研究生课程考试成绩单（试卷封面）
院系电子科学与工程学院专业微电子学与固体
电子学
学生姓名李艳学号121225 课程名称微电子机械系统
授课时间2014年3月至2014年4 月周学时 2 学分 2
简
要
评
语
考核论题[微电子机械系统] 作业
总评成绩
（含平时成绩）
备注
任课教师签名：
日期：
注：1. 以论文或大作业为考核方式的课程必须填此表，综合考试可不填。“简要评语”栏缺填无效。
2. 任课教师填写后与试卷一起送院系研究生秘书处。
3. 学位课总评成绩以百分制计分。
1. 习题1.9
A：查找至少来自两家公司的两种压力传感器的产品性能表。根据1.3.2节所列的传感器性能标准，总结这两种产品的性能。至少从转换原理、灵敏度、动态范围、噪声、销售价格及功耗等方面进行比较。
B：比较至少来自两家独立公司的两种压力传感器（或者其他传感器）。上网搜索这两家公司的两种主要专利，并对专利的保护内容和授权日期进行对比，写一份两页的总结。（提示：可以在下列免费网站搜索，如US Patent、Trademark Office Web、Google patent或者在线专利搜索网站）。
答：A：美国飞思卡尔公司的MPX5010压力传感器与德国JUMO公司的MIDAS C18 SW –OEM压力传感器比较如下：
MPX5010 MIDAS C18 SW –OEM
型号
性能
转换原理压电材料三氧化二铝陶瓷薄膜
灵敏度450mV/kPa
动态范围75kPa压力差 1.6—100bar相对压力
最大误差 5.0% 1.6bar
销售价格约65元
功耗≤0.05W ≤0.6W
前者为集成传感器体积较小，功耗较低；后者为机械式的传感器，体积和功耗都较大。两者的应用领域也不同。
B：专利一：
专利二：
专利一（WO2012122875 A1）MEMS压力传感器及其制作方法
发明内容：
专利一解决的问题是提供一种MEMS压力传感器及其制作方法，能够与集成电路制造工艺兼容，有效地降低制作成本并减小传感器尺寸。
为解决上述问题，本发明提供一种MEMS压力传感器，包括：第一衬底，具有压阻式压力传感单元的感应薄膜、电连线扩散层和所述第一衬底表面的第一粘合层；第二衬底，具有导体间介质层、位于所述导体间介质层中的导体连线层和/或所述第二衬底表面的第二粘合层；其中，所述第二衬底与第一衬底相对设置，通过第一粘合层和第二粘合层固定连接，所述第一粘合层与第二粘合层的图案对应并且均为导电材料。所述第二粘合层位于导体连线层上方，或者，所述第二粘合层为导体连线层中的最上层导体层。
所述第一粘合层和/或第二粘合层为Ge层、Si层、Au层、A1层、Au/Sn 叠层或Al/Ge叠层。所述第一衬底包括SOI衬底，该SOI衬底依次包括硅本体层、埋氧层和
所述感应薄膜中具有多个电阻构成的惠斯顿电阻桥，所述第一衬底的背面具有开口，该开口将所述感应薄膜暴露于大气中。
所述第二衬底包括SOI衬底或者单晶硅衬底，所述导体间介质层下的衬底内还包括信号处理电路。
所述压力传感器还包括：参考压力腔，位于感应薄膜与第二衬底之间。所述感应薄膜具有保护介质层。所述参考压力腔内的第二衬底表面具有自测电极，与所述感应薄膜的位置对应。
保护范围：
1、一种MEMS压力传感器，其特征在于，包括：第一衬底，具有压阻式压力传感单元的感应薄膜、电连线扩散层和所述第一衬底表面的第一粘合层；第二衬底，具有导体间介质层、位于所述导体间介质层中的导体连线层和
/或所述第二衬底表面的第二粘合层；其中，所述第二衬底与第一衬底相对设置，通过第一粘合层和第二粘合层固定连接，所述第一粘合层与第二粘合层的图案对应并且均为导电材料。
2、根据权利要求1所述的MEMS压力传感器，其特征在于，所述第二粘合层位于导体连线层上方，或者，所述第二粘合层为导体连线层中的最上层导体层。
3、根据权利要求1或2所述的MEMS压力传感器，其特征在于，所述第一粘合层和/或第二粘合层为Ge层、Si层、Au层、A1层、Au/Sn叠层或Al/Ge 叠层。
4、根据权利要求1所述的MEMS压力传感器，其特征在于，所述第一衬底包括SOI衬底，该SOI衬底依次包括硅本体层、埋氧层和SOI层，其中所
5、根据权利要求4所述的MEMS压力传感器，其特征在于，所述感应薄膜中具有多个电阻构成的惠斯顿电阻桥，所述第一衬底的背面具有开口，该开口将所述感应薄膜暴露于大气中。
6、根据权利要求5所述的MEMS压力传感器，其特征在于，还包括：参考压力腔，位于感应薄膜与第二衬底之间。
7、根据权利要求5所述的MEMS压力传感器，其特征在于，所述感应薄膜具有保护介质层。
8、根据权利要求1所述的MEMS压力传感器，其特征在于，所述第二衬底包括SOI衬底或者单晶硅衬底，所述导体间介质层下的衬底内还包括信号处理电路。
9、根据权利要求6所述的MEMS压力传感器，其特征在于，所述参考压力腔内的第二衬底表面具有自测电极，与所述感应薄膜的位置对应。
10、根据权利要求1所述的MEMS压力传感器，其特征在于，所述第二衬底还包括位于导体连线层外围的多个压焊焊垫，所述多个压焊焊垫所对应的第一衬底被去除。
11、根据权利要求10所述的MEMS压力传感器，其特征在于，还包括：封装衬底，位于第二衬底下方，具有多个压焊管脚；
封装体，位于所述封装衬底上方并将所述第一衬底和第二衬底包裹；粘合胶，位于第二衬底和封装衬底之间；
引线，位于所述封装体内，两端分别与压焊焊垫和压焊管脚焊接。
12、根据权利要求11所述的MEMS压力传感器，其特征在于，所述封装体和固定连接的第一衬底、第二衬底之间还包括应力緩沖层。
13、一种MEMS压力传感器的制作方法，其特征在于，包括：提供第一衬底，在所述第一衬底上形成压阻式压力传感单元、电连线扩散层和所述第一衬底表面的第一粘合层；
提供第二衬底，在所述第二衬底上形成导体间介质层、位于所述导体间介质层中的导体连线层和/或所述第二衬底表面的第二粘合层；
将所述第一粘合层和第二粘合层相对设置并按照图案对应的方式粘接，以固定连接及电连接所述第一衬底和第二衬底。
14、根据权利要求13所述的MEMS压力传感器的制作方法，其特征在于，所述第一衬底包括SOI衬底，该SOI衬底包括硅本体层、埋氧层和SOI层，在所述第一衬底上形成压阻式压力传感单元、电连线扩散层和所述第一衬底表面的第一粘合层的步骤具体包括：
力传感单元包括感应薄膜，在所述感应薄膜中制作多个电阻构成的惠斯顿电阻桥；一粘合材料层；采用第一掩模板进行光刻工艺，对第一粘合材料层进行刻蚀从而形成第一粘合层，其中，所述感应薄膜上方的第一粘合材料层也被去除。
15、根据权利要求14所述的MEMS压力传感器的制作方法，其特征在于，在所述第二衬底上形成导体间介质层、位于所述导体间介质层中的导体连线层和所述第二衬底表面的第二粘合层的步骤具体包括：在所述第二衬底上形成导体间介质层、位于所述导体间介质层中的导体连线层；
在所述导体连线层上淀积第二粘合材料层，或者，该第二粘合材料层为导体连线层中的最上层导体材料层；
采用第二掩模板进行光刻工艺，对第二粘合材料层进行刻蚀从而形成第二粘合层。16、根据权利要求13所述的MEMS压力传感器的制作方法，其特征在于，还包括：在所述第二衬底上形成第二粘合层的同时在导体连线层外围的压焊焊垫区内形成多个压焊焊垫。
17、根据权利要求16所述的MEMS压力传感器的制作方法，其特征在于，固定连接及电连接第一衬底和第二衬底之后或之前还包括：去除所述压焊焊垫区对应的第一衬底，以暴露出压焊焊垫区内的多个压焊焊垫，同时，去除所述感应薄膜背向所述第二衬底一面的硅本体层和埋氧层，仅剩余感应薄膜。
18、根据权利要求16所述的MEMS压力传感器的制作方法，其特征在于，固定连接及电连接第一衬底和第二衬底之后或之前还包括：去除所述压焊焊垫区对应的第一衬底，以暴露出压焊焊垫区内的多个压焊焊垫，同时，去除所述感应薄膜背向所述第二衬底一面的硅本体层，剩余埋氧层和感应薄膜。
