1、研究生课程：微纳米检测技术研究生课程：微纳米检测技术机电学院机电学院西北工业大学西北工业大学邓进军邓进军 李晓莹李晓莹教材与参考书目u教材：微纳米测量技术微纳米测量技术，王伯雄等编著，清华大学出版社，王伯雄等编著，清华大学出版社，20062006u参考书目：纳米科学与技术纳米科学与技术，袁哲俊编著，哈尔滨工业大学出版社，袁哲俊编著，哈尔滨工业大学出版社，2005 微机电系统设计与制造微机电系统设计与制造，莫锦秋等编著，化学工业出版社，莫锦秋等编著，化学工业出版社，2004 微系统原理与技术微系统原理与技术，傅建中等编著，机械工业出版社，傅建中等编著，机械工业出版社，2005 检测技术与系统检测
2、技术与系统，陈岭丽主编，清华大学出版社，陈岭丽主编，清华大学出版社，2005 传感器与测试技术传感器与测试技术，李晓莹主编，高等教育出版社，李晓莹主编，高等教育出版社，2004 机电工程智能检测技术与系统机电工程智能检测技术与系统，朱名铨等编著，高等教育出版社，朱名铨等编著，高等教育出版社，2002第一讲 绪论u微纳米尺度 微米：1m 10-6m 纳米：1nm 10-9m概述概述u微纳米技术微纳米技术21世纪最重要的科学技术之一；将引起一场新的世纪最重要的科学技术之一；将引起一场新的工业革命。工业革命。u微纳米检测技术是微纳米技术的重要组成部微纳米检测技术是微纳米技术的重要组成部分分微纳米技术
3、微纳米技术研究微观尺度的物体和现象；研究微观尺度的物体和现象；微纳米检测技术也主要指微纳米检测技术也主要指微米和纳米尺度和精度微米和纳米尺度和精度的检测技术。的检测技术。1.1 测量和测量系统u测量：测量提供了有关物理变量和过程的现实状态的定量信息。测量是对客观世界重新认识的工具，也是对任何理论和设计的最终检验。测量是一切研究、设计和开发的基础，它的作用在工程中十分显著。u测量系统由敏感元件（传感器）、信号转换和调理、信号记录和显示等部分组成。几个概念几个概念u测量测量(measurement):以确定被测对象的量值为目的以确定被测对象的量值为目的的全部操作。的全部操作。u 计量计量(Metr
4、ology):与标准进行比较和衡量与标准进行比较和衡量 or 实现测实现测量单位统一和量值准确传递。量单位统一和量值准确传递。u 测试测试(test):试验性质的测量试验性质的测量 or 测量和试验的综合。测量和试验的综合。在实际使用中往往不严格区分测试与测量在实际使用中往往不严格区分测试与测量u检测检测(detection):获取被测对象的真实信息（从客观获取被测对象的真实信息（从客观事务中取得有关信息的过程）。事务中取得有关信息的过程）。检测是意义更为广检测是意义更为广泛的测量。检测测量泛的测量。检测测量+信号检出。信号检出。1.2 微纳米技术u什么叫微纳米技术 通过在微纳米尺度范围内对物
5、质的控制来创造并使用新的材料、装置和系统。微纳米材料 微纳米装置（器件）微纳米系统 1999年12月，美国国家科学技术委员会在“微纳米技术研究指南”工作报告中指出：“微纳米科学和工程将在未来的1020年内成为一种战略性、占主导地位的技术，因为对微尺度物质的控制将支持工业、经济、健康和环境管理、生活质量以及国防等方面的发明和进步”。报告结论是：“微纳米技术将导致下一次工业革命。”德国将微纳米技术和微系统技术列入国家高科技重点发展领域。1.2 微纳米技术u我国从20世纪80年代末开始从事微纳米技术的研究。u2001年，政府制定国家纳米科技发展纲要；u目前：国家科技部“863计划”专门设立有微纳米技
6、术专项，国家自然科学基金也设立有关微纳米技术重大科研基金项目。1.3 微机电系统技术u微机电系统（Micro-electro-mechanical system,MEMS）技术，微系统技术 起源于微电子技术；将传感器、信号处理器和执行器以微型化的结构形式集成为一个完整的系统。微机械在美国常被称作微型机电系统（微机械在美国常被称作微型机电系统（micro electro mechanical system,MEMS)；在日本被称作微机器（在日本被称作微机器（micromachine)；欧洲则被称作微系统（欧洲则被称作微系统（microsystem)；不同的不同的名称名称表明强调不同的表明强调不同
7、的技术重点技术重点。1.3 微机电系统技术1、MEMS的形成基础学科交叉的产物学科交叉的产物 与机械电子学的关系与机械电子学的关系 基本组成相同基本组成相同不是简单的提升不是简单的提升1.3 微机电系统技术2、MEMS的特点MEMS的特点的特点实现新功能、实现新功能、为前沿目标为前沿目标提升已有性能（包括微型化、提升已有性能（包括微型化、集成化、集成化、）MEMS的内涵的内涵“微微”尺度效应的作用尺度效应的作用“机电机电”拓展向更多物理量的融合拓展向更多物理量的融合“系统系统”水平、实际应用现状水平、实际应用现状1.3 微机电系统技术3、MEMS的发展u硅微传感器阶段硅微传感器阶段 1963年
