基于显微视觉的M EMS 微装配系统研究
陈立国1,2,孙立宁2,边信黔1,荣伟彬2
(1.哈尔滨工程大学,黑龙江哈尔滨150001;2.哈尔滨工业大学,黑龙江哈尔滨150001)
Research of M EMS Assembly System Based on Micro
vision
CHEN Li guo 1,2,SUN Li ning 2,BIAN Xin
qian 1,R ONG Wei bin 2
(1.Harbin Engineering Institute ,Harbin 150001,China ;2.Harbin Institute of Technology ,Harbin 150001,China )
摘要:提出一种基于显微视觉伺服控制的M EMS 器件微装配系统设计方案,描述了系统样机及关键技术模块的研制方案.以微型光谱分析仪极板粘接为示范应用开展了实验研究,表明该系统适用于典型M EMS 芯片的微对准和封装研究.
关键词:微装配;微机电系统;显微视觉中图分类号:TP242.2
文献标识码:A
文章编号:10012257(2005)05003102收稿日期:20050228基金项目:国家“八六三"MEMS 重大专项(2002AA404450);国防基
础科研项目(k1401060130)
Abstract :A new micro
vision based micro
assembly system was designed.The system and key modules were described in detail.The system was used to complete t he micro
alignment and felt
of micro spectral analysis chip s.Experiment s show t hat t he system is usef ul in micro assembly of
typical M EMS chip s.
K ey w ords :micro assembly ;M EMS ;micro
vision
0 引言
M EMS 具有微型化、多样化和微电子化的特
点,具有传统机电系统无法比拟的优点,被视为对未来科技发展具有重要影响的高技术.从目前M EMS 技术发展来看,微组装技术已成为M EMS 一个重要研究领域,直接影响整个系统可靠性、功能和成本,进而影响M EMS 技术产业化.因此,M EMS 精密装配机器人已成为M EMS 研究开发与普及应用的重要基础装备,具有重要研究开发价值.
目前,研制成功的微装配系统大致可分为2
类[1-3],一种是基于SEM 的装配系统,另一种是基于光学显微镜的装配系统.基于SEM 的微装配系统具有放大倍数高、焦深大和分辨率高等特点,是一种理想的装配方法,但操作复杂且设备昂贵.而基于传统光学显微镜的微装配系统具有操作简单,成本低廉等优点.微装配系统和实验的研究仍处于刚刚起步阶段,尤其在国内,微装配技术的发展仅处于关键技术的研究阶段.国内外在微装配方面的研究表明,采用显微视觉实现微器件装配过程的控制,是微装配技术的发展趋势.
1 M EMS 微装配系统的设计
芯片类器件是M EMS 系统中最为常见的器件之一,在组成M
EMS 系统的过程中,一个重要的工作就是要将芯片与其它器件或芯片之间对准,然后通过粘接或键合等工艺手段,使之成为一个简单的M EMS 器件.
M EMS 器件具有尺寸微小、重量轻和易划伤的
特点,因此在操作过程中保证准确定位的同时,还要保证对作业工具作用力的控制.针对芯片类器件微装配的要求,设计了如图1所示的基于显微视觉的M EMS 器件微装配系统.
图1 M EMS 芯片自动装配系统组成
整个操作过程在显微镜下进行,CCD 摄像头采
集显微图像通过图像采集卡送入计算机.首先通过图像处理判断显微镜焦面状态,控制显微镜的位置,
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实现自动调焦.然后,通过图像处理软件实现M EMS 器件的定位和识别.计算机控制微操作手带动作业工具完成M EMS 芯片拾取和放下,并实现工件在存储区和加工中心之间的搬运等操作.力传感器采集信号送入计算机,根据力信号的变化控制作业工具实现拾取、放下和加压等动作切换,同时根据不同动作阶段的需求,控制宏动工作台实现加工中心和工件存储区在显微镜的视野下切换.芯片的对准、粘接和键合等操作均在加工中心实现.
2 M EMS 微装配系统的研制
采用模块化设计思想,将各单元技术集成,建立
系统样机如图2所示
.