19、根据权利要求13所述的MEMS压力传感器的制作方法，其特征在于，将所述第一粘合层和第二粘合层相对设置并按照图案对应的方式粘接包括以下步骤：将第一衬底的第一粘合层与第二衬底的第二粘合层的位置相对，使其图案相互接触；从两个衬底的背面施加压力，同时进行加热使第一粘合层和第二粘合层的接触面相互融合。
20、根据权利要求14所述的MEMS压力传感器的制作方法，其特征在于，还包括：在所述第二衬底上形成第二粘合层的同时形成自测电极，或者，在第二衬底上形成导体连线层的同时形成自测电极，其位置对应于第一衬底上压阻式压力传感单元的感应薄膜。
21、根据权利要求16所述的MEMS压力传感器的制作方法，其特征在于，固定连接及电连接第一衬底和第二衬底之后还包括：提供封装衬底，设置有多个压焊管脚；
将所述第二衬底背向所述第一衬底的一面与封装衬底连接；
连接；
进行塑料灌模封装，以将第一衬底和第二衬底之外的封装衬底表面的空间填充封装体。
22、根据权利要求21所述的MEMS压力传感器的制作方法，其特征在于，进行塑料灌模封装之前还包括：在所述封装体和固定连接的第一衬底、第二衬底之间形成应力緩沖层。
专利二（CN 202533216 U）带温度输出的气体压力传感器
发明内容：
本实用新型主要是解决现有技术中存在的不足，提供一种结构简单，而且使用稳定性好的带温度输出的气体压力传感器。
本实用新型的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：
—种带温度输出的气体压力传感器，包括上壳，所述的上壳的底部设有下腔，所述的下腔中设有PCB温度补偿电路板，所述的PCB温度补偿电路板上连接有热敏电阻。
PCB温度补偿电路板带全温度范围的逐点温度补偿，输出范围可调节，适应不同的测量系统。外壳为高强度塑料设计，具有精度高和稳定性好的特点。
作为优选，所述的下腔中设有向下延伸的空腔，所述的热敏电阻延伸至空腔的底端。
作为优选，所述的上壳与下腔相卡接。
本实用新型提供带温度输出的气体压力传感器，结构简单，抗干扰性好，稳定性佳。
保护范围：
1. 一种带温度输出的气体压力传感器，其特征在于：包括上壳（1），所述的上壳（1）的底部设有下腔（2），所述的下腔（2）中设有PCB温度补偿电路板（3），所述的PCB温度补偿电路板（3）上连接有热敏电阻（4）。
2.根据权利要求I所述的带温度输出的气体压力传感器，其特征在于：所述的下腔（2）中设有向下延伸的空腔（5），所述的热敏电阻（4）延伸至空腔（5）的底端。
3.根据权利要求1或2所述的带温度输出的气体压力传感器，其特征在于：所述的上壳⑴与下腔⑵相卡接。
专利二实物图
2.习题2.7 制造
画出本章讨论的压力传感器制造过程（图2-21）。扩展其中的流程图使其包含光刻步骤等所有的步骤。这个练习的目的是认识、学习并熟悉画图软件。试描绘出包括诸如侧壁和斜坡覆盖层等一些细节的几何形状。（提示：读者最好在进行操作前先阅读以下第10章和第11章的内容，或指导老师可以在布置这个作业前先与同学们讨论以下第10章和第11章中材料方面的内容。）
第一步备片
第二部氧化
第三部光刻
第四部离子注入
第五步腐蚀、再次氧化
第六步光刻
第七步离子注入
第八步腐蚀
第九步低压化学沉积
第十部用KOH腐蚀
第十一步正面光刻引线孔
第十二步将金属层图形化做
出引线
3.习题3.24 设计
证明中心点加力的双端固支梁的力常数可以看成两个简支的并联梁，并且横截面
积不变，长度变为原来的一半。
解：设双端固支梁的长度为l ，宽度为w ，厚为t ，则由题意可知：
双端固支梁的最大位移发生在梁中点，最大值为：3
192Fl d EI
=
则其对应力常数为：
33
319216F EI Ewt k d l l === 而简支梁在一端受力时，其自由端的最大位移为：
EI FL d 123
=
对应的力常数为：
3
33
12F EI Ewt k d L L === 所以，两个长度为l /2的并联简支梁的力常数为：33
33
162(/2)Ewt Ewt k l l == 由以上证明可得：中心点加力的双端固支梁的力常数可以看成两个简支的并联
梁，并且横截面积不变，长度变为原来的一半。
4.习题3.26 设计
用单晶硅制造宽为20um 的单端固支悬臂梁，使得力常数慰10N/m 、谐振频率为10kHz 。求悬臂梁要求的长度和厚度。硅的杨氏模量为120GPa 。硅材料的密度为2330kg/m 3。从下面的选项中选出正确的答案并给出你的理由。 （1） 长6.4mm ，厚351um 。 （2） 长2.9mm ，厚75.7um 。 （3） 长143mm ，厚3.65mm 。 （4） 以上都不是
解：设单端固支梁的长、宽、高分别为L, W, H ，则力常数
可表示为: 3963
33
1201020101044EWH Pa m H k N L L
-????=== 计算得到 43
106?=???? ?
?H
L
其谐振频率为：
4lg 252.3L E f ωπ=
再由
42
434
12252.312252.3lg 252
.3L EH gWHL g EWH gWHL E f ρπρπρπ
===
可得： 1
2
2128.613.52H f m L E πρ-=≈
所得数据最接近2）长=2.9mm 、宽=75.7μm 。
5.习题4.4 设计
由四个硅梁支撑的平行板电容器如下图所示，上极板面积为1×1mm 2，四根支撑梁都是500um 长、5um 宽、0.3um 厚。平行板电容器受到的力常数K m 是多少？（注意：图并未按尺度比例画）硅的杨氏模量去120GPa 。 （1）0.1N/m （2）0.4N/m
（3）0.00013N/m （4）0.00052N/m （5）0.00003N/m
解： 在外力F 作用下的垂直位移为：3
12F l d E I =
()()3
966
3
4
3336120105100.310121.310/50010m P am m F E I E t k N m d l l m ω
----?????=====??
题设所给电容器等效为四根梁并联，因此平行板电容器受到的力常数为上次所求km 的4倍，即所求k m =4，故选4）。
6.习题4.5 设计
如果习题4.4中的支撑梁变为0.25mm （也就是原长的一半），以下哪个表述是正确的？
（1） 吸合电压将增加为四倍。
（2） 当梁的位移超过x 0/6时，平板将发生吸合。 （3） 吸合点处的静电力常数（k e ）将增加到8倍。 （4） 器件的谐振频率将会减少。
解：(1)吸合电压公式
00
23
1.5P x k U C =
,其中
x 为初始时两电极之间的距离，
C 为初始时的两极板的电容，因此变化后吸合电压变为原来的22倍。故表述错误。 （2）平板发生吸合是在初始位置的三分之一处，与其他因素无关，故仍为
0/3
x 。故表述错误。
（3）在吸合点处e m
k k =，而
334m E t k l ω=，当l 变为原来的一半时，m k 增加为原来的8倍，故
e
k 也增加为原来的8倍。故表述正确。
（4）由3
442212n n n k k E I g E t g f l l πωπ==知，l 减小时n f 将增大。故表述错误。
7.习题5.2 设计
对于1mm 长的金-硅复合梁（固定端-自由端），当梁温度被加热到高于室温10o C 时。梁顶端的垂直位移是20um 。如果温度提高到30o C ，试计算梁的角位移和垂直位移。计算曲率半径的公式为：
写出分析步骤。（提示：当较小时，用泰勒级数展开式来近似计算函数cos 。）
（1） 垂直位移为60um ，角位移为6.9o
。 （2） 垂直位移为49um ，角位移为2.3o 。 （3） 垂直位移为49um ，角位移为15o 。 （4） 垂直位移为60um ，角位移为15o 。
解： 由题意可知，
r l
=
θ ，2
21cos θθr r r d =-=（θ很小时）
当T ?=10°时，r =2.54
10?um 1180=25θπ
=
? 2.29ο 根据比例关系可以求出：
当T ?=30°时，41
= 2.5103r ??um
则角位移 3180
=6.8725θπ
=
?
