MEMS技术与其应用(整理版)课件.ppt

1、MEMS技术及其应用主要内容主要内容o MEMS技术简介o MEMS技术应用o 微机械制造技术o MEMS器件MEMS简介What is MEMS Technology? MEMS (microelectromechanical systems) are devices that involve integrated micro-devices or systems, usually comprised of electrical and mechanical components, produced using microelectronics-compatible batch-proces

2、sing techniques. These systems merge computation with sensing and actuation to perceive the physical world at a miniaturized level. 早在二十世纪六十年代，在硅集成电路制造技术发明不久，研究人早在二十世纪六十年代，在硅集成电路制造技术发明不久，研究人员就想利用这些制造技术和利用硅很好的机械特性，制造微型机械部件，员就想利用这些制造技术和利用硅很好的机械特性，制造微型机械部件，如微传感器、微执行器等。如果把微电子器件同微机械部件做在同一块如微传感器、微执行器等。如果把

3、微电子器件同微机械部件做在同一块硅片上，就是微机电系统硅片上，就是微机电系统MEMS: Microelectromechanical System。 由于由于MEMS是微电子同微机械的结合，如果把微电子电路比作人是微电子同微机械的结合，如果把微电子电路比作人的大脑，微机械比作人的五官（传感器）和手脚（执行器），两者的的大脑，微机械比作人的五官（传感器）和手脚（执行器），两者的紧密结合，就是一个功能齐全而强大的微系统。紧密结合，就是一个功能齐全而强大的微系统。MEMS定义o 1959年就有科学家提出微型机械的设想，但直到1962年才出现属于微机械范畴的产品硅微型压力传感器。其后尺寸为50500微

4、米的齿轮、齿轮泵、气动蜗轮及联接件等微型机构相继问世。而1987年由华裔留美学生冯龙生等人研制出转子直径为60微米和100微米的硅微型静电电机，显示出利用硅微加工工艺制作微小可动结构并与集成电路兼容制造微小系统的潜力，在国际上引起轰动，科幻小说中描述把自己变成小昆虫钻到别人的居室或心脏中去的场景将要成为现实展现在人们面前。同时，也标志着微电子机械系统(MEMS)的诞生。 微电子机械系统是以微电子、微机械及材料科学为基础，研究、设计微电子机械系统是以微电子、微机械及材料科学为基础，研究、设计和制造具有特定功能的微型装置（包括微结构器件、微传感器、微执行器和制造具有特定功能的微型装置（包括微结构器

5、件、微传感器、微执行器和微系统等方面）的一门科学。和微系统等方面）的一门科学。 世界上第一个微静电马达世界上第一个微静电马达What is the peculiarity of MEMS technology?oMEMS是受到集成电路工艺的启发而发展起来的，它不仅具有集是受到集成电路工艺的启发而发展起来的，它不仅具有集成电路系统的许多优点，同时集约了多种学科发展的尖端成果。成电路系统的许多优点，同时集约了多种学科发展的尖端成果。 1 1、微型化特点、微型化特点 2 2、多样化特点、多样化特点 3 3、稳定性特点、稳定性特点 4 4、集成化特点、集成化特点 5 5、批量化特点、批量化特点 6 6

6、、广义化特点、广义化特点 MEMS的应用Application Fields of MEMS 由于由于MEMS器件和系统具有体积小、重量器件和系统具有体积小、重量轻、功耗小、成本低、可靠性高、性能优异、轻、功耗小、成本低、可靠性高、性能优异、功能强大、可以批量生产等传统传感器无法比功能强大、可以批量生产等传统传感器无法比拟的优点，因此在航空、航天、汽车、生物医拟的优点，因此在航空、航天、汽车、生物医学、环境监测、军事以及几乎人们接触到的所学、环境监测、军事以及几乎人们接触到的所有领域中都有着十分广阔的应用前景。有领域中都有着十分广阔的应用前景。MEMSMEMS传感器及其组成的微型惯性测量组合在

7、汽车传感器及其组成的微型惯性测量组合在汽车自动驾驶、汽车防撞气囊、汽车防抱死系统自动驾驶、汽车防撞气囊、汽车防抱死系统（ABSABS）、减震系统、防盗系统等。）、减震系统、防盗系统等。GPSGPS定位系统定位系统. . *在汽车里作为加速表来控制碰撞时安全气囊防护系统的施用* 在汽车里作为陀螺来测定汽车倾斜，控制动态稳定控制系统* * 在轮胎里作为压力传感器，在汽车上的应用在汽车上的应用MEMS已在空间超微型卫星上得到应用已在空间超微型卫星上得到应用 ,该卫星外形尺寸为该卫星外形尺寸为 2. 54 cm 7. 62 cm 10. 6 cm,重量仅为重量仅为 250 g 。2000年年 1月月

