微机电系统设计与制造.ppt

1、1.微机电系统的设计和制造；2.主要内容；1.微机电系统导论；3.微机电系统的功能材料；4.微加工和制造技术；5.微机械传感器；7.微机械微弱信号的检测和处理；8.微机电系统设计技术；8.微封装、微元件和微尺寸效应；3.主要教科书和参考书；莫秋瑾和梁庆华等。微机电系统设计与化学工业出版社，范等，2004.3，微机电系统及其应用，北京航空航天大学出版社，2003.2(美国)，许泰然，王晓浩等译，机械工业出版社，2004.1，主编，微机电系统，化学工业出版社，2003.1，王春海，俞杰等译，微系统技术，化学工业出版社，2003年9月4日，第1章，导论宏机电系统和微机电系统微机电系统：它是以微传感器

2、、微执行器和驱动控制电路为基本元件，可以移动和控制的微机械装置。特点：1 .跨学科(力学、力学、电学、光学、电磁学、生物学、化学等。)2 .小型化、集成化和智能化；3.低成本批量生产；4.广泛使用(军用和民用)。高科技。微机电系统的相关术语：微机电系统(MEMS)(美国)、微机械(Micro Machine)(日本)、微系统技术(欧洲)、6、微机电系统的组成(Micro Electro Mechanical System)(Micro Electro Mechanical System):一般来说，它可以定义为通过微纳米加工技术制造的微机械，它集成了机械、电气、光学、磁性等相关技术组，可以移动

3、和控制。目前，人们一般称之为微机电系统。它是以微传感器、微执行器、驱动和控制电路为基本元件组成的机电微机械装置，自动化程度高，可移动和控制。它的操作极其微妙，有些操作已经达到单细胞甚至分子的标准；一些微型传感器可以感知单个原子，并且可以在原子水平上进行探测。这种微妙的工作条件不能用肉眼来辨别，必须用显微镜或特殊仪器来观察和控制。7.微机电系统发展现状微机电系统，即微机械技术，是20世纪80年代末国际上兴起的一门高新技术。它以集成电路技术、表面处理技术和纳米加工技术为基础，具有很强的跨学科性。微机电系统的设计和制造涉及设计、材料、制造、测试、控制、能源和连接等相关技术。与传统的机械系统相比，它不

4、仅规模小，而且是一个高度智能化和高度集成化的系统。微机电系统的研究是制造技术的一场革命，它将在21世纪的机械发展中发挥主导作用。微机械技术将是一个新兴产业，它将广泛应用于生物、医疗、航空、航天、电子产品、过程控制和测试技术。8、集成电路技术的发展，9、半导体晶体管计算机，10、上世纪末的微型计算机芯片，11、12、国外的发展现状(1)、美国国家自然科学基金、高级研究计划、国防部等。在微机电技术研究上投资了1.4亿美元。在军方的支持下，完成了微机电系统的军事应用研究报告。主要研究方向：精确制导武器、智能武器、侦察与通信、摧毁敌方指挥系统和战斗力、发展微型卫星和纳米卫星等。主要实践成果：派克公司开

5、发了用于扫描隧道显微镜和原子力显微镜的微型传感器；德州已经开发了DMD)；用于彩色图像投影显示。AD公司开发的加速度计芯片尺寸为1.5毫米* 1.5毫米，测量范围为50克，灵敏度为15毫伏/克，13，国外发展现状(2)，欧共体成立NEXUS(多功能微系统研究合作组织)；德国制定了微机械系统技术计划(1990-1995年投资40亿马克)。20世纪80年代中期，发展了LIGA(深度同步辐射x光光刻、电镀和压铸)工艺，深化了平面加工技术，实现了纵横比大于200的三维结构的加工和制造，并将加工材料扩展到金属、塑料和陶瓷。它被认为是最有前途的超细加工方法之一。卡尔斯鲁厄核研究中心、微技术研究所(IMM)

6、、微艺术公司等主要研究机构和实际成果。微型传感器、微型马达、微型致动器、集成光学和微型光学元件、微型流量计和直径数百微米的金属双齿轮已经得到发展。14、国外发展现状(3)、日本已制定的纳米制造计划(1985-1990)、埃及技术计划(1992-2001，计划投资1.85亿美元)和微型机器人计划。计划生产两个微型机器人，用于医学诊断(或显微外科手术)和飞机发动机(或原子能设备)微小裂纹的维修诊断。目前，微机电系统研究机构有60多个(其中23%是企业)。1990年，建立了产妇保健中心和产妇保健中心。微机电系统国际研讨会每年举行一次。主要实践成果：利用电火花加工、集成电路和光学成形技术制造了各种传感