图2 M EMS 芯片微装配系统
2.1 运动控制平台
为了实现操作过程在显微镜下的实时监视,需要不断切换加工中心和工件存储区的位置,这就要求微装配机器人有较大的工作空间.而另一方面,操作对象微小,配合间隙很小,达到亚微米级,要求操作末端有很高的定位精度.为了解决大工作空间和高精度的矛盾,宏/微精密定位技术提供了很好的解决方法[4].宏动机构实现大范围的粗定位,微动实现高准确度、高灵敏度的精确定位.
根据芯片类M EMS 器件尺寸范围及对准精度要求,采用步进电机平台组合成6自由度宏微结合的运动平台.宏动平台具有X ,Y 平动和绕Z 转动3个自由度,工件存储区和加工中心固定在宏动工作台上.微操作手的设计采用更高精度的步进式运动平台机构组成X ,Y ,Z 平动3个自由度,带动作业工具实现显微镜下工件位置的精确调整.2.2 具有力感知的作业工具
M EMS 芯片类器件多为薄片型结构,采用传统的微夹持器搬运容易在搬运过程中丢失,夹持力控
制不好还容易造成芯片划伤.因此,设计了较为通用
的真空吸附式微作业工具,并将电阻应变式一维力传感器集成在作业工具前端,实现接触力的控制.组成框图如图3所示
.
图3 真空吸附式作业工具组成
2.3 显微视觉系统
显微视觉系统是M EMS 微装配系统的核心部分,负责装配过程的控制和监视.视觉系统在硬件上包括高精度的CCD 摄像机、生物显微镜及光源、图像采集卡和自动调焦机构等.为了实现装配作业,显微视觉系统必须具备如下功能.
a.自动调焦功能.显微镜景深短,在微操作工作进行之前,必须对每一个被检对象进行目标搜寻和自动聚焦的调整,以获取高质量的图像,为准确、安全的微操作做准备.采用双向差分绝对值之和作为调焦评估函数,可获得较好调焦效果[5].
b.图像拼接技术.显微镜视野范围很小,无法一次采集到大视野的图像,若芯片尺寸稍大,无法实现测量和对准.因此,把相邻的图像拼接起来构成全局图像成为实现显微数据测量的关键环节.对于2幅存在重叠的相邻图像,如果在其中一幅图像的重叠区中选取一小块区域做基准图,然后到另一幅图像中寻找匹配区域,就可以确定二者间的平移关系,也就可以通过坐标变换实现二者的拼接.
c.目标识别和定位.芯片封装前需要实现芯片上的焊点对准,因此必须实现芯片上特定标记的识别和定位.可采用基于灰度相关的模版匹配方法,实现芯片标记的识别和定位.
3 实验研究
以微型光谱分析仪的极板对准、粘接为目标进行了装配实验.芯片放置在工件存储区,涂好粘接剂的基板放在加工中心.微作业工具由微操作手带动实现位置切换.
实验中,采用视觉系统实现极板上对各焊点的识别和定位,根据实验过程中的力变化实现了操作各阶段的切换和控制.其中,一个芯片粘接操作过
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程中力变化曲线如图4所示,可以明显看出芯片操作的识别定位、拾取、搬运、加压粘接和释放等5个阶段的切换变化.
图4 装配过程中力变化曲线
4 结束语
将精密微定位技术、显微视觉技术、微作业工具
技术和微力传感器等技术集成,建立的微装配系统可以很好地解决复杂M EMS 器件自动装配问题.本文以芯片类M EMS 器件的封装、键合和粘接等作业为示范目标,讨论了微装配系统得组成并进行了样机研制.针对显微视觉、作业工具和宏微定位等关键技术进行了详细介绍.以微型光谱分析仪中的微粘接和高温压力传感器中的键合为目标进行了实验研究,证明了该系统的有效性.该系统的研制成功对实
现M EMS 系统中的器件封装、粘接和键合等关键工艺的批量化、自动化具有重要意义.参考文献:
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作者简介:陈立国 (1974-),男,辽宁葫芦岛人,哈尔滨工业
大学讲师,博士,哈尔滨工程大学博士后,主要从事微操作、微驱动等领域研究;孙立宁 (1964-),男,黑龙江鹤岗人,哈尔滨工业大学教授,博士研究生导师,研究方向为微机器技术、机器人机构与控制及机电一体化技术.