垂直位移 21
cos =60m 2
d r r r θθμ=-=
故可以得出，选项1）正确。
8.习题6.6 设计
考虑有两个指向臂<100>方向的硅悬臂梁。（推导在力F 作用下电阻相对变化的解析表达式。）电阻在整个长度方向均匀掺杂。每个悬臂梁的长度为L 、宽度为W 、厚度为t 。沿着每个臂的电阻长L 、宽w 、均匀掺杂厚度t p 。（提示：与连接两个臂的水平杆有关的机械形变和电阻可以忽略。）
解： 由题意可知：<100>方向压阻系数为：11π，有效应变系数为：11G E π=；
单个悬臂梁上表面应力为：
32()3()24412M x t Fxt Fxt Fx
x Wt I I Wt σ=
===
，
当
p t t
<<时，电阻纵向方向的应变为：
()
()x s x E σ=
，
对于单个指向臂悬臂梁来说，电阻的相对变化解析解为：
211111122000
33()
()2L L L
F FL R x
G s x dx E dx xdx R E Wt Wt ππσπ?====??? ，
对于两个指向臂悬臂梁来说，由于力和惯性矩同时加倍，所以总电阻的相对变化
解析解仍为：2
11232FL Wt π，当p t
与t 相差不大时，由于压应力和张应力区引起的电
阻变化将相互抵消，所以该设计方案是有问题的。
9.习题8.6 设计
有一根长1mm 、宽度和厚度均为2um 的双端固定多晶硅线。当施加的横向磁场为0.1T 时，求多晶硅线的最大位移。导线上的直流电流为1mA 。
解：由题意可知，导线上流过电流受到的洛伦兹力为BIL F =
则计算出F 如下：
337(sin )sin 1101100.11110F n qvb BIl N θθ---===?????=?
而洛仑兹力F 垂直于多晶硅线，所以它的最大位移发生在中点，最大位移为
3
3
3
33max
1612
192192Ewt Fl wt E
Fl EI
Fl d ===，
其中多晶硅线的惯性矩为：错误！未指定书签。； 其杨氏模量E 为160GPa ， 带入题设数据得：
733
max
964110(110) 2.41616010(210)d m μ---???==????；
10.习题9.1 综述
回顾在第4、5、6、7章和第9章中所学习到的所有加速度传感器实例。将这些传感器按照以下各项指标排序：（1）灵敏度；（2）制造的简易度；（3）对温度的敏感性。对于每种设计，至少给出一项主要优点和一项主要缺点。
首先，按章节和例子顺序将用于加速度传感器的器件检索出来，并给它们编号。然后将它们分别按照上述三项指标排序。给出对于每项指标你选择出最优与最差器件的过程。
解：依次列出五章中所列的加速度传感器实例，按要求制表如下：（排名1为最
好与最难）
名称实例主要优点主要缺点灵敏
度排
名制造简易
度排名
温敏性
排名
第四章平行板电容
加速度计
与IC工艺兼
容，方法及材
料简单
工艺需要高温
9 9 6
扭转平行板
电容加速度
计
温度敏感性较
好，工艺环境
为室温
信号读出电路
相对复杂，有
电磁干扰
10 6 3
梳状驱动加
速度计
非集成IC电路
时，制作工艺
相对简单
大的电容需要
大器件尺寸 5 10 5
第五章基于热传递
原理的加速
度计
无电磁干扰温度灵敏度相
对较低，敏感
范围较窄
12 8 10
没有可动质
量块的加速
度计
与IC兼容性
好，也改进了
传感器的鲁棒
性
需要气密封
装，成本高
11 2 9
第六章单晶硅压阻
加速度计
工艺过程简
单，量程范围
广，灵敏度高
谐振频率通常
很低 6 11 7
体加工单晶
硅加速度计
采用DRIE技
术，低频下分
辨率好
对环境温度变
化敏感8 3 1
第七章悬臂梁式压
电加速度计
灵敏度高，响
应速度快
压电材料集成
要求工艺高
1 7 8 膜结构压电
加速度计
高谐振频率频
带宽，高灵敏
度
用简单的解析
公式难以对器
件规律建模
3 4 4
第九章隧道效应加
速度计
小尺寸器件情
况下灵敏度极
高
抗噪声差，封
装和电路复
杂，成本高
7 5 2
干涉测量法
加速度计
灵敏度高噪声较大
4 1 11
场效应晶体
管加速度计
引入的寄生效
应很小，与IC
工艺兼容
温度敏感性差
2 12 12
微机电系统复习资料 第一章绪论 一、MEMS：特征尺寸在1um~1mm范围内的机械叫做微型机械。 三个特征：微型化（主要体现在体积、重量、耗能、惯性），集成化（体现在将不同功能、敏感、执行元素集成在一起），可批量生产 （特征尺寸、孔腔、沟道、悬臂梁）。 二、代表性器件：数字胃镜（DMD），喷墨打印机的喷头（销量最高），微 静电电机，机械陀螺仪（用于导航）。 三、与微电子产业相比的特征：1、三维可动装置2、多功能（生物、化学、 电能……） 、涉及的材料多4、封装和自组装工艺5、生产工艺和制造技术（制造技 术主要有体微加工技术、表面微加工技术和LIGA，其中LIGA上课没讲） 第二章 一、微型化的标度：表面积/体积比，主要考虑其比值缩小带来的影响，主 要体现在表面力、摩擦力占的主导作用。 二、应力（单位是Pa,压强）、应变 弹性模量=应力/应变 梁发生最大弯曲处：扰度、粘附 数测量：1，几何特征（大小）：光学显微镜（光学），台阶仪（机械），扫描电子显微镜（SEM，电学） 2，表面形貌：探针技术（机械探针和光学探针）， SEM，原子力显微镜（AFM） 3，应力和应变的测量：1），硅片弯曲，传统的，测 整个硅片，精度低，不可以测弹性模量2），X射线 衍射法（XRD），拉曼光谱法，测量简单，设备昂 贵，精度低3）加载变形和谐振频率法，光路复
杂、精度高、可以测弹性模量 第三章工作原理和敏感材料 一、压阻敏感（应变系数，变阻器） 常见压阻材料（三类）：金属应变器（受温度影响小），单晶硅（涉及掺杂），多晶硅（应变系数小于单晶硅，衬底多） 二、压电效应： 定义：在机械压力作用下会产生电荷和电压 起因：晶体中离子电荷的位移变化引起的极化 代表性材料：石英，钛酸钡（BaTiO3），PET 机电耦合性系数： 三、热敏感：喷墨头，热电偶（测温，自供电，不需外接电源），串联形成 热电堆（用于测温），热电阻器（用作加热装置），两种加热材料：铂（金属材料），多晶硅（半导体材料） 四、静电敏感（代表器件：微静电电机） 静电敏感相比于与静电执行的优点： 1，结构简单，只需两个导电表面2，功耗低，依赖于电压差而非电流3.，响应快，转换速度由充放电时间决定。充放电时间—— 平板电容，叉指电容（IDT） 第四章 一、掺杂 两种工艺： 扩散：固溶度——掺杂物在材料中不改变其晶体结构的最大浓度 离子注入：加速离子穿入硅片，晶格碰撞，随机过程 二、等离子体（由电子、离子、带电粒子组成，对外呈中性） 特征：高密度 产生条件：真空 三种应用： 1）制备方面：辅助不同工艺，沉积材料 2）掺杂：辅助不同工艺对基底材料掺杂 3）刻蚀、微加工或移除基底材料 三、材料：1）衬底材料：硅——机械性能、高温稳定，用110面晶向， 较易加工 石英——透光性好，耐高温
M E M S传感器的现状及 发展前景 集团标准化小组：[VVOPPT-JOPP28-JPPTL98-LOPPNN]
毕 业 设 计 指 导 课 论 文 MEMS传感器的现状及发展前景 摘要：MEMS传感器是随着纳米技术的发展而兴起的新型传感器,具有很多新的特性,相对传统传感器其具有更大的优势。在追求微型化的当代,其具有良好的发展前景,必将受到各个国家越来越多的重视。文章首先介绍了MEMS传感器的分类和典型应用,然后着重对几个传感器进行了介绍,最后对MEMS传感器的发展趋势与发展前景进行了分析。 关键词：MEMS传感器;加度计;陀螺仪;纳米技术;微机构;微传感器StatusandDevelopmentProspectofMEMSSensors Abstract:MEMSsensorisanewtypeofsensorwiththedevelopmentofnanotechnology.Ithasma nynewfeatures,whichhasagreatadvantageovertraditionalsensors.Inthepursuitofminia turizationofthecontemporary,itsgoodprospectsfordevelopment,willbesubjecttomorea