7、器和执行器，成功研制了主要用于生物和医疗的微型机器人。出版了三部专著。华北地区的主要研究机构有清华大学、北京大学、中国科学院电子研究所、13个信息产业研究所、华北工学院微纳技术研究中心等。华东：中国科学院上海冶金研究所、上海交通大学、复旦大学、东南大学、浙江大学、上海大学、厦门大学等。东北地区：信息产业49所，哈尔滨工业大学、长春光机所、中国科学院、大连理工大学、沈阳仪器仪表学院等。西南地区：重庆大学、信息产业部、24、26、44等。西北地区：Xi交通大学、航空618、航天771、航天16等。16、国内主要研究现状和成果，各种微型传感器(微型加速度计、微型陀螺仪、微型磁场计、微型压力传感器、微

8、型流量传感器、微型麦克风等。)、微型泵、微型阀、微型射流、微型毛细管电泳仪、微型光开关、射频微机电系统器件、微型光谱仪、DNA芯片等。其中，微加速果汁和微泵正在准备生产；微毛细管电泳仪已制成样机，可用于药物分析和环境监测。它具有广阔的市场潜力，正朝着市场化方向发展。2000年6月，清华大学成功发射“航天清华一号”微型卫星，进入700公里太阳轨道，运行良好。它具有重量轻(50公斤)、体积小(0.07)、开发周期短(约一年)、成本低、功能密度高等特点，表明我国的微机电系统技术在微卫星应用方面取得了重大突破。北京大学微电子研究所和北京大学微电子研究所开展了基于集成电路加工生产线的体硅技术和表面技术的

9、研究，形成了成熟的技术，开发了硅微高加速度计和微化学传感器等。计划在两年内实现微型继电器、可调电容器和微型光学器件的小批量生产，并已获得玉环青岛公司的资金投入。信息产业部18、13所，其中13所建立了大批量硅加工小批量生产基地，开发了微加速度计、微陀螺仪、红外隧道传感器、微光器件等。“十五”期间，他们把发展重点放在航空航天和信息技术上，并准备开发微型卫星、惯性元件、射频微机电系统器件和光交换设备等。信息产业部的49个研究所一直在从事与微传感器相关的研究20、中国科学院上海冶金研究所和中国科学院上海冶金研究所开发了各种微机电系统器件，如微型加速度计、微型陀螺仪、微型压力传感器、微型红外传感器阵列

10、、微光器件等。作为首席专家单位，主持了973项目“集成微光机电系统”的研究，开展了微小卫星的研究。21日，沈阳仪器仪表研究所生产的OEM微型硅压力传感器系列和双向静压过载微型差压传感器系列具有较大的市场需求，并已形成小规模生产能力。计划逐步建立150万的生产规模。信息产业部下属的24个研究所，主要生产特种模拟集成电路，拥有多条集成电路生产线，自“九五”以来与重庆大学合作进行微机电系统研究，并参与了微触觉传感器和生物芯片的生产。东南大学、东南大学、东南大学和国际风险投资公司成立了电子生命公司，主要开发和生产具有自主知识产权的DNA分析芯片及其配套平台。这种高密度芯片将用于建立人口基因档案，为公安

11、部门服务。该芯片及其平台可以替代医院传统的基因检测方法，具有速度快、成本低的优点。目前，E-life公司正在与医院进行联合研究，预计将产生更大的产值。东南大学也开发了硅微加速度计和陀螺仪。华北工学院微纳技术研究中心主要从事微机械加速度计、微陀螺仪和微惯性测量单元的应用系统研究，并正在开发军用和民用惯性系统、新型单兵作战系统和路桥监控系统。浙江大学25日表示，浙江大学开发的碳纳米管、微透镜阵列和蛋白质生物芯片已经成熟，有望投入生产。此外，他们还非常重视设备的开发，可以向市场提供反应离子束刻蚀机和二元扫描隧道显微镜纳米探测器。他们还开发了硅微加速度计、微陀螺仪、微真空计、微高度计等。26，重庆大学

12、，重庆大学先后研究了微加速度阵列、光学压力传感器、触觉传感器、细胞流变测量仪、微型光谱仪等。27，中国科学院电子研究所，中国科学院电子研究所开发的微气体传感器，微波功率传感器，谐振和真空微电子压力传感器，微酸碱度传感器等。他们的另一个研究重点是微生物传感器和微量分析系统，他们正在研究微芯片聚合酶链反应放大器、毛细管电泳微型毛细管电泳仪器、脱氧核糖核酸微型检测器等。中国科学院合肥智能机械研究所和中国科学院合肥智能机械研究所从1989年开始研究微加工技术，以微机电系统技术为主要实现手段，旨在发展生物医学和航空航天领域的微传感器和微机器人系统，研究微传感器、微执行器和微系统。研究了硅各向异性刻蚀工艺