基于DSP 运动控制卡的船模数控系统开发
汤漾平,肖玉清,朱林森,冯清秀,桂群绯(华中科技大学,湖北武汉430074)
Developing of Ship Model CNC System Based on DSP Motion Control Board
TANG Yang
ping ,XIAO Yu qing ,ZHU Lin
sen ,FENG Q ing xiu,GUI Q un fei
(Huazhong University of Science and Technology ,Wuhan 430074,China )
摘要:针对船模数控系统开发的一些关键问题,如船模加工工艺的分析,NC 代码的识别等,给出控制软件、硬件和机床本体的设计方案.实践证明该系统对轴的控制具有很强的灵活性,模块化的设计使系统具有较好的开放性.
收稿日期:20050320
关键词:船模;工业计算机;DSP 运动控制卡;计算机数控系统;类
中图分类号:T G659
文献标识码:B
文章编号:10012257(2005)05003304Abstract :About t he comp uter numerical con 2t rol system of ship model ,it int roduces t he key res 2olution ,such as t he machining technics of ship model ,p resent s t he design t heory of t he hardware and software and some ot her key point s.The sys 2tem has t he character of flexibility for t he control of axises and opening t hrough modularization de 2sign.
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XXX有限公司 年产300万套微机电系统（MEMS）项目 可行性研究报告 编制单位：北京中投信德国际信息咨询有限公司编制时间：https://www.doczj.com/doc/5313427172.html, 高级工程师：高建
目录 第一章总论 (1) 1.1项目概要 (1) 1.1.1项目名称 (1) 1.1.2项目建设单位 (1) 1.1.3项目建设性质 (1) 1.1.4项目建设地点 (1) 1.1.5项目负责人 (1) 1.1.6项目投资规模 (1) 1.1.7项目建设规模 (2) 1.1.8项目资金来源 (2) 1.1.9项目建设期限 (3) 1.2项目承建单位介绍 (3) 1.3编制依据 (3) 1.4编制原则 (4) 1.5研究范围 (4) 1.6主要经济技术指标 (4) 1.7综合评价 (5) 第二章项目背景及必要性分析 (7) 2.1项目提出背景 (7) 2.2本次建设项目的提出 (8) 2.3项目建设必要性分析 (9) 2.3.1加快江西省工业结构调整的需要 (9) 2.3.2推进战略性新兴产业节能环保事业发展的需要 (9) 2.3.3顺应我国微机电系统（MEMS）行业快速发展的需要 (10) 2.3.4满足市场需求、促进企业长足发展的需要 (11) 2.3.5增加就业带动相关产业链发展的需要 (11) 2.3.6促进项目建设地经济发展进程的的需要 (12) 2.4项目可行性分析 (12) 2.4.1政策可行性 (12) 2.4.2市场可行性 (13) 2.4.3技术可行性 (13) 2.4.4管理可行性 (13)
