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第一章微机电系统(MEMS)概论

Xiangliang Jin Ph.D

xiangliangjin@https://www.doczj.com/doc/e118048647.html, & jinxl@https://www.doczj.com/doc/e118048647.html,

Micro -/Optical -Electronics and System on A Chip

Chances, Challenges and Applications

Micro-Electro-Mechanical-System(MEMS)

微机电系统（MEMS ）概论

内容提要

9MEMS 的基本概念，与宏观机电系统的对比特征9MEMS 技术的发展过程与大致技术现状

9MEMS 典型产品的应用

?理解MEMS 的基本概念，明确其与宏观机电系统的对比特征。

?了解MEMS 技术的发展过程与大致技术现状。?了解MEMS 在军事、汽车、医学等重要领域中的应用，特别是一些典型产品。

机械与机电系统；宏观机电系统与微机电系统微机电系统：

它是以微传感器、微执行器以及驱动和控制电路为基本元器件组成的、可以活动和控制的、机电合一的微机械装置。

特点：

1、学科交叉（力学、机械、电学、光学、电磁学、生物、化学等学科）

2、微型化、集成化和智能化；

3、低成本批量化；

4、应用广泛（军民两用）

5、高新技术。微机电系统的相关术语：MEMS(Microelectromechanical Systems)（美国）Micro Machine （日本）Micro System Technology （欧洲）

微机械电子系统(微机电系统)的组成：

一般可定义为由微米和纳米加工技术制作而成的，融机、电、光、磁以及其他相关技术群为一体的，可以活动和控制的微工程系统。目前，人们泛称其为MEMS。它是以微传感器、微执行器以及驱动和控制电路为基本元器件组成的、自动化性能高的、可以活动和控制的、机电合一的微机械装置。

用它进行的操作是极其微细的，有的操作已经到了单个细胞乃至分子范筹；有的微型敏感元件能敏感到单个原子，能进行原子量级的探测。如此细微的工作状况，用肉眼是不能分辨的，必须借助显微术或专用仪器来观察和控制。

微机械电子系统，即微机械技术，是20世纪80年代后期国际上兴起的一项高技术。它以集成电路技术、表面加工技术和纳米精加工技术为基础，具有极大的学科交叉性，微机电系统的设计与制造涉及到设计、材料、制造、测试、控制、能源以及连接等相关技术。与传统机械系统相比，除在尺度上很小外，它还是一种高度智能化和高度集成化的系统。微机电系统的研究是制造技术上的一场革命，在21世纪的机械发展过程中将占有主导地位。微机械技术将是一项新兴的产业，会优先在生物、医疗、航空、航天、电子产品、过程控制及测试技术等领域获得广泛的应用。

美国：国家自然科学基金、先进研究计划、国防部等投资1.4亿美元进行微机电系统技术研究。在军方资助下，完成了《微电子机械系统的军事应用》研究报告。

主要研究方向：精密制导武器、灵巧武器、侦察通讯、破坏敌方指挥系统及战斗力、研制微型卫星及纳米卫星等。

主要实用化成果：Park公司开发研制出用于扫描隧道显微镜（STM）和原子力显微镜（AFM）的微型传感器；Texas公司开发出用于彩色图像投影显示的数子镜面器件（DMD）；AD公司开发研制的加速度计，管芯尺寸为1.5mm*1.5mm，量程达50g，灵敏度为15mv/g等。

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欧共体：成立了NEXUS（多功能微系统研究合作机构）组织；德国制定了微机械系统技术计划（1990～1995投资共40亿马克），20世纪80年代中期发展了一种LIGA（深度同步辐射X射线光刻、电镀和模铸）工艺，深化了平面加工技术，实现了高宽比大于200的三维立体结构的加工制造，被加工材料也扩展为金属、塑料和陶瓷。被公认为是一种最有发展前景的超微细加工方法。

主要研究机构和实用化成果：Karlsruhe核研究中心、微技术研究所（IMM）、Microparts公司等。已开发研制出微传感器、微电机、微执行器、集成光学和微光学元件、微型流量计以及直径为数百微米的金属双联齿轮等。