ndmoreattentioninvariouscountries.Firstly,theclassificationandtypicalapplicatio nofMEMSsensorareintroduced.Then,severalsensorsareintroduced.Finally,thedevelopm enttrendanddevelopmentprospectofMEMSsensorareanalyzed. Keywords:MEMSsensor;accelerometer;gyroscope;nanotechnology;micro- mechanism;micro-sensor 目录 一、引言 MEMS传感器是采用微机械加工技术制造的新型传感器,是MEMS器件的一个重要分支。1962年,第一个硅微型压力传感器的问世开创了MEMS技术的先河,MEMS技术的进步和发展促 进了传感器性能的提升。作为MEMS最重要的组成部分,MEMS传感器发展最快,一直受到各发达国家的广泛重视。美、日、英、俄等世界大国将MEMS传感器技术作为战略性的研究领域之一,纷纷制定发展计划并投入巨资进行专项研究。 随着微电子技术、集成电路技术和加工工艺的发展,MEMS传感器凭借体积小、重量轻、功耗低、可靠性高、灵敏度高、易于集成以及耐恶劣工作环境等优势,极大地促进了传感器的微型化、智能化、多功能化和网络化发展。MEMS传感器正逐步占据传感器市场,并逐渐取代传统机械传感器的主导地位,已得到消费电子产品、汽车工业、航空航天、机械、化工及医药等各领域的青睐。
《微机电机械系统》 学习心得 众所周知，21世纪是一个信息经济时代。为适应时代的发展，作为一名当代大学生，所受的社会压力将比任何时候的大学生都要来得沉重，因此在校期间，我们必须尽可能的利用好学习时间，尽可能地学习更多的知识和能力，学会创新求变，以适应社会的需要。 毕竟，不管将来是要从事什么样的相关行业，都需要掌握较为全面的电子知识，因为小到计算机的组装维修，大到器件的设计与制造，知道的更多更全面，那么对于自己以后找工作以及参加工作帮助就越大。在知识经济时代，没有一个用人单位会傻到和知识作对。 基于这样对社会现状的认识，让我积极、认真地对于学习微机电机械系统有了较为良好的心理基础。而我在第一次接触电子就觉得很新鲜，觉得很奇妙，但随着需求的变化，自己对电子接触的不断深入，认识越来越深，特别是进到大学，专业要求学习电路分析，模拟电路，数字电路，微机电机械系统等等之类。 通过学习微机电机械系统，我了解到：微机电系统是一种先进的制造技术平台。它是以半导体制造技术为基础发展起来的。MEMS技术采用了半导体技术中的光刻、腐蚀、薄膜等一系列的现有技术和材料，因此从制造技术本身来讲，MEMS中基本的制造技术是成熟的。但MEMS更侧重于超精密机械加工，并要涉及微电子、材料、力学、化学、机械学诸多学科领域。它的学科面也扩大到微尺度下的力、电、光、磁、声、表面等物理学的各分支。 微机电系统是微电路和微机械按功能要求在芯片上的集成，尺寸通常在毫米或微米级，自八十年代中后期崛起以来发展极其迅速，被认为是继微电子之后又一个对国民经济和军事具有重大影响的技术领域，将成为21世纪新的国民经济增长点和提高军事能力的重要技术途径。 微机电系统的优点是：体积小、重量轻、功耗低、耐用性好、价格低廉等优点。、性能稳定等。微机电系统的出现和发展是科学创新思维的结果，使微观尺度制造技术的演进与革命。微机电系统是当前交叉学科的重要研究领域，涉及电子工程、材料工程、机械工程、信息工程等多项科学技术工程，将是未来国民经济和军事科研领域的新增长点。
研究生课程考试成绩单（试卷封面） 院系电子科学与工程学院专业微电子学与固体 电子学 学生姓名李艳学号121225 课程名称微电子机械系统 授课时间2014年3月至2014年4 月周学时 2 学分 2 简 要 评 语 考核论题[微电子机械系统] 作业 总评成绩 （含平时成绩） 备注 任课教师签名： 日期： 注：1. 以论文或大作业为考核方式的课程必须填此表，综合考试可不填。“简要评语”栏缺填无效。 2. 任课教师填写后与试卷一起送院系研究生秘书处。 3. 学位课总评成绩以百分制计分。
1. 习题1.9 A：查找至少来自两家公司的两种压力传感器的产品性能表。根据1.3.2节所列的传感器性能标准，总结这两种产品的性能。至少从转换原理、灵敏度、动态范围、噪声、销售价格及功耗等方面进行比较。 B：比较至少来自两家独立公司的两种压力传感器（或者其他传感器）。上网搜索这两家公司的两种主要专利，并对专利的保护内容和授权日期进行对比，写一份两页的总结。（提示：可以在下列免费网站搜索，如US Patent、Trademark Office Web、Google patent或者在线专利搜索网站）。 答：A：美国飞思卡尔公司的MPX5010压力传感器与德国JUMO公司的MIDAS C18 SW –OEM压力传感器比较如下： MPX5010 MIDAS C18 SW –OEM 型号 性能 转换原理压电材料三氧化二铝陶瓷薄膜 灵敏度450mV/kPa 动态范围75kPa压力差 1.6—100bar相对压力 最大误差 5.0% 1.6bar 销售价格约65元 功耗≤0.05W ≤0.6W 前者为集成传感器体积较小，功耗较低；后者为机械式的传感器，体积和功耗都较大。两者的应用领域也不同。 B：专利一：
MEMS是微机电系统（Micro-Electro-Mechanical Systems）的英文缩写。MEMS 是美国的叫法，在日本被称为微机械，在欧洲被称为微系统，它是指可批量制作的，集微型机构、微型传感器、微型执行器以及信号处理和控制电路、直至接口、通信和电源等于一体的微型器件或系统。MEMS是随着半导体集成电路微细加工技术和超精密机械加工技术的发展而发展起来的，目前MEMS加工技术还被广泛应用于微流控芯片与合成生物学等领域，从而进行生物化学等实验室技术流程的芯片集成化。 MEMS主要包括微型机构、微型传感器、微型执行器和相应的处理电路等几部分，它是在融合多种微细加工技术，并应用现代信息技术的最新成果的基础上发展起来的高科技前沿学科。 MEMS技术的发展开辟了一个全新的技术领域和产业，采用MEMS技术制作的微传感器、微执行器、微型构件、微机械光学器件、真空微电子器件、电力电子器件等在航空、航天、汽车、生物医学、环境监控、军事以及几乎人们所接触到的所有领域中都有着十分广阔的应用前景。MEMS技术正发展成为一个巨大的产业，就象近20年来微电子产业和计算机产业给人类带来的巨大变化一样，MEMS也正在孕育一场深刻的技术变革并对人类社会产生新一轮的影响。目前MEMS市场的主导产品为压力传感器、加速度计、微陀螺仪、墨水喷咀和硬盘驱动头等。大多数工业观察家预测，未来5年MEMS器件的销售额将呈迅速增长之势，年平均增加率约为18%，因此对对机械电子工程、精密机械及仪器、半导体物理等学科的发展提供了极好的机遇和严峻的挑战。 MEMS是一种全新的必须同时考虑多种物理场混合作用的研发领域，相对于传统的机械，它们的尺寸更小，最大的不超过一个厘米，甚至仅仅为几个微米，其厚度就更加微小。采用以硅为主的材料，电气性能优良，硅材料的强度、硬度和杨氏模量与铁相当，密度与铝类似，热传导率接近钼和钨。