1、微飞行器微飞行器血液压力传感器血液压力传感器nMEMS的特点的特点1）微型化：MEMS器件体积小、重量轻、耗能低、惯性小、谐振频率高、响应时间短。2）以硅为主要材料，机械电器性能优良：硅的强度、硬度和杨氏模量与铁相当，密度类似铝，热传导率接近钼和钨。3）批量生产：用硅微加工工艺在一片硅片上可同时制造成百上千个微型机电装置或完整的MEMS。批量生产可大大降低生产成本。4）集成化：可以把不同功能、不同敏感方向或致动方向的多个传感器或执行器集成于一体，或形成微传感器阵列、微执行器阵列，甚至把多种功能的器件集成在一起，形成复杂的微系统。微传感器、微执行器和微电子器件的集成可制造出可靠性、稳定性很高的M
2、EMS。5）多学科交叉：MEMS涉及电子、机械、材料、制造、信息与自动控制、物理、化学和生物等多种学科，并集约了当今科学技术发展的许多尖端成果。微机电系统研究得到了美国、日本、欧洲等各微机电系统研究得到了美国、日本、欧洲等各国政府机构、企业界、高等学校与研究机构的高度国政府机构、企业界、高等学校与研究机构的高度重视。源源不断涌现的重视。源源不断涌现的MEMS器件和系统不但突破器件和系统不但突破了某些传统加工技术的瓶颈，实现了技术的进步，了某些传统加工技术的瓶颈，实现了技术的进步，甚至带来了观念的革命和产业结构的更新。其中以甚至带来了观念的革命和产业结构的更新。其中以美国的表现最为突出。美国的表
3、现最为突出。从八十年代以来，美国政府机构把从八十年代以来，美国政府机构把MEMS作为作为科技发展的三大重点之一，先后得到了科技发展的三大重点之一，先后得到了NASA、DARPA、国家科学基金会等数亿美元的资助。、国家科学基金会等数亿美元的资助。1994年发布的年发布的美国国防部技术计划美国国防部技术计划报告也将微机电报告也将微机电系统列为关键技术项目。系统列为关键技术项目。本章主要内容本章主要内容qMEMS典型器件及系统典型器件及系统 qMEMS加工技术加工技术 qMEMS基础性研究基础性研究 MEMS典型器件及系统典型器件及系统微型传感器微型传感器 Micro Sensor微型致动器微型致动
4、器 Micro Actuator射频微机电系统射频微机电系统 RF MEMS微型光机电器件和系统微型光机电器件和系统 MOEMS微型生物机电系统微型生物机电系统 BioMEMS 微型机器人微型机器人 Micro Robot微型动力系统微型动力系统 Micro Power System 微型传感器微型传感器v 微型传感器是微型传感器是MEMS的一个重要组成部分。的一个重要组成部分。1962年第一个硅微型威力传感器问世，开创了年第一个硅微型威力传感器问世，开创了MEMS的先河。的先河。v现在已经形成产品和正在研究中的微型传感器现在已经形成产品和正在研究中的微型传感器有：压力、力、力矩、加速度、速度
5、、位置、有：压力、力、力矩、加速度、速度、位置、流量、电量、磁场、温度、气体成分、湿度、流量、电量、磁场、温度、气体成分、湿度、pH值、离子浓度和生物浓度、微陀螺、触觉值、离子浓度和生物浓度、微陀螺、触觉传感器等等。传感器等等。v微型传感器正朝着集成化和智能化的方向发展。微型传感器正朝着集成化和智能化的方向发展。谐振式微加速度传感器谐振式微加速度传感器悬臂式微加速度传感器悬臂式微加速度传感器 国外某公司大批量生产的硅微加速度计，中间是传感的机械部分，四周为包括电信号源、放大器、信号处理和自校正电路等的集成电路，集成在3mm3mm的芯片上，采用硅平面微细加工工艺制作，一块直径10厘米的硅片上可做