日本：制定了纳米制造计划（1985～1990年）、埃技术计划（1992～2001年计划投资1.85亿美元）、微机器人计划。计划生产两台微型机器人用于医学诊断（或微型手术）和飞机发动机（或原子能设备）的微小裂纹的维修诊断。现有MEMS 研究机构60余个（企业占2／3），1990年成立了微机械中心（MMC ）和微机械学会（MST ）。每年举办一次MEMS 国际研讨会。

主要实用性成果：利用电火花加工技术、IC 技术和光成型技术加工出各种传感器和执行器，研制成功主要用于生物和医疗的微型机器人。有三本专著出版。

主要研究机构

?华北地区：清华大学、北京大学、中科院电子所、信息产业部13所、华北工学院微米纳米技术研究中心等；?华东地区：中科院上海冶金所、上海交通大学、复旦大学、东南大学、浙江大学、上海大学、厦门大学等。?东北地区：信息产业部49所、哈尔滨工业大学、中科院长春光机所、大连理工大学、沈阳仪器仪表工艺研究所等。?西南地区：重庆大学、信息产业部24所、26所、44所等。?西北地区：西安交通大学、航空618所、航天771所、航天16所等。

清华大学

广泛开展了多种微型传感器(微加速度计、微陀螺、微磁场计、微压力传感器、微流量传感器、微麦克风等)、微泵、微阀、微喷、微毛细管电泳仪、微光开关、RF-MEMS器件、微光谱仪、DNA芯片等的研究。其中，微加速度汁和微泵正在准备生产；微毛细管电泳仪已经制成样机，可以用于药物分析和环境监测，具有广阔的市场潜力，正在向市场化推进。

清华大学于2000年6月发射成功进入700km太阳轨道的“航天清华一号”微小卫星，运行状况良好。其特点是质量轻(50kg)、体积小(0.07 )、研制周期短(约1年)、成本低、功能密度高，体现了我国MEMS技术在微小卫星中的应用取得重大突破。

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北京大学微电子所

以IC加工生产线为基础，开展了体硅工艺和表面工艺研究，已形成了较成熟的工艺技术，研制了硅微高加速度计、微化学传感器等，计划利用2年时间实现微型继电器、可调电容和微光学器件的小批量生产，已经得到环宇－青岛公司的资金投入。

信息产业部13所

已经建成体硅加工的小批量制造基地，研制了微加速度计、微陀螺、红外隧穿传感器、微光器件等，在“十五计划”期间，他们将发展重点放在航空航天和信息技术领域，准备开发微小卫星、惯性组件、RF —MEMS器件和光交换设备等。

信息产业部49所

从20世纪80年代初就开始从事微传感器的相关研究，主要制造不同规格的微压力传感器、气敏／湿敏传感器、流量传感器等，并研制为武器装备配套的微加速度计，争取在2002年实现5000只的规模。

中国科学院上海冶金所

研制了微加速度计、微陀螺、微压力传感器、微红外传感器阵列、微光器件等多种MEMS器件，作为首席专家单位主持973项目“集成微光机电系统”研究，并开展了微小卫星的研究。

沈阳仪器仪表研究所

生产的OEM微硅压力传感器系列、双向静压过载微差压传感器系列，市场需求量较大，已形成小规模生产能力，计划逐步建成150万只的生产规模。

信息产业部24所

主要生产专用模拟集成电路，拥有各

种IC生产线，他们从“九五”开始与重庆大学合作进行MEMS的研究，参与了微触觉传感器和生物芯片的生产。

东南大学

东南大学和国际风险投资资金合作成立有E-life公司，主要开发生产有自主知识产权的DNA分析芯片及其相配套的平台。这种高密度的芯片将被用来建立人口基因档案，为公安等部门服务。

该芯片及其平台在医院中可以代替传统的基因检测方法，具有速度快、成本低的优点。目前，E-life公司正在与医院进行联合研究，可望形成较大的产值。

东南大学还研制了硅微加速度计和陀螺等。

主要从事微机械加速度计、微陀螺和微惯性测量组合的应用系统研究，正在开展军用和民用的惯性系统、新型的单兵作战系统以及道路、桥梁的监测系统等方面的工作。

浙江大学

研制的纳米碳管、微透镜阵列、蛋白质生物芯片比较成熟，可望投入生产。另外他们也很重视设备的研制，可以向市场提供反应离子束蚀刻机、双元STM纳米检测仪。他们还研制了硅微加速度计、微陀螺、微真空计、微高度计等。