8、,发射的两颗试验小卫星是证明空基防发射的两颗试验小卫星是证明空基防御能力增强的一个范例。对小卫星试验来说幸运的是御能力增强的一个范例。对小卫星试验来说幸运的是 ,因其飞行寿命短因其飞行寿命短 ,所以所以 ,暴暴露在宇宙辐射之下并不是关键问题。小卫星上基于硅的露在宇宙辐射之下并不是关键问题。小卫星上基于硅的 RF开关在太空应用中表开关在太空应用中表现出优异的性能现出优异的性能 ,这得益于它的超微小尺寸。作为一个在海上应用的实例这得益于它的超微小尺寸。作为一个在海上应用的实例 ,MEMS引信引信 /保险和引爆半导体保险和引爆半导体,微电子微电子,集成电路集成电路,IC,工艺工艺,设计设计,器件器件

9、,封装封装,测试测试, F/SA 装装置已成功地用于潜艇鱼雷对抗武器上。引信置已成功地用于潜艇鱼雷对抗武器上。引信 /保险和引爆装置的工作包括保险和引爆装置的工作包括 3个独个独立步骤立步骤:发射鱼雷后发射鱼雷后 ,解除炸药保险、引爆解除炸药保险、引爆 引信引信 和防止在不正确时间爆炸和防止在不正确时间爆炸 保险保险 。使用镀有金属层的硅结合巧妙的封装技术使用镀有金属层的硅结合巧妙的封装技术 ,MEMS F/SA器件要比传统的装置小器件要比传统的装置小 1个数量级个数量级 ,可安装在可安装在 15. 88 cm的鱼雷上的鱼雷上 ,这是其他方法做不到的这是其他方法做不到的 . 在军事上的应用在军

10、事上的应用国外国外MEMS 技术在引信中的应用技术在引信中的应用o MEMS 技术在精确打击弹药引信中的应用技术在精确打击弹药引信中的应用美国FMU2159/ B 硬目标侵彻灵巧引信及加速度计MEMS 技术在灵巧弹药引信中的应用技术在灵巧弹药引信中的应用采用MEMS 技术的弹道修正引信装有弹道修正引信的MK64 制导炮弹MEMS 技术在轻武器面杀伤弹药引信中的应用技术在轻武器面杀伤弹药引信中的应用单兵20 mm 高爆榴弹微机电引信在在 1995年的国际会议上已有人正式提出研制全硅卫星的概念年的国际会议上已有人正式提出研制全硅卫星的概念 。即整个卫星由硅太阳能电池板、硅导航模块、硅通信模块等组即

11、整个卫星由硅太阳能电池板、硅导航模块、硅通信模块等组合而成合而成 ,这样这样 ,可使整个卫星的质量缩小到以可使整个卫星的质量缩小到以 kg计算计算 ,从而使卫从而使卫星的成本大幅度降低星的成本大幅度降低 。航空航天的应用 微机械技术在生物医疗中的应用尤其令人惊叹。例如微机械技术在生物医疗中的应用尤其令人惊叹。例如:将微型传感器用口服或皮下将微型传感器用口服或皮下注射法送入人体注射法送入人体 ,就可对体内的五脏六腑进行直接有效的监测就可对体内的五脏六腑进行直接有效的监测 。将特制的微型机器人送入人体将特制的微型机器人送入人体 ,可刮去导致心脏病的油脂沉积物可刮去导致心脏病的油脂沉积物 ,除去体内

12、的胆固醇除去体内的胆固醇 ,可探测和清除人体内的癌细胞可探测和清除人体内的癌细胞 ,进行视网膜开刀时进行视网膜开刀时 ,大夫可将遥控机器人放入眼球内大夫可将遥控机器人放入眼球内 ,在细胞操作、细胞融合、精细外科、血管、肠道内自动送药等方面应用甚广。在细胞操作、细胞融合、精细外科、血管、肠道内自动送药等方面应用甚广。MEMS的微小的微小 可进入很小的器官和组织可进入很小的器官和组织 和智能和智能 能自动地进行细微精确的操作能自动地进行细微精确的操作 的特的特点点 ,可大大提高介入治疗的精度可大大提高介入治疗的精度 ,直接进入相应病变地进行工作直接进入相应病变地进行工作 ,降低手术风险。降低手术风