6、出几百只微加速度计。已大量用于汽车的防碰撞气袋，每支只需几美元。有人预计微型传感器即将占邻40%的传感器的市场。微型致动器微型致动器v微型致动器有：微开关、微谐振器、微型致动器有：微开关、微谐振器、微阀、微泵、微电机等。微阀、微泵、微电机等。v用途：可用于物体的搬送、定位，用途：可用于物体的搬送、定位，用于飞机的灵巧蒙皮。用于飞机的灵巧蒙皮。v驱动方式主要有：静电驱动、压电驱动方式主要有：静电驱动、压电驱动、电磁驱动、形状记忆合金驱驱动、电磁驱动、形状记忆合金驱动、热双金属驱动、热驱动等等。动、热双金属驱动、热驱动等等。微型电机是一种典型的微型致动器，可微型电机是一种典型的微型致动器，可分为旋
7、转式和直线式两类。分为旋转式和直线式两类。谐振式微致动器谐振式微致动器电热驱动电热驱动射频微机电系统射频微机电系统微型光机电器件和系统微型光机电器件和系统 随着信息技术、光通信技术的发展，随着信息技术、光通信技术的发展，宽带的多波段光纤网络将成为信息时代的宽带的多波段光纤网络将成为信息时代的主流，光通信中光器件的微小型化和大批主流，光通信中光器件的微小型化和大批量生产成为迫切的需求。量生产成为迫切的需求。MEMSMEMS技术与光器技术与光器件的结合恰好能满足这一要求。由件的结合恰好能满足这一要求。由MEMSMEMS与与光器件融合为一体的微型光机电系统光器件融合为一体的微型光机电系统（MOEMS
8、MOEMS）将成为）将成为MEMSMEMS领域中一个重要研究领域中一个重要研究方向。方向。随着微机电研究的深入，光学内容逐渐随着微机电研究的深入，光学内容逐渐进入其中，从而出现了将光、机、电系统集进入其中，从而出现了将光、机、电系统集成在一起的系统，构成微光机电系统。成在一起的系统，构成微光机电系统。微光机电系统的研究内容主要有光通信微光机电系统的研究内容主要有光通信用波分复用器、光开关、显示器、微型光谱用波分复用器、光开关、显示器、微型光谱仪、光学连接器、可调波长滤波器、微光扫仪、光学连接器、可调波长滤波器、微光扫描器、微斩波器、微干涉仪、微可变焦透镜、描器、微斩波器、微干涉仪、微可变焦透镜
9、、微外腔激光器、微镜阵列、透镜阵列、光学微外腔激光器、微镜阵列、透镜阵列、光学探测器、集成光学系统、光学编码器等。其探测器、集成光学系统、光学编码器等。其中，光通讯用光开关、微型光学传感器以及中，光通讯用光开关、微型光学传感器以及显示器是目前最被看好的部分。显示器是目前最被看好的部分。TI公司的数字微镜显示器（DMD），通过CMOS技术将数百万44平方微米的铝镜阵列与控制电路集成在一起。每个微镜可以进行10度的扭转，从而达成“1”和“0”两个状态。其响应时间可以达到1ms。目前这一产品已经上市，并成功进入了投影仪市场。Lucent公司推出的基于MOEMS技术的Lambda路由器，它通过表面微机
10、械技术制作了上万面可二维转动的微镜，可以在光通讯中实现光交换的功能。（a）二维微镜结构 （b）微镜阵列 (c)光交换工作原理示意图微型生物机电系统微型生物机电系统 微型生物化学芯片是利用微细加工工艺，在厘米见方的硅片或玻璃等材料上集成样品预处理器、微反应器、微分离管道、微检测器等微型生特化学功能器件、电子器件和微流量器件的微型生物化学分析系统。与传统的分析仪器相比，微型生物化学分析系统除了体积小以外，还具有分析时间短，样品消耗少，能耗低，效率高等优点。可广泛用于临床、环境临测、工业实时控制。芯片上的生物化学分析系统还使分析的并行处理成为可能，即同时分析数十种甚至上百种的样品，这将大大缩短基因测