重庆大学

研究了微加速度阵列、光压力传感器、触觉传感器细胞流变学测量仪、微型光谱仪等。

中国科学院电子所

开发了微气敏传感器、微波功率传感器、谐振式和真空微电子压力传感器、微pH传感器等。他们的另一个研究重点是微生物传感器和微分析系统，正在研究微芯片PCR扩增仪、CE微型毛细管电泳仪、DNA 微型检测仪等。

从1989年起就开始进行微机械加工技术研究，以MEMS技术为主要实现手段，以研制生物医学、航天等领域的微型传感器与微型机器人系统为目标，研究微传感器、微执行器与微系统。

研究了硅各向异性腐蚀工艺、电化学掺杂选择腐蚀工艺、硅—硅静电键合工艺，研制了硅微力传感器、微结构气敏阵列传感器、集成化硅触觉阵列传感器、微型三维力传感器、表面微加工转速传感器、无线驱动体内微机器人等。

目前正在研制爆炸物探测微阵列、微型六维力探针、柔性触觉传感器、能够进入人体的肠胃进行检查的微机器人等微机电系统。28

主要研究机构

航天学院MEMS 中心、机器人研究所MEMS 研究组、机电工程学院微机电研究室、机械制造及其自动化MEMS 研究组等。

1、MEMS 的形成基础

与机械电子学的关系

?不是简单的提升

?基本组成相同

机械电子学——机械学、电子学、计算机技术交叉

MEMS ——机/电/磁/光/声/热/液/气/生/化等多学科交叉学科交叉的产物

MEMS 的特点

?以实现新功能、特殊性能

特殊性能为前沿目标?微米量级空间里实现机电功能，

微米量级空间里实现机电功能，提升已有性能（包括微型化、集成化、高可靠性等

高可靠性等）?采用微加工，形成类似IC 的批量制造、低成本、低消耗特征

MEMS 的内涵

?“微”——尺度效应的作用

?“机电”——拓展向更多物理量的融合

?“系统”——水平、实际应用现状

MEMS 发展的重要标志

?制作水平方面——微马达（静电）

?应用水平方面——Lab-on-a-Chip 、微飞行器、微机器人MEMS 与NEMS 的关系

920世纪60年代-，集成电路制造工艺，CD 目前已达45nm ，在1mm 2内有若干个G 以上容量的单元电路

9体微加工、深槽加工技术发展，形成MEMS 制造技术。典型代表：德国LIGA 技术

?生物微马达

?生物工程操作

?碳纳米管

——概念延伸、MEMS 工艺为基础、对象向生物化学扩展32

尺寸微小是微机电系统的基本特征

当尺寸小到微米或亚微米量级时，会产生微尺寸效应。它的影响将反映到诸如结构材料、设计理论、制造方法、在微小范围内各种能量的相关作用及测量技术等许多方面。也就是说，工程上常用的尺寸缩放法不适用于由微尺寸元器件组成的微装置；因而，传统的设计理论、方法及一些物理定律不能完全套用，许多理念需要更新和重新建立，必须从新的构思出发去探索微机械由于尺寸效应形成的一些特殊现象和规律。

1、微尺寸效应对于元器件间的作用力的影响

随着尺寸的减小，与尺寸3次方成比例的像惯性力、体积力及电磁力等的作用将明显减弱；而与尺寸2次方成比例的像粘性力、表面力、静电力及摩擦力等的作用则明显增强，并成为影响微机械性能的主要因素。

在微机械设计中，多利用静电力驱动。

在微机械中，又由于表面积与体积之比相对增大，使热传导的速度也相对增加。

研究微机械中的摩擦、磨损的特性与机理是该领域的主要课题之一。

随着元器件尺寸的减小，元器件材料内部缺陷出现的可能性减小，因而元器件材料的机械强度会增加。所以微型元器件的弹性模量、抗拉强度、疲劳强度及残余应力均与大零件有所不同。

