。图10.4微型飞机样件2110.5.2在生物医学方面的应用微传感器、微执行器及微系统在生物医学和工程方面的应用，对促进医疗器械的改善，加速疾病的预防、诊断及治疗都有重要作用。主要应用场合有：腔内压力监测、微型手术、生物芯片、细胞操作、仿生器件等。腔室压力测量己应用于临床，如颅内压力、胸腔压力、心脏房室及其他血管等部位的压力监测等。图l0.5所示为用于颅内压力监测的微系统，它由微型压力传感器（如硅电容式压力微传感器）和遥测单元组成。22图10.5颅内压力监测系统2310.5.3在微流量系统方面的应用微流量系统由微阀、微泵及微型流量传感器等器件组成，经微机械加工，将这些微器件制作在同一块硅衬底上，形成微流量共同体，微流量通道（含孔和沟渠）刻蚀在与硅衬底键合在一起的硼硅酸玻璃片上。如图10.6所示为以种微流量化学分析的原理结构，其整体尺寸只有0.9cm2，含2个压电驱动膜片泵、2个热电式微型流量传感器、1个化学反应室，具有体积小，所需样品量少的优点，在性能上还能确保被分析、化验及检验的流量，感受同样的温度分布、吸热反应、清洁的反应过程及精确的流量控制。24图10.6微流量化学分析系统原理结构2510.5.4在信息科学方面的应用信息本身没有质量和尺寸，但信息存储、交换、操作及传输过程中外接的微型化、低功率的MEMS器件却是不可或缺的基础件，如计算机系统中的微机械存储器、激光扫描器、磁盘和磁头及打印头等，它们不仅具备信息交换和存储的能力，同时也有助于改进信息的敏感度及显示的密度和品质。射频(RF)MEMS器件，包括RF微机械开关、微机械谐振器、微机械可调电容器、微机械电感器和滤波器、微机械天线以及雷达系统用的RF器件等2610.5.5在微光学方面的应用利用微米和纳米制造技术，现已开发出许多用于传感器、通信及显示系统的分立式或阵列式微型光学器件，它们可以实现传统光学设备所能实现的如折射、衍射、反射及致偏等功能，而且实现了小体积、轻质量及低功耗。这些微器件包括光纤传感器、光开关、光显示器、光调制器、光学对准器、变焦距反射镜、集成光编码器、微光谱仪及微干涉器等。2710.6微机电系统的发展10.6.1

微机电系统的发展历史及研究现状1982年,K.E.Peterson在HiltonHeadWorkshop上发表了“Siliconasamechanicalmaterial”的文章，从此“微机械”名词应运而生。1988年,第1个MEMS的会议“MEMS,MST,Microsystems，Micromaching”在美国举行，1992年,第1期MEMS的专业期刊“微电子机械系统”(JMEMS)发行。从此，MEMS技术使人们眼前霍然开朗。28我国的MEMS研究始于20世纪90年代，清华大学、北京大学、上海交通大学、中科院上海冶金研究所等几十所高校和研究所成立了研究小组，主要从事微机械动力学等基础理论的研究，并在微电机、微马达、微惯性测量等方面取得了阶段性的成果。国家自然科学基金、“863”计