11、序过程，因而将成为人类基因组计划中重要的分析手段。微型机器人微型机器人 随着电子器件的不断缩小，组装时要求的精密度也在不断增加。组在，科学家正在研制微型机器人，能在桌面大小的地方组装象硬盘驱动器之类的精密小巧的产品。日本通产省的十年计划就是一例。军队也对这种微型机器人表现了浓厚的兴趣。他们设想制造出大到鞋盒子，小到硬币大小的机器人，它们会爬行，跳跃，到达敌军后方，为不远处的部队或千里之外的总部收集情报。这些机器人是廉价的，可以大量部署，它们可以替代人进入难以进入或危险的地区，进行侦察、排雷和探测生化武器战争微型动力系统微型动力系统 微型动力系统以电、热、动能或机械能的输出为目的，以毫米到厘米级
12、尺寸，产生瓦到十瓦级的功率。MIT从1996年开始了微型涡软发动机的研究，该微型涡轮发动机利用MEMS加工技术制作，主要包括一个空气压缩机、涡软机、燃烧室、燃料控制系统（包括泵、阀、传感器等）、以及电启动马达/发电机。该校已在硅片上制作出涡轮机模型。其目标是1cm直径的发动机产生1020W的电力或0.050.01N的推力，最终达到100W。MEMS加工技术加工技术 MEMS加工技术主要有从半导体加工工艺中发展起来的硅表面工艺和体硅工艺。八十年代中期以后利用X射线光刻、电铸、及注塑的LIGA（德文Lithograph Galvanformung und Abformug简写）技术诞生，形成了ME
13、MS加工的另一个体系。MEMS的加工技术可包括硅表面加工和体加工的硅微细加工、LIGA加工和利用紫外光刻的准LIGA加工、微细电火花加工（EDM）、超声波加工、等离子体加工、激光加工、离子束加工、电子束加工、立体光刻成形等。MEMS的封装技术也很重要。传统的精密机械加工技术在制造微小型机械方面仍有很大潜力。MEMS加工技术加工技术l表面硅工艺l体硅工艺lLIGA表面硅工艺表面硅工艺体硅工艺体硅工艺 微谐振器（微谐振器（case5）试验片断）试验片断MEMS基础性研究基础性研究 硅微动构件中的空气阻尼效应硅微动构件中的空气阻尼效应硅微动构件中的空气阻尼效应硅微动构件中的空气阻尼效应l 宏观理论用
14、于微观尺度宏观理论用于微观尺度 Couette模型和Stokes模型l 微槽、微管道研究微槽、微管道研究 直接模拟Monte Carlo方法较适合超声速甚 至超高声速的情况22yutudydu0)()()(1200tdtutD)cos(0ytyeUu)sin(cos0ttv)2cos()2cosh()2sin()2sinh(20ddddUDsd20UDs作如下假设：作如下假设：1、忽略彻体力项的影响、忽略彻体力项的影响 2、压力、压力p在在z方向上没有变化方向上没有变化 3、速度、速度u、v、w在在z方向上没有变化，且方向上没有变化，且w=0 4、运动过程处于等温状态、运动过程处于等温状态 5
15、、间隙内空气处于层流流动、间隙内空气处于层流流动)(12222yuxuxPyuvxuutu)(12222yvxvyPyvvxvutv0yvxu)()Re(Re22220yuxuxPyuvxuuuUdf)()Re(Re22220yvxvyPyvvxvuvUdf0yvxu微系统中气体的流动模式可根据微系统中气体的流动模式可根据KnudsenKnudsen数的大小划分为数的大小划分为三个区域：三个区域：KnKn10 10 流动为自由分子流动或无碰撞流动流动为自由分子流动或无碰撞流动KnKn0.01 0.01 流动为连续流流动为连续流 可采用连续介质流体力学理论来分析可采用连续介质流体力学理论来分析0