3、微尺寸效应对于元器件惯性和热容量的影响

由于微尺寸效应，导致微机电系统的惯性小、热容量低，容易获得高灵敏度和快响应。

由于微尺寸效应，导致微机电系统的前端装置（如微传感器）的输出信号十分微小，传统的测量工具和仪器难以实现如此微弱信号的检测，必须创造新的测量设备。

Strictly Confidential -Do Not Distribute –Copyright 2011 5、微尺寸效应对于元器件设计方法的影响?微机电系统尺度的缩小，集成化程度的提高．会导致工序增多，成本增高；所以应在试制前对整个微饥电系统的器件、工艺及性能进行模拟分析，对各种参数进行优化，以保证微系统的设计合理、正确，降低研制成本，缩短研制周期。显然，传统的设计方法(基本上为试凑法)巳难以满足上述新要求，必须寻求新的设计途径。

?其中最流行的设计方法就是微机电系统的计算机辅助设计(MEMS CAD)。运用MEMS CAD，除了借鉴已有的机械CAD和电子工具外，还必须针对特定的微系统，开发专用的CAD建模软件。这方向有大量的工作要做。

微机电系统常用材料

?传统的机电系统，用得最多的是金属材料，采用传统的机械制造工艺制作而成；而微机电系统最常用的则是硅及其化合物材料。以及特种合金、石英、塑料和陶瓷等。1982年K.E.Petersen发表了一篇著名的论文“硅作为机械材料”，引起了人们对硅的重新认识。

硅及其合金材料的特点

?硅是容易获得的超纯无杂的低成本材料，有极好的机械特性和电学特性，非常适合制造微结构；

?便于利用集成电路(IC)工艺和微机械加工工艺进行批量生产；

?硅微结构便于和微电子线路实现集成化。

微机电系统制造的特点

由于微机电系统及器件多种多样，不仅和微电子之间有交联，还和外界其它物理量相互作用，并且为体型结构。因此，集成电路制造技术，包括版图设计、刻蚀工艺、薄膜工艺以及模拟技术等已发展得较为成熟，能成功地用于微电子器件和集成电路的制作，但它不能完全满足微机电系统及其器件的制造要求。

微机电系统专用制造方法

体型加工技术、表面加工技术、LIGA（深度同步辐射X射线光刻、电镀和模铸）技术、构件间的相互组装技术、键合及封装技术等。

由于微尺寸效应，导致微传感器、微执行器等的输出量衰减到微弱信号级

?如运动位移、振幅及形变小到亚微米和纳米量级。将它们变换成可供接收和处理的电信息时，相应的电压量小到微伏、亚微伏乃至nV，电流量小到nA，电容量小到(0.1～.001)pF 。

为了把如此微弱的有用信号从强噪声背景下提取出来，从设计上考虑，必须遵循的原则是：

?设计合理的集成检测电路布局；

?检测电路必须与微机械装置(如微传感器)尽量靠近，最好能与传感器实现单片集成或混合集成；

?尽量减短微系统的尺少链。

?利用超细的金属纳米探针(纳米尖)和被测样件表面构成2个电极，当探针尖与样件表面非常接近(如1nm)时，在探针与表面形成的电场作用下，将产生隧道电流效应，即电子会穿过二者之间的空隙从一个电极流向另一个电极。