采用与集成电路（IC）类似的生成技术，可大量利用IC生产中的成熟技术、工艺，进行大批量、低成本生产，使性价比相对于传统“机械”制造技术大幅度提高。 完整的MEMS是由微传感器、微执行器、信号处理和控制电路、通讯接口和电源等部件组成的一体化的微型器件系统。其目标是把信息的获取、处理和执行集成在一起，组成具有多功能的微型系统，集成于大尺寸系统中，从而大幅度地提高系统的自动化、智能化和可靠性水平。沿着系统及产品小型化、智能化、集成化的发展方向，可以预见：MEMS会给人类社会带来另一次技术革命，它将对21世纪的科学技术、生产方式和人类生产质量产生深远影响，是关系到国家科技发展、国防安全和经济繁荣的一项关键技术。 制造商正在不断完善手持式装置，提供体积更小而功能更多的产品。但矛盾之处在于，随着技术的改进，价格往往也会出现飙升，所以这就导致一个问题：制造商不得不面对相互矛盾的要求——在让产品功能超群的同时降低其成本。 解决这一难题的方法之一是采用微机电系统，更流行的说法是MEMS，它使得制造商能将一件产品的所有功能集成到单个芯片上。MEMS对消费电子产品的终极影响不仅包括成本的降低、而且也包括在不牺牲性能的情况下实现尺寸
1.1 MEMS概况 1.1.1 MEMS的定义 MEMS是微机电系统（Micro-Electro-Mechanical Systems）的英文缩写。MEMS是美国的叫法，在日本被称为微机械，在欧洲被称为微系统，它是指可批量制作的，集微型机构、微型传感器、微型执行器以及信号处理和控制电路、直至接口、通信和电源等于一体的微型器件或系统。MEMS是随着半导体集成电路微细加工技术和超精密机械加工技术的发展而发展起来的，目前MEMS加工技术还被广泛应用于微流控芯片与合成生物学等领域，从而进行生物化学等实验室技术流程的芯片集成化。MEMS主要包括微型机构、微型传感器、微型执行器和相应的处理电路等几部分，它是在融合多种微细加工技术，并应用现代信息技术的最新成果的基础上发展起来的高科技前沿学科。 MEMS技术的发展开辟了一个全新的技术领域和产业，采用MEMS技术制作的微传感器、微执行器、微型构件、微机械光学器件、真空微电子器件、电力电子器件等在航空、航天、汽车、生物医学、环境监控、军事以及几乎人们所接触到的所有领域中都有着十分广阔的应用前景。MEMS技术正发展成为一个巨大的产业，就象近20年来微电子产业和计算机产业给人类带来的巨大变化一样，MEMS也正在孕育一场深刻的技术变革并对人类社会产生新一轮的影响。目前MEMS市场的主导产品为压力传感器、加速度计、微陀螺仪、墨水喷咀和硬盘驱动头等。大多数工业观察家预测，未来5年MEMS器件的销售额将呈迅速增长之势，年平均增加率约为18%，因此对对机械电子工程、精密机械及仪器、半导体物理等学科的发展提供了极好的机遇和严峻的挑战。 微机电系统MEMS(Micro-Electro-Mechanical Systems)是一种全新的必须同时考虑多种物理场混合作用的研发领域，相对于传统的机械，它们的尺寸更小，最大的不超过一个厘米，甚至仅仅为几个微米，其厚度就更加微小。采用以硅为主的材料，电气性能优良，硅材料的强度、硬度和杨氏模量与铁相当，密度与铝类似，热传导率接近钼和钨。采用与集成电路（IC）类似的生成技术，可大量利用IC生产中的成熟技术、工艺，进行大批量、低成本生产，使性价比相对于传统“机械”制造技术大幅度提高。完整的MEMS是由微传感器、微执行器、信号处理和控制电路、通讯接口和电源等部件组成的一体化的微型器件系统。其目标是把信息的获取、处理和执行集成在一起，组成具有多功能的微型系统，集成于大尺寸系统中，从而大幅度地提高系统的自动化、智能化和可靠性水平。 1.1.2 MEMS的相关技术主要有以下几种： 1．微系统设计技术主要是微结构设计数据库、有限元和边界分析、CAD/CAM仿真和模拟技术、微系统建模等，还有微小型化的尺寸效应和微小
微机电系统及纳米技术 大作业 题目：微型光栅 目录 摘要 (2)
关键词 (3) 引言 (3) 衍射光栅 (4) 衍射光栅概念 (4) 传统衍射光栅的技术发展 (4) 硅光栅技术（） (5) 硅光栅的加工制作方法 (5) 硅光栅的体硅制作工艺 (6) 硅光栅的表面硅制作工艺 (6) 硅光栅的应用 (7) MEMS微型可编程光栅（） (8) 可编程光栅结构原理 (8) 微型可编程光栅的工艺 (9) 微型可编程光栅的发展现状 (10) 总结 (11) 参考文献 (12) 摘要 基于光栅技术的光谱分析在物理、化学、天文、生物、冶金学及其他分析领域起着重要的作用。随着科学技术的发展，对光栅技术提出了更高的要求，对新型光栅的研究也受到更加广泛的重视。
随着硅微加工技术的迅速发展，带动了微电子科学的进步，计算机及其它各种电子产品已成为人类不可缺少的工具。与微电子产品相兼容的集成化、微型化的产品为传统的仪器及设备打开了新的应用空间，因而出现了微机械、微光学等在技术上与硅微加工工艺相兼容的新学科。而光栅在微观上的周期性，硅作为晶体材料结构上的特殊性及其加工工艺的兼容性，使人们开始尝试在硅基材料上制作光栅的可能性。1975年W．Tang和S．Wang首次在论文中报道了利用硅加工技术制作光栅m，从此硅光栅被应用在许多不同的领域。 MEMS技术的出现与发展提供了能根据实际情况实时改变结构参数的光栅，即MEMS微型可编程光栅。这种光栅通过静电驱动的方式实现对光栅的结构单元，微变形梁的编程控制。MEMS微型可编程光栅不仅扩展了光栅在传统领域发挥巨大作用，同时促进其在光通讯等领域的广泛应用。因此，对MEMS微型可编程光栅的研究具有重要的研究意义。 本文对硅光栅和MEMS可编程光栅进行了简单的介绍，主要包括其工作原理及结构组成，加工方法，工艺流程及其中的关键工艺，最后简单说明了微型光栅的应用领域、实际应用情况及可能的应用前景。 关键词 微机电系统，硅光栅，微型可编程光栅 引言 光谱是各个波长光波的有序排列。而光谱分析学则是研究各种物质光谱的产生及其同物质之间的相互作用的学科。一直以来，基于衍射光栅的光谱分析技术在物理研究中一直占有重要地位。特别是近年来随着科学技术的发展，光栅光谱技术在天文、生物、化学、冶金学及其他分析领域起着越来越重要的作用：物理学研究方面，光栅光谱分析仪可用于验证量子力学的氢原子光谱采集实验；天文
1、M E M S的概念？列举三种以上M E M S产品及应用？ 微机电系统(MEMS：Micro Electro-Mechanical System)指微型化的器件或器件组合，把电子功能与机械的、光学的或其他的功能相结台的综合集成系统，采用微型结构(包括集成微电子、微传感器和微执行器；这里“微”是相对于宏观而言)，使之能在极小的空间内达到智能化的功效。 微机电系统主要特点在于：(1)能在极小的空间里实现多种功能；(2)可靠性好、重量小且能耗低； (3)可以实现低成本大批量生产。 主要应用领域、产品：压力传感器、惯性传感器、流体控制、数据存储、显示芯片、生物芯片、微型冷却器、硅材油墨喷嘴、通信等。 2、何谓尺度效应？在MEMS设计中，如何利用尺度效应？ 当构件缩小到—定尺寸范围时将会出现尺寸效应，即尺寸的减小将引起响应频率、加速度特性以及单位体积功率等—系列性能的变化。构件特征尺寸L与动力学特性关系如表所示。 不同性质的作用力与尺寸的依赖关系不同，从而在微观研究中所占比重有所不同。例如，电磁力与尺寸是L2，L3，L4的关系，幂次较高，从而相对影响铰小；而静电力与尺寸是L0，L-2的关系，幂次较低，影响程度较大。 3、湿法刻蚀和干法刻蚀的概念及其在MEMS中的应用？ 刻蚀就其形式来说可分为有掩膜刻蚀和无掩膜刻蚀，无掩膜刻蚀较少使用。有掩膜刻蚀又可分为湿法刻蚀和干法刻蚀。