8、日本丰田研究中心制作出硅微压力传感器。年日本丰田研究中心制作出硅微压力传感器。1982年美国年美国IBM和和UCBerkeley研制了集成电容式加速度计。研制了集成电容式加速度计。u硅微致动器阶段硅微致动器阶段 1987年年UCBerkeley研制出转子直径为研制出转子直径为60120 m的硅微静电电机。的硅微静电电机。u传感器市场化阶段传感器市场化阶段 1993年美国年美国Analog Devices开始生产集成加速度传感器，开始在汽开始生产集成加速度传感器，开始在汽车行业大量应用。车行业大量应用。u系统研究阶段系统研究阶段 20世纪世纪90年代末，开始微型飞行器、微型卫星、微型机器人等研究
9、。年代末，开始微型飞行器、微型卫星、微型机器人等研究。NEMS与与MEMS的关系的关系 生物微马达、生物工程操作、碳纳米管生物微马达、生物工程操作、碳纳米管 概念延伸、概念延伸、MEMS工艺为基础、对象向生物化学扩展工艺为基础、对象向生物化学扩展 当前市场上存在的MEMS产品u喷墨打印头喷墨打印头u汽车安全气囊用加速度传感器汽车安全气囊用加速度传感器u游戏杆用加速度传感器游戏杆用加速度传感器u压力传感器压力传感器u微型控制阀微型控制阀u微型磁强计微型磁强计1.3 微机电系统技术MEMS材料材料u结构材料结构材料基底材料：硅、砷化镓、其他半导体材料基底材料：硅、砷化镓、其他半导体材料薄膜材料：单
10、晶硅、氮化硅、氧化硅薄膜材料：单晶硅、氮化硅、氧化硅金属材料：金、铝、其他金属金属材料：金、铝、其他金属u功能材料功能材料高分子材料：聚酰亚胺、高分子材料：聚酰亚胺、PMMA敏感材料：压阻、压电、热敏、光敏、其他敏感材料：压阻、压电、热敏、光敏、其他致动材料：压电、形状记忆合金、磁性材料等致动材料：压电、形状记忆合金、磁性材料等1.3 微机电系统技术MEMS工艺手段工艺手段微型制造技术微型制造技术精密加工精密加工微细超声加工微细电解加工微细电火花加工立体光刻立体光刻能束加工能束加工激光加工电子束加工离子束加工 硅微细加工 硅微细加工光刻电铸加工光刻电铸加工准LIGA加工LIGA加工体硅加工硅表
11、面微加工各向 异性 腐蚀自停止 腐蚀深层离子刻蚀电化学腐蚀等离子及反应离子刻蚀淀积光刻牺牲层腐蚀扩散1.3 微机电系统技术典型典型MEMS工艺工艺u体微细加工技术体微细加工技术 体加工工艺流程体加工工艺流程 使用体加工工艺制作的微器件使用体加工工艺制作的微器件u表面微细加工技术表面微细加工技术 表面加工工艺流程表面加工工艺流程 牺牲层技术牺牲层技术 两种典型表面加工工艺两种典型表面加工工艺 使用表面加工工艺制作的微器件使用表面加工工艺制作的微器件uLIGA技术技术 LIGA技术工艺流程技术工艺流程 用用LIGA技术制作的微器件技术制作的微器件 LIGA技术与硅微细加工技术的比较技术与硅微细加工
12、技术的比较1.3 微机电系统技术体加工工艺流程体加工工艺流程硅片沉积掩模层去除掩模层图形化掩模层体刻蚀1.3 微机电系统技术使用体加工工艺制作的器件使用体加工工艺制作的器件硅压力传感器结构封装后的硅压力传感器1.3 微机电系统技术表面加工工艺流程表面加工工艺流程硅片沉积结构层图形化结构层沉积牺牲层图形化牺牲层沉积结构层图形化结构层释放1.3 微机电系统技术牺牲层技术牺牲层技术 沉积并图形化牺牲层沉积并图形化结构层刻蚀牺牲层，释放结构层1.3 微机电系统技术使用表面工艺加工的器件使用表面工艺加工的器件微 镜1.3 微机电系统技术LIGA技术工艺流程技术工艺流程LIGA技术 LIGA是德文的平版印
13、刷术(lithographie)，电铸成形(galvanoformung)和注塑或模塑(abformung)的缩写。1.3 微机电系统技术1.3 微机电系统技术用用LIGA技术制造的微器件技术制造的微器件1.3 微机电系统技术LIGA 技术与硅微细加工技术的比较技术与硅微细加工技术的比较1.4 微纳米检测技术的任务微纳米检测技术的任务u微纳米检测（测量）技术：针对微纳米和微（机电）系统技术领域的检测（测量）技术特点：被测量的对象尺度很小，一般在微纳米量级。以非接触测量手段为主。1.4 微纳米检测技术的任务微纳米检测技术的任务u微纳米器件的几何结构特征参数测量微纳米器件的几何结构特征参数测量u表面粗糙度和表面微观形貌测量表面粗糙度和表面微观形貌测量uMEMS材料特性的测试材料特性的测试u力、应力和应变的测量力、应力和应变的测量u微位移、速度、加速度和振动等微机械量的微位移、速度、加速度和振动等微机械量的测量测量u声，生物等其他物理量的测量声，生物等其他物理量的测量u1.4 微纳米检测技术的任务微纳米检测技术的任务u微结构的材料特性检测微结构的材料特性检测u微结构的几何结构特征参数检测微结构的几何结构特征参数检测u微器件微器件(系统系统)的性能检测的性能检测The end!