?隧道电流的大小与空隙大小有关。当空隙增大时，电流指数形式衰减，若空隙增大0.1nm，电流减小1个数量级，灵敏度极高。

?测出探针在非常接近的被测样件表面上扫描产生的隧道电流变化，即可得知样件表面在nm尺度内各点位置的微细变化，即表面的三维空间形貌。

分会场十三：微纳米光子学主席：吴一辉（中国科学院长春光学精密机械与物理研究所）李铁（中国科学院上海微系统与信息技术研究所）特邀报告1：半导体太赫兹光频梳黎华，中国科学院上海微系统与信息技术研究所，博士生导师，研究员。2009年博士毕业于中国科学院上海微系统与信息技术研究所，然后分别在德国慕尼黑工业大学、日本东京大学、法国巴黎七大材料与量子现象实验室开展博士后研究工作，2015年回国工作，2016年获得中国科学院“百人计划”A类择优支持。主要研究方向为太赫兹量子级联激光器及其光频梳、锁模激光器、太赫兹成像及高分辨光谱技术等。在Advanced Science、Optica、Applied Physics Letters、Optics Express等期刊上发表50余篇论文，曾获“2015中国中国电子学会优秀科技工作者”，“上海市自然科学二等奖”（排名第三）、德国“洪堡”学者奖学金、日本JSPS奖学金等。担任科技部973计划课题负责人、国家自然科学基金面上项目（2项）负责人、KJW 项目（2项）负责人等。报告摘要：太赫兹（THz）波（频率范围：0.1-10 THz; 1 THz=1012 Hz）位于红外光和微波之间，在国防安全、生物医疗、空间等领域具有潜在应用。由于缺乏高效THz辐射源和探测器，THz波还没有被完全认知，所以其被称为THz间隙（“terahertz gap”）。在1-5 THz 频率范围内，基于半导体电泵浦的光子学器件THz量子级联激光器（quantum cascade laser, QCL）在输出功率和效率方面比电子学和差频器件高，是关键的THz辐射源器件。本报告主要介绍我们在高性能THz核心器件以及半导体光频梳方面的研究进展。在高性能核心器件方面，我们突破分子束外延生长和半导体工艺技术，研制出高功率（1.2 W）、低发散角（2.4°）、宽频率范围THz QCL器件并实现THz高速探测和多色成像。基于高性能半导体THz QCL器件，成功实现THz QCL光频梳以及双光梳。克服传统THz光谱仪在测量时间和光谱分辨率方面的缺陷，开发出基于THz QCL双光梳的紧凑型高分辨实时光谱检测系统，为将来实现新一代THz光谱仪奠定基础。

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/e118048647.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)

微电子机械系统（MEMS）技术在军工和民生的应用及发展趋势引言微电子机械系统（Micro-Electro-Mechanical Systems,简称MEMS）是20世纪80年代末在成熟的微电子设计和加工技术的基础上发展起来的一种新兴技术，它是以微电子、微机械及材料科学为基础，研究设计制造具有特定功能的微型装置。它结合了机械可动结构和大规模、低成本、微电子加工的优点，在微小尺度上实现与外界电、热、光、声、磁等信号的相互作用。微电子机械系统通常指特征尺度大于1nm小于1μm，结合电子和机械部件并集成了IC工艺的装置。MEMS在航空、航天、军事、汽车、生物医学、环境监控等人们所接触到的几乎所有领域都有十分广阔的应用前景，它是未来国防领域及国民生活领域的关键技术和支撑技术。 MEMS的突出特点有： 1．微型化：MEMS硬件不仅体积小而且重量轻，耗能低，惯性小，谐振频率高。 2．以硅为主要材料，机械电器性能较好；硅的强度、硬度和弹性模量与铁相当，密度类似铝，热传导接近钨。 3．多样化：MEMS含有数字和总线接口，具有在网络中应用的条件，便于与PC系统集成。 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在一起，或形成微传感器阵列，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技术集成了电子信息，机械制造，材料与自动控制，物理，化学等诸多学科，并应用了当今许多高科技成果。 MEMS技术的发展开辟了一个全新的技术领域和产业，MEMS工艺已经应用于军民生活中。本文就它在国防和民用领域的应用作一介绍，并分析它未来的发展前景。一、MEMS技术在军事设备中的应用状况众所周知，最尖端的科技总是先应用于国防，MEMS也一样，军事领域是它应用最早的领域之一。这很大程度上推动了MEMS技术的飞速发展。当前，MEMS 技术在军事上的应用被世界各个国家所重视。美国国防部高级研究计划局（DARPA）把MEMS技术确认为美国急需发展的新兴技术，并资助了大量MEMS项目，大力发展小型惯性测量装置、微全分析系统、RF传感器、网格传感器、无人值守传感器等项目，应用于单兵携带、战场实时监测、毒气以及细菌检测、武器安全、保险和引信、弹道修正、子母弹开仓控制、超低功率无线通信信号处理、高密度低功耗的数据存储器件、敌我识别系统等方面。MEMS在军用设备中的应用日渐广泛和深入。 1.1MEMS技术对武器平台的优化在海上武器应用方面，MEMS引信保险和引爆装置已成功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三个独立步骤:发射鱼雷后解除炸药保险，引爆（引信）和防止在不正确的时间爆炸（保险）。使用镀有金属层的硅结合巧妙的封装技术，MEMS引爆装置要比传统装置小一个数量级，可安装在6.25英寸的鱼雷上，这是其他技术很难办到的。在陆地应用方面，包括灵活而且坚固的爆破装置、发射装置和其他使用MEMS 惯性制导系统的武器平台。MEMS加速度计能承受火炮发射时产生接近10.5g 的冲击力，可以为制导导弹提供一种经济的制导系统，同时使导弹的可靠性