湿法刻蚀一般用化学方法，这种方法刻蚀效率高，成本低，但是其刻蚀精度不高，公害产重(用大量的化学试剂)。干法刻蚀种类很多，有溅射刻蚀、离于铣、反应离子刻蚀和等离子刻蚀等。干法刻蚀中包括了化学反应和物理效应，因此其刻蚀精度较高，且适用于各种材料，包括半导体、导体和绝缘材料。 刻蚀分为湿法到蚀和干法刻蚀。它是独立于光刻的重要的一类微细加工技术，但刻蚀技术经常需要曝光技术形成特定的抗蚀剂膜，而光刻之后一般也要靠刻蚀得到基体上的微细图形或结构，所以刻蚀技术经常与光刻技术配对出现。经常采用的化学异向刻蚀方法又称为湿法刻蚀，它具有独持的横向欠刻蚀特性，可以使材料刻蚀速度依赖于晶体取向的特点得以充分发挥。干法刻蚀是指利用一些高能束进行刻蚀。以往的硅微细加工多采用湿法刻蚀。 4、键合的概念，有几种形式？有何用途？ 一个微型机电系统集微传感器、驱动器及处理器于一体，是一个复杂的智能微系统。其制造工艺，有硅表面微加工工艺、硅的体微加工工艺、硅微电子工艺以及非硅材料的微加工工艺。因此，如果把一个微机电系统建筑于同一硅基片上，那它首先不能克服微系统需用硅及作硅材料多样性上的矛盾；其次它无法解决微传感器、微处理器以及微驱动器集成于同一基片结构复杂性的矛盾；最后，在同一基片上无法解决硅表面及体微加工、非硅材料微加工工艺相容性上的矛盾。 如果将整个微机电系统按结构、材料及微加工工艺的不同，分别在不同基片上执行微加工工艺，然后将两片或多片基片在超精密装配设备上对准，并通过键合手段，把它们连接成一完整的微系统，这是获得低成本、高合格率及质量可靠的微系统的唯一途径。因此，键合技术成为微机电系统制作过程中的重要微加工工艺之一，它是微系统组封装技术的重要组成部分。 键合技术主要可分为硅熔融键合（SFB）和静电键合两种。 按界面的材料性质，键合工艺总体上可分为两大范畴，即硅／硅基片的直接键合和硅／硅基片的间接键合，后者又可扩展到硅／非硅材料或非硅材料之间的键合。对于硅／硅间接键合，按键合界面沉积的材料不同，其键合机制也不同，如沉积的是玻璃膜，按不同的玻璃性质，可以进行阳极键合或低温熔融键合；如果沉积的是金膜(或锡膜)，则进行共晶键合；用环氧或聚酰亚胺进行直接粘合。此外，还可借助于其他手段，如超声、热压及激光等技术进行键合。
小组成员:郑晨晨刘心纪辉强 方璐刘超朱剑锋 2011.05.31 第二章 1.MEMS的设计涉及哪些学科？简述MEMS的设计方法及特点。 答：MEMS的设计涉及到系统设计、微传感器设计、微执行器设计、接口设计和能量供给的设计。 3种设计方法：（1）从系统功能设计开始，展开到系统设计。在进行系统设计时，将元件及功能模块作为一个黑盒子，只对其影响特性进行分析。（2）从系统设计展开到子系统、元器件设计。对于系统优化设计应该由系统设计转向子系统、元器件设计。首先确定系统应该完成的功能、技术条件；其次是确定功能模块的功能要求、技术条件；最后确定元器件的技术条件。（3）中间相遇法(Meet-in-the-Middle)。它利用宏观模块，对于元件简化模型进行分析，只要模型能描述不同物理状态中的特性，就能够在系统中进行合理的仿真。 2.工程系统设计通常有几种方法？其主要思路是什么？试举例说明。 答：通常有五种方法：J．Kawasaki法简称KJ法。KJ法是由底向上处理大量数据之间关系的一种假设，对于复杂问题进行分析，使用这种方法，可以使问题得到满意的解决。它还可以应用来处理其他类
型的问题，这种问题可以是个别的群体，单一的或者连续的；M.Nakayama法简称NM法。NM法是在自然是日常生活中寻找比拟法创造和开发新技术观点，应用到不同的问题模式中。NM法是根据人脑功能的一种假设，在Nakayama的“人脑计算机模型（HBC）”中描述。这种方法试图解释当问题如理性思考，存在僵局，情感思考，演绎和引导等解决的时候，人类思想行为的模式；Key-Needs法，中文称为关键需要法，它是一种创造与使用者需要一致的新产品概念的工具。这种方法用列出日常生活的需要，以及不被满足原因的描述，用于产品观点的发明。关键需要法是实用主义，具有需要分析和概念评估技术的扩展。为了消费者取得好感，而且不受限制，关键需要法几乎不是根据人类需要的任何理论或者寻找任何概念，而是从实际经验中得到；Kepener-Tregoe法分析问题、解决分析、位能问题分析和位置评价的4种技术结合。它的目的在于应用标准模式一步一步处理的方法，进行工业合理化管理。朱钟淦-捤谷城方法，是针对机械电子产品系统设计时应用，包括四个步骤：产品功能分析；为实施各模块的功能，选择可实施的方案；多种方案的综合评价，优化设计；产品芯片设计。 5,在MEMS产品中如何应用尺度效应进行设计?其根据是什么?对于一阶尺度,如表面-体积尺度变化规律是什么? 通常,尺度的变化规律遵循着两个方面.第一种规律是严格依据物体的尺寸,如几何结构的尺度,物体行为可以有物理规律所决定,这种尺度
习题3-16 一根细长的硅梁受到纵向张应力的作用。力的大小为1mN ，横截面积为20um*1um 。纵向的杨氏模量为120GPa 。求出梁的相对伸长量（百分比）。如果硅的断裂应变为0.3%，那么要加多大力梁才会断裂？ 答：伸长量 l EA Fl l 00042.010 *1*10*20*10*12010*16693 ===?--- 相对伸长量 %042.0%100*=?=l l δ 极限力 mN EA F 2.710*1*10*20*10*120*%3.0669max ===--δ 习题3-19 求出下面所示悬臂梁的惯性矩。材料是单晶硅。悬臂梁纵向的杨氏模量为140GPa 。 答：惯性矩 4193 66310*07.112 )10*40(*10*2012m wt I ---== 习题11-4
下面是北京大学微系统所给出的MEMS标准工艺，以一个MEMS中最主要的结构——梁为例介绍MEMS表面加工工艺的具体流程。 1.硅片准备 2.热氧生长二氧化硅(SiO2)作为绝缘层 3.LPCVD淀积氮化硅(Si3N4)作为绝缘及抗蚀层 4.LPCVD淀积多晶硅1(POLY1)作为底电极 5.多晶硅掺杂及退火 6.光刻及腐蚀POLY1，图形转移得到POLY1图形 7.LPCVD磷硅玻璃(PSG)作为牺牲层 8.光刻及腐蚀PSG，图形转移得到BUMP图形 9.光刻及腐蚀PSG形成锚区 10.LPCVD淀积多晶硅2(POLY2)作为结构层 11.多晶硅掺杂及退火 12.光刻及腐蚀POLY2，图形转移得到POLY2结构层图形 13.溅射铝金属(Al)层 14.光刻及腐蚀铝层，图形转移得到金属层图形 15.释放得到活动的结构
论述危机电系统（MEMS）原理应用以及发展趋势 090920413 贾猛机制四班首先，我们了解什么叫MEMS。 MEMS是微机电系统（Micro-Electro-Mechanical Systems）的英文缩写。MEMS是美国的叫法，在日本被称为微机械，在欧洲被称为微系统，它是指可批量制作的，集微型机构、微型传感器、微型执行器以及信号处理和控制电路、直至接口、通信和电源等于一体的微型器件或系统。MEMS是随着半导体集成电路微细加工技术和超精密机械加工技术的发展而发展起来的，目前MEMS加工技术还被广泛应用于微流控芯片与合成生物学等领域，从而进行生物化学等实验室技术流程的芯片集成化。 MEMS发展的目标在于，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。21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。 微机电系统基本上是指尺寸在几厘米以下乃至更小的小型装置，是一个独立的智能系统，主要由传感顺、作动器(执行器)和微能源三大部分组成。微机电系统涉及物理学、化学、光学、医学、电子工程、材料工程、机械工程、信息工程及生物工程等多种学科和工程技术。