13、险。 同微电子同微电子,集成电路集成电路,IC,工艺工艺,设计设计,器件器件,封装封装,测试测试,MEMS时时 ,可进行基因分析和遗传诊可进行基因分析和遗传诊断断 ,利用微加工技术制造各种微泵、微阀、微摄子、微沟槽、微器皿和微流量计的器利用微加工技术制造各种微泵、微阀、微摄子、微沟槽、微器皿和微流量计的器件适合于操作生物细胞和生物大分子。所以件适合于操作生物细胞和生物大分子。所以 ,微机械在现代医疗技术中的应用潜力巨微机械在现代医疗技术中的应用潜力巨大大 ,为人类最后征服各种绝症延长寿命带来了希望。为人类最后征服各种绝症延长寿命带来了希望。生物医疗和医学上的应用生物医疗和医学上的应用 OMOM

14、智能胶囊消化道内窥镜系统（简称“胶囊内镜”） o 金山科技集团研制的胶囊内镜金山科技集团研制的胶囊内镜“胶囊内镜”是集图像处理、信息通讯、光电工程、生物医学等多学科技术为一体的典型的微机电系统（MEMS）高科技产品，由智能胶囊、图像记录仪、手持无线监视仪、影像分析处理软件等组成。工作时间：8小时左右视 角 度：140度视 距：3cm分 辨 力：0.1mm体 积：13mm 27.9mm重 量：6g外 壳：无毒耐酸耐碱高分子材料 图象记录仪OMOM胶囊内镜的工作原理是：患者像服药一样用水将智能胶囊吞下后，它即随着胃肠肌肉的运动节奏沿着胃十二指肠空肠与回肠结肠直肠的方向运行，同时对经过的腔段连续摄像

15、，并以数字信号传输图像给病人体外携带的图像记录仪进行存储记录，工作时间达68小时，在智能胶囊吞服872小时后就会随粪便排出体外。医生通过影像工作站分析图像记录仪所记录的图像就可以了解病人整个消化道的情况，从而对病情做出诊断。 影像工作站影像工作站 优点:操作简单:整个检查仅为吞服胶囊、记录与回放观察三个过程。医生只需在回放观察过程中，通过拍摄到的图片即可对病情做出准确判断。 安全卫生:胶囊为一次性使用，避免交叉感染 ;外壳采用不能被消化液腐蚀的医用高分子材料，对人体无毒、无刺激性 ,能够安全排出体外。扩展视野:全小肠段真彩色图像清晰微观，突破了小肠检查的盲区，大大提高了消化道疾病诊断检出率。

16、方便自如:患者无须麻醉、无须住院，行动自由，不耽误正常的工作和生活。 这个一次性胰岛素注射泵融合了Debiotech的胰岛素输注系统技术和ST的微射流MEMS芯片的量产能力。纳米泵的尺寸只有现有胰岛素泵的四分之一. 微射流技术还能更好地控制胰岛素液的注射量，更精确地模仿胰岛自然分泌胰岛素的过程，同时还能检测泵可能发生的故障，更好地保护患者的安全。成本非常低廉。 胰岛素注射泵疗法或者连续皮下注射胰岛素（CSII）可以替代一天必须输注几次的单次胰岛素注射法，这种疗法越来越被人们看好。按照CSII治疗方法，糖尿病患者连接一个可编程的注射泵，注射泵与一个贮液器相连，胰岛素就从这个贮液器输注到人体皮下组

17、织内，在一天的输液过程中，可根据病人的情况设定液量。微射流微射流MEMS技术应用于糖尿病治疗技术应用于糖尿病治疗.数字微镜装置可被用来作投影显示器（DMD）。图示为美国TI公司研制的DMD，它通过可以旋转10的扭转镜来完成投影显示的。微镜通过支撑柱和扭转梁悬于基片上，每个微镜下都有驱动电极，在下电极与微镜间加一定的电压，静电力使微镜倾斜输入光被反射至镜头、投影到屏幕上。未加电压的微镜处的光线反射至镜头外。这样，微镜使每点产生明暗，投影出图象。其他应用其他应用投影显示器投影显示器仿生学中的应用（仿生纤毛）地下水流微传感器Field of Researcho理论基础理论基础：在当前：在当前MEMS