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。

微电子与纳电子学系 00260011 晶体管的发明和信息时代的诞生 1学分 16学时 The Invention of Transistors and the Birth of Information Age 晶体管的发明，是二十世纪最重要的科技进步。晶体管及以晶体管核心的集成电路是现代信息社会的基础，对社会的进步起着无以伦比的作用。晶体管的发明，源于19世纪末20世纪初物理学、电子学以及相关技术科学的迅速成熟。晶体管的发明造就了一大批物理学家、工程师。晶体管的发明，也随之产生了许多著名的研究机构与重要的公司，如贝尔实验室、仙童公司、Intel等都与晶体管的发明密切相关。“以铜为鉴，可正衣寇；以古为鉴，可知兴替；以人为鉴，可明得失”。晶体管发明作为现代科技史上的重大事件发生过鲜为人知的重要经验和教训，涉及科研管理、人才和科学方法等诸多方面，可以从成功和失败两个方面为后人提供十分重要的借鉴与启示。本课程试图从晶体管的发明到信息社会的诞生，探讨技术革命和创新的方向，为大学低年级学生将来从事科学研究建立正确的思想观。所讨论的课题包括，科学预见和准确选题的重要性、科学研究的方法、放手研究的政策、知人善任和合理配备专业人才等。 00260051 固体量子计算器件简介 1学分 16学时 Introduction to solid-state quantum computing devices 作为量子力学和信息学的交叉，量子信息学是最近二十多年迅速发展起来的新兴学科，量子信息处理技术能够完成许多经典信息技术无法实现的任务。比如，一旦基于量子信息学的量子计算机得以实现，其在几分钟内就可解决数字计算机几千年才能解决的问题，那么用它就可及时地破解基于某些数学问题复杂性假定之上的传统保密通信的密钥，从而对建立于经典保密系统行业的信息安全构成根本性的威胁。这种新兴技术的实现可以直接地应用于国防，政治，经济和日常生活。本课程在此大的学术背景下展开，主要介绍最有希望成为量子比特的固体量子相干器件的基本原理和目前的研究状况，以及如何用这些器件实现量子计算。 00260061 量子信息处理的超导实现 1学分 16学时 Quantum information process and its implemention with superconducting devices 基于半导体集成电路的经典信息处理技术已渗透到我们生活的各个方面，信息处理器件，例如个人电脑和手机，为我们生活质量的提高提供了强有力的技术支持。但是经典信息处理技术的继续发展面临着技术上的瓶颈，其性能很难在现有技术路线上继续提高。一种新型的完全基于量子力学原理的量子信息处理技术，有望提高信息处理的效率并解决一些经典信息处理技术无法解决的问题。量子信息处理技术的成功实施，将为我们提供绝对保密的量子通信技术和高效的量子计算机。本课程将学习量子信息处理的基本原理；超导材料的基本特性以及利用超导器件实现量子信息处理的原理与方法。通过文献调研和小组讨论等方式了解利用超导器件实现量子信息处理的最新进展和面临的挑战，探讨可能的解决方案。 00260071 智能传感在社会生活中的应用 1学分 16学时 Smart Sensing in Social Activities 智能传感已经深入到社会生活的每个领域，深刻地影响着我们的社会组织方式和行为方式。本课程采用视频、图片等多媒体方式，以活泼生动地方式，向具有不同专业背景的学生深入浅出地讲述智能传感器及其在社会和生活中的应用。例如，在文化与智能传感器章节中，结合大家熟知的电影形象《指环王》中的“咕噜”，介绍智能运动传感器在电影制作中的应用；结合《机械战警》中的形象，介绍脑机接口传感器在脑神经科学研究及帕金森症等疾病治疗中的应用。在传感器与智能交通章节中，介绍汽车中种类繁多的传感器对未来无人驾驶汽车的作用。在传感器与智能家居章节中，介绍iphone手机中集成的多种传感器，及其功能扩展。在传感器与现代国防章节中，结合南斯拉夫亚炸馆事件，介绍控制炸弹穿透多层建筑后再爆炸的