微机电系统的制造工艺主要有集成电路工艺、微米/纳米制造工艺、小机械工艺和其他特种加工工种。微机电系统在国民经济和军事系统方面将有着广泛的应用前景。主要民用领域是医学、电子和航空航天系统。美国已研制成功用于汽车防撞和节油的微机电系统加速度表和传感器，可提高汽车的安全性，节油10%。仅此一项美国国防部系统每年就可节约几十亿美元的汽油费。微机电系统在航空航天系统的应用可大大节省费用，提高系统的灵活性，并将导致航空航天系统的变革。例如，一种微型惯性测量装置的样机，尺度为2厘米×2厘米×0.5厘米，重5克。在军事应用方面，美国国防部高级研究计划局正在进行把微机电系统应用于个人导航用的小型惯性测量装置、大容量数据存储器件、小型分析仪器、医用传感器、光纤网络开关、环境与安全监测用的分布式无人值守传感等方面的研究。该局已演示以微机电系统为基础制造的加速度表，它能承受火炮发射时产生的近10.5个重力加速度的冲击力，可以为非制导弹药提供一种经济的制导系统。设想中的微机电系统的军事应用还有：化学战剂报警器、敌我识别装置、灵巧蒙皮、分布式战场传感器网络等。 MEMS的特点是： 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MEMS。 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。 MEMS发展现状及市场规模：MEMS技术发展日新月异，各种新产品不断涌现。随着新微机电系统和微系统产品的诞生和不断发展，这些产品的市场扩展非常迅速，MEMS产品在商业市场的每个方面都将占据主导地位。根据市场研究机构The Information Network预估，2008年全球MEMS应用市场将成长11%，市场规模可达78亿美元，其中MEMS在消费电子应用比例可近五成，规模将为35亿美元，预估到2012年全球MEMS应用市场规模将达154亿美元，其中MEMS消费电子应用规模可成长至71亿美元。iSuppli的报告则指出，手机将会是MEMS 下一阶段最具潜力的应用市场，成长预期可超过PC周边和汽车感测领域；到2012年MEMS在手机领域的应用规模将达8.669亿美元，约为2007年3.048亿美元的3倍，出货量达2.009亿颗,是2007年的4倍。市调机构Yole Development的报告更为乐观，其预计2012年MEMS零组件在手机应用市场规模可望达到25亿美元。
《微机电系统》课程教学大纲 课程代码：010132024 课程英文名称：Micro-Electro-Mechanical Systems（MEMS） 课程总学时：16 讲课：16 实验：0 上机：0 适用专业：机械设计制造及其自动化 大纲编写（修订）时间：2010.7 一、大纲使用说明 （一）课程的地位及教学目标 微机电系统是制造工程领域的最重要发展方向之一，也是高新技术发展的前沿技术。是20世纪末、21世纪初兴起的工程科学前沿，是当前一个十分活跃的研究领域。它被广泛应用于机械制造工程领域、信息工程领域、医学工程领域、武器装备领域和日常生活中高新技术产品制造领域等，因此，对从事制造工程领域的工程技术人员来说，学习和掌握该知识有着重要的意义。 本课程的教学目标是，通过该课程的教学使学生了解制造工程领域技术的新发展，掌握一定的制造工程领域的最新知识，培养学生的微小机械的设计和制造能力，提高学生的创新思维意识。通过该课程的教学使学生掌握或了解微机电系统的相关基础知识，为后续工作中的技术水平的提高和发展奠定一定的基础。同时，将微机电系统领域的新理论、新方法、新技术等传授给学生。并使学生理解并掌握微机电系统领域理论体系及相关产品在实际中的应用情况。 （二）知识、能力及技能方面的基本要求 1．掌握微机电系统的概念、技术范畴；了解微机电系统在国民经济中的地位和作用。 2. 掌握微机电系统的设计方法与理念。 3. 掌握典型微机电系统的制造技术方法的原理及关键问题，针对具体加工对象选择相应的方法。 4. 能适当选择微机电系统的测量技术方法，了解相应的原理。 5. 了解微机电系统的发展动态，以及在高新技术领域与国防领域的应用。 （三）实施说明 1. 结合MEMS技术的发展和生产实际，更新教学内容，特别要注重微机电技术发展中新技术的应用。 2. 开展实际工程案例教学，充分利用多媒体等现代化教学手段。 3. 课堂教学要与教师科研实际相结合，培养学生的创新能力和解决工程实际问题的能力。 （四）对先修课的要求 先修课程为：机械制造技术基础理论、机械原理与设计理论、测试技术基础、机械控制工程基础等。 （五）对习题课、实践环节的要求 课外作业：以每个章节内容为单元，实行具有设计性的大作业制。 （六）课程考核方式 1.考核方式：期末考核采用大作业、期末报告或论文形式考核。 2.考核目标：采用课堂的教学模式，加强学生实践能力和自学能力的培养，通过阶段性考核使学生掌握各个环节与阶段的知识，通过最终结业考核使学生系统地掌握或理解课程系统化知识体系。 3.成绩构成：出勤+平时大作业+期末考核，综合评定。
MEM传感器的现状及应用0引言 MEMS （微电子机械系统）传感器是利用集成电路技术工艺和微机械加工方法将基于各种物理效应的机电敏感元器件和处理电路集成在一个芯片上的传感器。20世纪60年代霍尼韦尔研究中心和贝尔实验室研制出首个硅隔膜压力传感器和应变计开创了MEMS技术的先河。此后,MEMS技术的快速发展使得MEMS 传感器受到各发达国家的广泛关注，与此同时，美国、俄国、日本等世界大国将MEMS传感器技术作为战略性的研究领域之一，纷纷制定相关的计划并投入巨资进行专项研究。 MEMS传感器具有体积小、质量轻、功耗低、灵敏度咼、可靠性咼、易于集成以及耐恶劣工作环境等优势，从而促进了传感器向微型化、智能化、多功能化和网络化的方向发展。步入21世纪以后，MEMS传感器正逐步占据传感器市场，并逐步取代传统机械传感器的主导地位，在消费电子产品、汽车工业、航空航天、机械、化工及医药等各领域备受青睐。 1 MEMS专感器的分类及原理 MEMS传感器种类繁多，按照测量性质可以分为物理MEMS传感器、化学MEMS传感器、生物MEMS传感器。按照被测的量又可分为加速度、角速度、压力、位移、流量、电量、磁场、红外、温度、气体成分、湿度、pH值、离子浓度、生物浓度及触觉等类型的传感器。目前，MEMS压力传感器、MEMS加 速度计、MEMS陀螺仪等已在太空卫星、运载火箭，航空航天设备、飞机、各种车辆、生物医学及消费电子产品等领域中得到了广泛的应用。 MEMS传感器主要由微型机光电敏感器和微型信号处理器组成。前者功能与传统传感器相同，主要区别在于用MEMS工艺实现传统传感器的机光电元器
件的同时对敏感元件输出的数据进行各种处理，以补偿和校正敏感元件特性不理想和影响量引入的失真，进而恢复真实的被测量。 待测量 / : 基片/ :——------- -------------- 图1.1 MEMS传感器原理图 MEMS传感器主要用于控制系统。利用MEMS技术工艺将MEMS传感器、MEMS执行器和MEMS控制处理器都集中在一个芯片上，则所构成的系统称为MEMS芯片控制系统。微控制处理器的主要功能包括A/D和D/A转换，数据处理和执行控制算法；微执行器将电信号转换成非电量，使被控对象产生平动、转动、 声、光、热等动作。 2 MEMS专感器的典型应用 2.1 MEMS压力传感器 MEMS压力传感器一般采用压阻力敏原理，即被测压力作用于敏感元件引起电阻变化，利用恒流源或惠斯顿电桥将电阻变化转化成电压，是目前应用最为 广泛的传感器之一，其性能由测量范围、测量精度、非线性和工作温度决定。这种传感器以单晶硅作材料，并采用MEMS技术在材料中间制成力敏膜片，然后在膜片上扩散杂质形成四只应变电阻，再以惠斯顿电桥的方式将应变电阻连接成电路，来获得高灵敏度。从信号检测方式来划分，MEMS压力传感器可分为压 阻式、电容式和谐振式等； 2.1.1 MEMS压力传感器在汽车上的应用 MEMS传感器是在汽车上应用最多的微机电传感器。汽车上MEMS压力传感器可用于测量气囊贮气压力、燃油压力、发动机机油压力、进气管道压力、空气过