第三章行业市场分析 (14) 3.1我国微电子产业发展状况分析 (14) 3.2我国微机电系统（MEMS）行业发展现状分析 (15) 3.3我国微机电系统（MEMS）产品特点分析 (16) 3.4微机电系统（MEMS）市场应用前景分析 (18) 3.5市场分析结论 (20) 第四章项目建设条件 (21) 4.1地理位置选择 (21) 4.2区域投资环境 (21) 4.2.1区域概况 (21) 4.2.2区域地形地貌条件 (22) 4.2.3区域气候水文条件 (22) 4.2.4区域交通条件 (23) 4.2.5区域经济发展条件 (23) 第五章总体建设方案 (25) 5.1土建方案 (25) 5.1.1方案指导原则 (25) 5.1.2土建方案的选择 (25) 5.2工程管线布置方案 (26) 5.2.1给排水 (26) 5.2.2供电 (26) 5.3主要建设内容 (27) 5.4道路设计 (27) 5.5总图运输方案 (27) 5.6土地利用情况 (28) 5.6.1项目用地规划选址 (28) 5.6.2用地规模及用地类型 (28) 第六章产品方案 (29) 6.1产品生产方案 (29) 6.2产品特点与优势 (29) 6.3产品标准 (30) 6.4产品生产规模确定 (30) 6.7技术工艺概述 (30) 第七章原料供应及设备选型 (32) 7.1主要原材料供应 (32) 7.2主要设备选型 (32)
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。
MEMS技术发展综述 施奕帆04209720 （东南大学信息科学与工程学院） 摘要：对于MEMS技术进行简要的介绍，了解其诞生与发展，所涉及的学科领域，目前的研究成果以及在生活、军事、医学等方面的应用。目前MEMS在我国的发展已取得一定成果，在21世纪可以有更大的突破，其未来在材料、工艺、微器件、微系统方面也具有巨大的发展空间。 关键词：MEMS、传感器、微制造技术 一、MEMS简介 微机电系统(micro electro mechanical system，MEMS)是在微电子技术基础上发展起来的多学科交叉的前沿研究领域，其起源可以追溯到20世纪50～60年代，最初贝尔实验室发现了硅和锗的压阻效应，从而导致了硅基MEMS传感器的诞生和发展。在随后的几十年里，MEMS得到了飞速发展，1987年美国加州大学伯克利分校研制出转子直径为60～120／μm的硅微型静电电机；1987～1988年，一系列关于微机械和微动力学的学术会议召开，所以20世纪80年代后期微机电系统一词就渐渐成为一个世界性的学术用语，MEMS技术的研究开发也成为一个热点，引起了世界各国科学界、产业界和政府部门的高度重视，经过几十年的发展，它已
成为世界瞩目的重大科技领域之一。 二、MEMS涉及领域及作用 MEMS技术涉及电子工程、机械工程、材料工程、物理学、化学以及生物医学等学科。MEMS开辟了一个新的技术领域，它的研究不仅涉及元件和系统的设计、材料、制造、测试、控制、集成、能源以及与外界的联接等许多方面，还涉及微电子学、微机构学、微动力学、微流体学、微热力学、微摩擦学、微光学、材料学、物理学、化学、生物学等基础理论 三、MEMS器件的分类及功能 目前，MEMS技术几乎可以应用于所有的行业领域，而它与不同的技术结合，往往会产生一种新型的MEMS器件。根据目前的研究情况，除了进行信号处理的集成电路部件以外，MEMS内部包含的单元主要有以下几大类： （1）微传感器： 主要包括机械类、磁学类、热学类、化学类、生物学类等。其主要功能是检测应变、加速度、速度、角速度（陀螺）、压力、流量、气体成分、湿度、pH值和离子浓度等数值，可应用于汽车、航天和石油勘探等行业。
1、微机电制造工艺有哪些，及其主要技术特征是哪些？ 目前，常用的制作微机电系统器件的技术主要有三种。 第一种是以日本为代表的利用传统机械加工手段，即利用大机器制造小机器，再利用小机器制造微机器的方法。 第二种是以美国为代表的利用化学腐蚀或集成电路工艺技术对硅材料进行加工，形成硅基微机电系统器件。 第三种是以德国为代表的LIGA(即光刻、电铸和塑铸)技术，它是利用X射线光刻技术，通过电铸成型和塑铸形成深层微结构的方法。 上述第二种方法与传统IC工艺兼容，可以实现微机械和微电子的系统集成，而且适合于批量生产，已经成为目前微机电系统的主流技术。LIGA技术可用来加工各种金属、塑料和陶瓷等材料，并可用来制做深宽比大的精细结构(加工深度可以达到几百微米)，因此也是一种比较重要的微机电系统加工技术。LIGA技术自八十年代中期由德国开发出来以后得到了迅速发展，人们已利用该技术开发和制造出了微齿轮、微马达、微加速度计、微射流计等。