18、MEMS所能达到的尺度下，宏观世界基本的物理所能达到的尺度下，宏观世界基本的物理规律仍然起作用，但由于尺寸缩小带来的影响（规律仍然起作用，但由于尺寸缩小带来的影响（Scaling Scaling EffectsEffects），许多物理现象与宏观世界有很大区别，因此许多原来），许多物理现象与宏观世界有很大区别，因此许多原来的理论基础都会发生变化，如力的尺寸效应、微结构的表面效应、的理论基础都会发生变化，如力的尺寸效应、微结构的表面效应、微观摩擦机理等，因此有必要对微动力学、微流体力学、微热力微观摩擦机理等，因此有必要对微动力学、微流体力学、微热力学、微摩擦学、微光学和微结构学进行深入的研究。学

19、、微摩擦学、微光学和微结构学进行深入的研究。o技术基础技术基础：设计、工艺加工：设计、工艺加工( (高深宽比多层微结构高深宽比多层微结构) )、微装配工艺、微装配工艺、微系统的测量等。微系统的测量等。o应用研究应用研究：如何应用这些：如何应用这些MEMSMEMS系统也是一门非常重要的学问。人系统也是一门非常重要的学问。人们不仅要开发各种制造们不仅要开发各种制造MEMSMEMS的技术，更重要的是如何将的技术，更重要的是如何将MEMSMEMS器件器件用于实际系统，并从中受益。用于实际系统，并从中受益。 MEMS器件根据其特性分成微传感器、微执行器件根据其特性分成微传感器、微执行器、微结构器件、微机

20、械光学器件等。器、微结构器件、微机械光学器件等。微传感器微传感器机械类机械类化学类化学类磁学类磁学类生物类生物类力学力学力矩力矩位置位置速度速度加速度加速度流量流量角速度角速度(陀螺陀螺)气体成分气体成分湿度湿度PH值值离子浓度离子浓度微执行器微执行器马达马达齿轮齿轮扬声器扬声器开关开关微结构器件微结构器件薄膜薄膜探针探针弹簧弹簧微梁微梁微腔微腔沟道沟道微轴微轴锥体锥体微光学器件微光学器件微镜阵列微镜阵列微光扫描器微光扫描器微斩光器微斩光器光编码器光编码器微光阀微光阀微干涉仪微干涉仪微光开关微光开关微透镜微透镜MEMS制造工艺Manufacturing Technology of MEMSo

21、大机械制造小机械，小机械制造微机械n 日本为代表日本为代表o LIGA工艺n Lithograpie(光刻)、Galvanoformung(电铸) Abformung(塑铸)n 德国为代表德国为代表o 硅微机械加工工艺：体硅工艺和表面牺牲层工艺n 美国为代表美国为代表Materialso 硅基材料硅基材料 单晶硅，多晶硅，非晶硅，二氧化硅，氮化硅，碳单晶硅，多晶硅，非晶硅，二氧化硅，氮化硅，碳化硅，化硅，SOI(SOI(S Silicon ilicon O On n I Insulator)nsulator)。o 聚合物材料聚合物材料光刻胶，光刻胶，聚二甲硅氧烷聚二甲硅氧烷o 其他材料其他材料

22、 砷化镓，石英，玻璃，钻石，金属。砷化镓，石英，玻璃，钻石，金属。 驱动材料驱动材料o NiTio 坡莫合金坡莫合金 o 锆钛酸铅（锆钛酸铅（PTZ）o 水凝胶（水凝胶（Hydrogels）Technologies o 物理气相淀积物理气相淀积(Physical Vapour Deposition )o 化学气相淀积化学气相淀积(Chemical Vapour Deposition)o 电镀电镀（Electroplating）o 旋转铸模旋转铸模 （Spin Casting）o 溶胶溶胶-凝胶凝胶（SolGel Deposition）o 光刻光刻(Photolithography )o 刻蚀刻

23、蚀: 干法刻蚀干法刻蚀（DRIE,ICP）和湿法腐蚀o 键合技术键合技术真空镀膜仪真空镀膜仪磁控溅射磁控溅射o电子在电场的作用下加速飞向基片的过程中与氩原子发生碰撞，电离出大量的氩离子和电子，电子飞向基片。氩离子在电场的作用下加速轰击靶材，溅射出大量的靶材原子，呈中性的靶原子（或分子）沉积在基片上成膜。二次电子在加速飞向基片的过程中受到磁场洛仑磁力的影响，被束缚在靠近靶面的等离子体区域内，该区域内等离子体密度很高，二次电子在磁场的作用下围绕靶面作圆周运动，该电子的运动路径很长，在运动过程中不断的与氩原子发生碰撞电离出大量的氩离子轰击靶材，经过多次碰撞后电子的能量逐渐降低，摆脱磁力线的束缚，远离靶材，最终沉积在基片上 干法刻蚀干法刻蚀MEMS 螺旋形电感和多层电感