16、.01Kn0.01Kn10 10 流动为过渡态流流动为过渡态流 流动必须考虑为稀薄气体流，而不是连续介质流动必须考虑为稀薄气体流，而不是连续介质MEMS构件中气体流动的构件中气体流动的Knudsen数为数为0.03左左右必须考虑稀薄气体效应和速度边界滑移右必须考虑稀薄气体效应和速度边界滑移wVVwallgasyuKnuu|2preQ159.1638.91KnQpr流体Reynolds方程：thyPhyxPhx)(12)()(33thyPQhyxPQhxprpr)(12)()(33Fkxxcxm Fkxxcxm 其中，有效质量tbfpeffmmmmm413512 mp为谐振器振动板的主干质量，m
17、f为活动叉指质量，mb为弹性梁质量，mt为支撑架质量弹性梁弹性系数 )(2lwEhk 在激励信号电压U 的作用下，固定不动电极的叉指与振子叉指间形成交变静电力F，使振子沿x方向发生移动。22222121UdNhUdNlhxUxCFcc)sin(tUUUdp )sin(2)sin(0tUUdNhtFFPdc 流场在流场在33/4/4时刻速度分布图时刻速度分布图 流场在流场在时刻速度分布图时刻速度分布图 流场在流场在55/4/4时刻速度分布图时刻速度分布图 流场在流场在33/2/2时刻速度分布图时刻速度分布图 流场在流场在77/4/4时刻速度分布图时刻速度分布图 流场在流场在22时刻速度分布图时刻
18、速度分布图 流场在流场在/4/4时刻速度分布图时刻速度分布图 流场在流场在/2/2时刻速度分布图时刻速度分布图 流场在流场在33/4/4时刻速度分布图时刻速度分布图 流场在流场在时刻速度分布图时刻速度分布图 流场在流场在55/4/4时刻速度分布图时刻速度分布图 流场在流场在33/2/2时刻速度分布图时刻速度分布图 流场在流场在77/4/4时刻速度分布图时刻速度分布图 流场在流场在22时刻速度分布图时刻速度分布图 微谐振器各阶谐振频率仿真值微谐振器各阶谐振频率仿真值模态微谐振器一(Hz)微谐振器二(Hz)微谐振器三(Hz)第一阶249461961124549第二阶260602003835391第
19、三阶415643241539883第四阶555423398284945第五阶7912974268138490第六阶11289077481162540第七阶18578082214238300 微谐振器（微谐振器（case1case1）的幅频响应图）的幅频响应图 微谐振器（微谐振器（case2case2）的幅频响应图）的幅频响应图 微谐振器（微谐振器（case3case3）的幅频响应图）的幅频响应图振动瞬态响应振动瞬态响应周期内阻尼力变化曲线周期内阻尼力变化曲线微平面构件的空气压力分布微平面构件的空气压力分布稀薄气体效应影响稀薄气体效应影响0.000.250.500.751.00-2-10123阻
20、 尼 力 W/N时 间 周 期120.000.250.500.751.00-10-5051015阻 尼 力 W/N时 间 周 期12 a 谐振频率谐振频率 f/22kHz b 谐振频率谐振频率 f/100kHz1.不计稀薄气体效应不计稀薄气体效应 2.计入稀薄气体效应计入稀薄气体效应MEMS发展目标发展目标 通过微型化、集成化来探索新原理、新功能的元件和系统，开辟一个新技术领域和产业。MEMS可以完成大尺寸机电系统所不能完成的任务，也可嵌入大尺寸系统中，把自动化、智能化和可靠性水平提高到一个新的水平。二十一世纪MEMS将逐步从实验室走向实用化，对工农业、信息、环境、生物工程、医疗、空间技术、国防和科学发展产生重大影响。斯坦福大学实验实例