第一种加工方法可以用于加工一些在特殊场合应用的微机械装置，如微型机器人、微型手术台等。 2、在微机电系统制造过程中，常用的材料有哪几种，每一种材料的优缺点。陶瓷、金属、硅材料。常用的是硅。硅的优点？回答出主要特征。 答：压电材料、记忆合金、巨磁材料、 半导体材料：硅及其化合物等 电致伸缩材料：压电陶瓷、氧化锌、石英等 磁致伸缩材料：镍钛合金 压电材料的优点1、充当容性负载, 在静态操作时需要非常小的功率,简化电源需求。2、充当容性负载,需要非常小的功率在静态操作,简化电源需求。3、可达到大约1/1000的张力 记忆合金的优点1、产生很大的力2、比着其他材料有很大的变形3、没有污染和噪声 缺点 1 延迟效应2、根据专门的应用必须分类 硅是用来制造集成电路的主要原材料。由于在电子工业中已经有许多实用硅制造极小的结构的经验，硅也是微机电系统非常常用的原材料。硅的物质特性也有一定的优点。单晶体的硅遵守胡克定律，几乎没有弹性滞后的现象，因此几乎不耗能，其运动特性非常可靠。此外硅不易折断，因此非常可靠，其使用周期可以达到上兆次。一般微机电系统的生产方式是在基质上堆积物质层，然后使用平板印刷和蚀刻的方法来让它形成各种需要的结构。硬度非常强，相对较轻 3、在制造微机电系统时，其中最主要的环节是框架，主要由哪几种工艺，每一种工艺的条件制作薄膜有几种工艺，每一种工艺的优缺点。 硅表面微机械加工技术包括制膜工艺和薄膜腐蚀工艺。制膜工艺包括湿法制膜和干式制膜。湿法制膜包括电镀（LIGA工艺）、浇铸法和旋转涂层法、阳极氧化工艺。其中LIGA工艺是利用光制造工艺制作高宽比结构的方法，它利用同步辐射源发出的X射线照射到一种特殊的PMMA感光胶上获得高宽比的铸型，然后通过电镀或化学镀的方法得到所要的金属结构。干式制膜主要包括CVD（Chemical Vapor Deposition）和PVD（Physical Vapor Deposition）。薄膜腐蚀工艺主要是采用湿法腐蚀，所以要选择合适的腐蚀液。 3、在制造微机电系统时，其中最主要的环节是frame，主要由哪几种工艺，每一种工艺的条件制作薄膜有几种工艺，每一种工艺的优缺点。
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。
MEMS技术的研究 一、MEMS技术概述 MEMS技术是采用微制造技术，在一个公共硅片基础上整合了传感器、机械元件、致动器（actuator）与电子元件。MEMS通常会被看作是一种系统单晶片（SoC），它让智能型产品得以开发，并得以进入很多的次级市场，为包括汽车、保健、手机、生物技术、消费性产品等各领域提供解决方案。 1.1、微机电系统（MEMS）概念 虚微机电系统(Micro-Electronic Mechanical System-MEMS)，是在微电子技术基础上结合精密机械技术发展起来的一个新的科学技术领域，微机电系统是一个独立的智能系统。 一般来说，MEMS是指可以采用微电子批量加工工艺制造的，集微型机构、微型传感器、微型致动器（执行器）以及信号处理和控制电路，直至接口、通讯和电源等部件於一体的微型系统。其基本组成见图1.1所示。 图1.1 MEMS的组成 通常，MEMS主要包含微型传感器、执行器和相应的处理电路三部分。 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。 在微小尺寸范围内，机械依其特徵尺寸可以划分为1-10毫米的小型(Mini-)机械，1微米-1毫米的微型机械以及1纳米-1微米的机械。 所谓微型机械从广义上包含了微小型和纳米机械，但并非单纯微小化，而是指可批量制作的集微型机构，微型感测器，微型执行器以及接口信号处理和控制电路、通讯和电源等于一体的微电子机械系统。 1.2、微机电系统（MEMS）发展简史 微机电的概念最早可追溯到1959年R.Fe ym.在加州理工大学的演讲。 1982年,K.E .Pe terson发表了一篇题为“Silicon as a Mechanical Material”的综述文章，对硅微机械加工技术的发展起到了奠基的作用。 