《机电一体化系统设计》复习大纲 第一章概论 本章知识要点： 1. 机电一体化系统的基本概念：系统、机电一体化、机电一体化系统和系统的数学模型 2. 典型机电一体化系统的几种形式：机械关节伺服系统、数控机床、工业机器人、自动引导车、顺序控制系统、柔性制造系统、计算机集成制造系统、微机电系统 3. 典型机电一体化系统功能模块的构成：机械受控模块、测量模块、驱动模块、通信模块、微计算机模块、软件模块、接口模块 4. 典型机电一体化系统组成模块的作用 5. 机电一体化系统设计依据与评价标准 6. 机电一体化系统的设计过程 第二章机械受控模块（重点章节） 本章知识要点： 1. 齿轮的分类及选用 2. 齿轮系传动比最佳分配条件及最小等效转动惯量原则 3. 齿轮副间隙的消除方法 4. 滚珠丝杠螺母副的结构类型 5. 滚珠丝杠螺母副间隙的消除及预紧方法 6. 滚珠丝杠螺母副的支撑形式 7. 谐波齿轮减速器的工作原理及结构 8. 谐波齿轮的传动特点 9. 谐波齿轮传动速比的计算 10. 轴系的组成和分类，轴系的技术要求 11. 导轨的用途及分类 12. 滚动导轨的结构、工作原理 13. 数学模型的物理意义 第三章测量模块（重点章节） 本章知识要点： 1. 机械量传感器的分类 2. 传感器的性能指标（工作特性、静态特性和动态特性） 3. 传感器的性能要求和改善措施 4. 位移传感器（旋转变压器、感应同步器、增量式光电编码器、光栅）的结构和工作原理 5. 速度传感器（直流测速发电机、码盘式转速传感器）的结构和工作原理 6. 加速度传感器的分类及特点 7. 力、转矩和压力传感器的结构和特点 8. 霍尔式电流传感器工作原理和特性
MEMS作业 1.叙述湿法腐蚀技术的主要工艺流程。 湿法刻蚀：利用合适的化学试剂先将未被光刻胶覆盖的晶体部分氧化分解，然后通过化学反应使一种或多种氧化物或络合物溶解来达到去除目的，包括化学腐蚀和电化学腐蚀。 2.叙述干法腐蚀技术的主要工艺流程。 干法刻蚀：利用辉光的方法产生带电离子以及具有高度化学活性的中性原子与自由基，用这些粒子和晶片进行反应达到光刻图形转移到晶片上的技术。 包括离子溅射刻蚀，等离子反应刻蚀等。 3.叙述体硅和表面硅加工技术的机理与特点，各适用于什么场合？ 体硅加工工艺是指对硅衬底片进行加工，获得由衬底材料构成的有用部件的技术。体硅加工方法：湿法刻蚀、干法刻蚀、干湿混合刻蚀、LIGA技术及DEM技术。湿法刻蚀：将被腐蚀材料先氧化，然后由化学反应使其生成一种或多种氧化物再溶解。干法刻蚀：物理作用为主的离子溅射和化学反应为主的反应离子腐蚀兼有的反应溅射。过程：（1）腐蚀性气体粒子的产生；（2）粒子向衬底的传输；（3）衬底表面的腐蚀；（4）腐蚀反应物的排除。干湿混合刻蚀：制造波导等新的微结构装置。 LIGA技术：X光深度同步辐射光刻——电铸制模——注塑 DEM技术：由深层刻蚀工艺、微电铸工艺、微复制工艺三部分组成。可对金属、塑料、陶瓷等非硅材料进行高深宽比三维加工。体硅加工工艺：定义键合区——扩散掺杂——形成金属电极——硅/玻璃阳极键合——硅片减薄——ICP刻蚀面硅加工方法：薄膜制备的外延生长热氧化、化学沉积、物理沉积、光刻、溅射、电镀等。 该技术能够用二氧化硅、多晶硅、氮化硅、磷硅玻璃等加工三维较小尺寸的微器件。面硅加工工艺：下层电极——牺牲层——刻蚀支撑点——沉积多晶硅——刻蚀多晶硅——释放结构表面硅加工技术的关键是硅片表面结构层和牺牲层的制备和腐蚀，以硅薄膜作为机械结构。这种工艺可以利用与集成电路工艺兼容或相似的平面加工手段，但它的纵向加工尺寸往往受到限制（2-5um）。体硅未加工工艺是用湿法或干法腐蚀对硅片进行纵向加工的三维加工技术，但他与集成电路平面工艺兼容性不太好。 4.何为加法工艺？何为减法工艺？如何实现？ 加法工艺：薄膜生成技术 在微机电器件的制作中，常采用蒸镀和淀积等方法，在硅衬底的表面上制作 各种薄膜，并和硅衬底构成一个复合的整体。这些薄膜有多晶硅膜、氮化硅膜、二氧化硅膜、合金膜及金刚石膜等。
微纳机电系统 一．引言 微/纳米科学与技术是当今集机械工程、仪器科学与技术、光学工程、生物医学工程与微电子工程所产生的新兴、边缘、交叉前沿学科技术。微/纳米系统技术是以微机电系统为研究核心，以纳米机电系统为深入发展方向，并涉及相关微型化技术的国家战略高新技术。微机电系统(Micro Electro Mechanical System, MEMS ) 和纳机电系统(Nano Electro Mechanical System, NEMS )是微米/纳米技术的重要组成部分，逐渐形成一个新的技术领域。MEMS已经在产业化道路上发展，NEMS还处于基础研究阶段。 从微小化和集成化的角度，MEMS (或称微系统)指可批量制作的、集微型机构、微型传感器、微型执行器以及信号处理和控制电路，直至接口、通讯和电源等于一体的微型器件或系统。而NEMS(或称纳系统) 是90年代末提出来的一个新概念，是继MEMS 后在系统特征尺寸和效应上具有纳米技术特点的一类超小型机电一体的系统，一般指特征尺寸在亚纳米到数百纳米，以纳米级结构所产生的新效应(量子效应、接口效应和纳米尺度效应) 为工作特征的器件和系统。 二．微纳系统的意义、应用前景 由于微/纳机电系统是一门新兴的交叉和边缘学科，学科还处于技术发展阶段，在国内外尚未形成绝对的学科和技术优势；微/纳米技术还是一项支撑技术，它对应用背景有较强的依赖性，目前它的主要应用领域在惯导器件、军事侦察、通信和生物医学领域，以及微型飞机和纳米卫星等产品上。 2.1.重要的理论意义和深远的社会影响 微/纳米系统技术是与其它广泛学科具有互动作用的重要的综合技术，涉及学科领域广泛。微/纳米系统技术是认识和改造微观世界的高新技术，微/纳米系统是结构集成化、功能智能化的产物。微/纳米系统表现出的智能化程度高、实现的功能趋于多样化。例如，微机电系统不仅涉及到微电子学、微机械学、微光学、微动力学、微流体学、微热力学、材料学、物理学、化学和生物学等广泛学科领域，而且会涉及从材料、设计、制造、控制、能源直到测试、集成、封装等一系列的技术环节。 微/纳米系统技术的发展以之为基础，反过来也将带动相关学科和技术的发展。世界上著名的大学，如美国麻省工学院、加州大学伯克利分校、卡麦基隆大学，以及圣地亚国家实验室等无不把发展微/纳米技术作为重要的研究方面。我国一些著名大学尽管研究方向侧重不一，但也无一例外地重点发展微/纳米技术，实现学科群跨越式发展。 2.2.巨大的经济效益 微机电系统在美、欧、日等发达国家已经形成了一个新兴产业，仅美国微机电系统2005年的商业产值预计可达650亿美元。以控制汽车安全气囊展开的微加速度计为例，估计未来几年内，由分立组件构成的传统加速度计将全部被微加速度计所代替。传统加速度计的单件成本超过50美元，而基于MEMS技术的同类微加速度计的单件成本仅为5到10美元。相比之下，微加速度计更小、更轻、更可靠，功能更趋于完善。 2.3.国防建设的要求 现代军事装备正朝着微型化、集成化、高精度方向发展，微机电系统充分适应了这一趋势，特别是在活动空间狭小，操作精度要求高，功能高度集成的航空航天等领域有广阔的应用潜力。微型飞机( UAV)在未来战争中日益显示出特殊地位，成为最具发展潜力的现代作战武器之一；利用微机械数组进行机翼流体状态检测，并通过微致动来实现宏观飞行控制有望改变传统飞机的模式，并改善其机动性能；微型喷射技术可以有效地实现导弹、卫星等航空