13、、电化学掺杂选择性刻蚀工艺和硅硅静电键合工艺，开发了硅微力传感器、微结构气敏阵列传感器、集成硅触觉阵列传感器、微型三维力传感器、表面微加工转速传感器、无线驱动体内微机器人等。目前，微机电系统，如爆炸物检测微阵列、微型六维力探针、柔性触觉传感器和可进入人体胃部进行检查的微型机器人正在开发中。29、哈尔滨工业大学、航天研究所微机电系统中心、机器人研究所微机电系统研究组、机电工程研究所微机电研究室、机械制造及自动化微机电系统研究组等。小尺寸是微机电系统的基本特征。当尺寸小到微米或亚微米时，就会产生微尺寸效应。它的影响将体现在许多方面，如结构材料、设计理论、制造方法、各种能量在小范围内的相关效应等也就

14、是说，工程中常用的尺寸缩放方法不适用于由微尺寸元件组成的微器件；因此，传统的设计理论、方法和一些物理规律不能完全适用，许多概念需要更新和重建。由于尺寸效应，有必要从一个新的角度来探讨一些特殊的微观力学现象和规律。31，微尺寸效应的影响，1。微观尺寸效应对构件间力的影响会随着尺寸的减小而明显减弱，如惯性力、体积力和电磁力与尺寸的三次方成正比；然而，粘滞力、表面力、静电力和摩擦力与尺寸的二次幂成正比的效应明显增强，成为影响微机械性能的主要因素。在微机械设计中，静电力通常用于驱动。在微观力学中，由于表面积与体积的比率相对增加，热传导的速度相对增加。研究微观力学中摩擦磨损的特性和机理是该领域的主要课题

15、之一。微观尺寸效应对构件机械强度的影响随着构件尺寸的减小，构件材料内部缺陷的可能性减小，因此构件材料的机械强度将增加。因此，微型零件的弹性模量、抗拉强度、疲劳强度和残余应力不同于大型零件。3.微尺寸效应对元件惯性和热容量的影响由于微尺寸效应，微机电系统惯性小，热容量低，易于获得高灵敏度和快速响应。微尺寸效应对元件信号检测的影响由于微尺寸效应，微机电系统前端器件(如微传感器)的输出信号很小，传统的测量工具和仪器很难检测到这种微弱信号，必须创造新的测量设备。微尺寸效应对元件设计方法的影响微机电系统规模的缩小和集成度的提高将导致更多的工艺和更高的成本；因此，在试生产前，应对整个微系统的器件、工艺和性

16、能进行模拟和分析，并对各种参数进行优化，以保证微系统的合理、正确设计，降低开发成本，缩短开发周期。显然，传统的设计方法(基本上是试错法)已经难以满足上述新的要求，必须寻求一种新的设计方法。最流行的设计方法是微机电系统的计算机辅助设计。利用微机电系统计算机辅助设计，除了从现有的机械计算机辅助设计和电子工具中吸取经验教训外，还必须为特定的微系统开发专门的计算机辅助设计建模软件。在这方面有许多工作要做。35、微机电系统的材料，微机电系统中常用的材料，传统的机电系统中，最常用的是金属材料，它们都是由传统的机械制造技术制成的；硅及其复合材料最常用于微机电系统。以及特殊合金、应时、塑料和陶瓷。1982年，

17、彼得森发表了一篇著名的论文硅作为机械材料，引起了人们对硅的新认识。硅及其合金材料的特性硅是一种容易获得的超纯、无杂质的低成本材料，具有优异的机械和电学特性，非常适合制造微结构；便于使用集成电路技术和微加工技术进行批量生产；硅微结构有助于集成微电子电路。36、微机电系统制造技术，微机电系统制造特点由于微机电系统和器件是多种多样的，它们不仅与微电子学相互联系，而且还与其他外部物理量相互作用，并具有一个主体结构。因此，集成电路制造技术，包括版图设计、刻蚀工艺、薄膜工艺和仿真技术，已经发展得比较成熟，可以成功地应用于微电子器件和集成电路的制造，但还不能完全满足微机电系统及其器件的制造要求。微机电系统的特殊制造方法包括体加工技术、表面加工技术、LIGA(深度同步辐射x光光刻、电镀和压铸)技术、元件间相互组装技术、键合和封装技术等。37、微机电系统测量技术，由于微尺寸效应，输出微传感器、微执行器等。被衰减到弱信号水平，例如运动位移、振幅和变形小到亚微米和纳米级。当它