微机电研究的真正兴起则始于1987年，其标志是直径为10um的硅微马达（转子直径120微米，电容间隙2 微米）在加州大学伯克利分校的研制成功，其引起了世界的轰动。自此以后,微电子机械系统技术开始引起世界各国科学家的极大兴趣。专家预言，它的意义可与当年晶体管的发明相比。 为了进一步完善这一学科,使其更多更快地为人类服务，除探索新技术，新工艺以外，各国科学家们还在积极努力从事MEMS基础理论研究，包括对微流体力学，微机械磨擦和其他相关理论的研究，并建立一套方便，快捷的分析与设计系统。 相信在不久的将来，MEMS将广泛渗透到医疗、生物技术、空间技术等领域。 1.3、微机电系统（MEMS）的特点及前景 微机电系统（MEMS）具有以下六种特点： 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、硬度及杨氏模量与铁相当，密度类似铝，热传导率接近相和钨。 3.大量生产：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
激光微细加工技术及其在M EMS微制造中的应用La ser Micromachining and I ts Application in the Microfabrication of MEMS 潘开林①② 陈子辰② 傅建中① (①浙江大学生产工程研究所 ②桂林电子工业学院) 摘 要:文章综述了当前MEMS各类微制造技术,阐述了各种激光微细加工技术的原理、特点,主要包括准分子激光微细加工技术、激光LIGA技术、激光微细立体光刻技术等,以及它们在MEMS微制造中的应用。 关键词:激光微细加工 微机电系统 激光LIGA 微细立体光刻 微制造 1 MEMS及其微制造技术概述 微机电系统(ME MS)是微电子技术的延伸与拓宽,它不但具有信号处理能力,而且具有对外部世界的感知功能和执行功能,在此基础上可开发出高度智能、高功能密度的新型系统。ME MS器件与系统未来将成为多个领域的核心,其作用与以CPU为代表的集成电路构成当今电子系统的核心一样。鉴于ME MS技术的重要技术经济潜力和战略地位,引起了世界各国的高度重视。ME MS主要是美国学者的称谓,在日本称为微机械,在欧洲称为微系统。此外,微技术在不同的学科与应用领域,还有类似的不同的专业或行业术语,如生物技术领域的基因芯片(DNA芯片)、生物芯片(Bio-Chip),分析化学领域的微全流体分析系统(uT AS)、芯片实验室(Lab on Chip),与光学集成形成微光机电系统(MOE MS)等。 ME MS是从微电子技术发展而来,其微制造技术主要沿用微电子加工技术与设备。微电子加工技术与设备价格昂贵,适合批量生产。由于微电子工艺是平面工艺,在加工ME MS三维结构方面有一定的难度。目前,通过与其它学科的交叉渗透,已研究开发出以下一些特定的ME MS微制造技术。 (1)LIG A技术 LIG A和准LIG A技术最大的特点是可制出高径比很大的微构件,但缺点同样突出,成本高。 (2)材料去除加工技术 这类技术主要包括准分子激光微细加工[1～4]、微细电火花加工[5]、以牺牲层技术为代表的硅表面微细加工、以腐蚀技术为主体的体硅加工技术、电子束铣、聚焦离子束铣等。 (3)材料淀积加工技术 这类技术主要包括激光辅助淀积(LC VD)、微细立体光刻[6、7]、电化学淀积等。 上述各类技术的对比分析如表1所示[5]。 表1 MEMS主要微制造技术对比 技术最小尺寸精度高宽比粗糙度 几何自 由度 材料范围LIG A 技术 ++++++++ 金属、聚合物、 陶瓷 刻蚀技术+-+-+-金属、聚合物 准分子 激光 -(+)-+--+ 金属、聚合物、 陶瓷 微细立 体光刻 -(+)-(+)++-++聚合物 微细电 火化 +++++++ 金属、半导体、 陶瓷LCVD++-++-+金属、半导体 金刚石 精密切削 +++++-- 非铁金属、 聚合物 注:表中++、+、-、--分别表示很好、好、较差、很差,+-表示不同应用条件下的相对效果,括号内的“+”表示最新研究有所进展。 在目前ME MS微细加工技术的研究与应用中,激光微细加工技术得到了广泛的关注与研究。激光微细加工制造商宣称激光微细加工技术具有:非接触工艺、有选择性加工、热影响区域小、高精度与高重复率、高的零件尺寸与形状的加工柔性等优点。 实际上,激光微细加工技术最大的特点是“直写”加工,简化了工艺,实现了ME MS的快速原型制造。此外,该方法没有诸如腐蚀等方法带来的环境污染问题,可谓“绿色制造”。 在ME MS微制造中主要采用的激光微细加工技术有:激光直写微细加工、激光LIG A、激光微细立体光刻等,下面分别加以介绍。 2 准分子激光直写微细加工及其在MEMS中的应用 准分子激光以其高分辨率、光子能量大、冷加工、 ? 5 ? 制造技术与机床 2002年第3期 Special R eports综 述
测控新技术课程报告 ＭＥＭＳ技术的发展与应用 摘要 微机电系统(Micro-Electronic Mechanical System-MEMS),是在微电子技术基础上结合精密机械技术发展起来的一个新的科学技术领域。 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，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硅片上，就是微机电系统——MEMS: Microelectromechanical System。一般来说，MEMS是指可以采用微电子批量加工工艺制造的，集微型机构、微型传感器、微型致动器（执行器）以及信号处理和控制电路,直至接口、通讯和电源等部件於一体的微型系统。 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。 关键词：精密机械技术，微执行器，微传感器，微型致动器
前言 微电子机械系统（Micro Electro Mechanical System），简称MEMS，是在微电子技术基础上发展起来的集微型机械、微传感器、微执行器、信号处理、智能控制于一体的一项新兴的科学领域。它将常规集成电路工艺和微机械加工独有的特殊工艺相结合，涉及到微电子学、机械设计、自动控制、材料学、光学、力学、生物医学、声学和电磁学等多种工程技术和学科，是一门多学科的综合技术。MEMS在许多方面具有传统机电技术所不具备的优势，包括质量和尺寸普遍减小、可实现大批量生产、低的生产成本和能源消耗、易制成大规模和多模式阵列等。MEMS 研究的主要内容包括微传感器、微执行器和各类微系统，现在已成为世界各国投入大量资金研究的热点。从广义上讲，MEMS 是指集微型传感器、微型执行器以及信号处理和控制电路，甚至接口电路、通信和电源于一体的微型机电系统。 1．MEMS的发展过程 微机电的概念最早可追溯到1959年R.Fe ym.在加州理工大学的演讲。1982年,K.E .Pe terson发表了一篇题为“Silicon as a Mechanical Material”的综述文章，对硅微机械加工技术的发展起到了奠基的作用。 微机电研究的真正兴起则始於1987年，其标志是直径为10um的硅微马达在加州大学伯克利分校的研制成功。自此以后,微电子机械系统技术开始引起世界各国科学家的极大兴趣。 为了进一步完善这一学科,使其更多更快地为人类服务，除探索新技术，新工艺以外，各国科学家们还在积极努力从事MEMS基础理论研究，包括对微流体力学，微机械磨擦和其他相关理论的研究，并建立一套方便，快捷的分析与设计系统。相信在不久的将来，MEMS将广泛渗透到医疗、生物技术、空间技术等领域 2．MEMS的基本原理 MEMS由传感器、信息处理单元。执行器和通讯/接口单元等组成。其输入是物理信号，通过传感器转换为电信号，经过信号处理（模拟的和/或数字的）后，由执行器与外界作用。每一个微系统可以采用数字或模拟信号（电、光、磁等物理量）与其它微系统进行通信 3．MEMS的特点 .微型化、以硅为主要材料、大量生产、集成化、多学科交叉、应用上的高度广泛。 4．MEMS的制造技术 MEMS的制作主要基于两大技术：IC技术和微机械加工技术，其中IC技术主要用于制作MEMS中的信号处理和控制系统，与传统的IC技术差别不大，而微机械加工技术则主要包括体微机械加工技术、表面微机械加工技术、LIGA技术、准LIGA技术、