第37卷第1期光电工程V ol.37, No.1 2010年1月Opto-Electronic Engineering Jan, 2010 文章编号：1003-501X(2010)01-0019-06 微/纳结构三维形貌高精度测试系统谢勇君1,2,3，史铁林2,3，刘世元2 ( 1. 暨南大学电气自动化研究所，广东珠海 519070； 2. 华中科技大学数字制造装备与技术国家重点实验室，武汉 430074； 3. 武汉光电国家实验室(筹) 光电材料与微纳制造研究部，武汉 430074 ) 摘要：为实现微/纳结构三维形貌的高精度测量，提出利用显微干涉技术和偏振技术相结合的方法来研制微/纳结构三维形貌亚纳米级精度测试系统。首先，利用五步相移干涉技术采集5幅带有π/2相移增量的干涉条纹图。然后，通过Hariharan五步相移算法得到包裹相位图。最后，利用分割线相位去包裹算法和相位高度关系转换得到微/纳结构三维形貌。在测试过程中通过偏振片产生强度可调的线偏振光，再由1/2波片改变偏振光在分光镜中的分光比，补偿参考镜与试件的反射性能差异，可得到亮度适中且对比度高的干涉条纹图，从而有利于实现微/纳结构三维形貌的高精度测量。系统的轮廓算术平均偏差R a的重复测量精度可达0.06 nm，最大示值误差不到±1%，示值变动性不到0.5%。通过对标准多刻线样板、硅微麦克风膜和硅微陀螺仪折叠梁的三维形貌测量验证了系统的有效性和实用性。关键词：微/纳结构；显微干涉；偏振技术；三维形貌中图分类号：TH741.8 文献标志码：A doi：10.3969/j.issn.1003-501X.2010.01.04 Measurement System for 3D Profile of Micro/Nano Structures with High Resolution XIE Yong-jun1,2,3，SHI Tie-lin2,3，LIU Shi-yuan2 ( 1. Institute of Electric Automatization, Jinan University, Zhuhai 519070, Guangdong Province, China; 2. State Key Laboratory of Digital Manufacturing Equipment and Technology, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China; 3. Division of Optoelectronic Materials & Micro-Nano Manufacture, Wuhan National Laboratory for Opto-electronics, Wuhan 430074, China ) Abstract: In order to test 3D profile of micro/nano structures with high resolution, a measurement system was developed based on microscopic interferometry and polarization technique. First, five interferograms with π/2-phase increase were acquired by five-step phase-shift interferometry. Then wrapped phase maps were calculated with Hariharan five-step-phase-shift algorithm. Finally, 3D profile of micro/nano structure could be gotten with branch-cut unwrapping algorithm and the phase-height formula. A polarizer provided a polarization beam and adjusted its illumination power. The polarized beam was parceled into two perpendicular directions by a polarization-beam splitter, and the intensities proportion of the two beams could be adjusted by rotating a 1/2-waveplate making it possible to compensate the differences of the reflectances between the sample and the reference mirror. This arrangement allowed that the interferograms had the advantages of high contrast and optimum intensity, and this was useful to increase system 收稿日期：2009-07-13；收到修改稿日期：2009-09-03 基金项目：国家自然科学基金重点项目(50535030); 国家自然科学基金(50775090); 新世纪优秀人才支持计划(NCET-06-0639); 国家博士后科学基金(20070410930); 广东省自然科学基金博士研究启动项目(9451063201002281); 广东高校优秀青年创新人才培育项目(LYM08019)；广西制造系统与先进制造技术重点实验室开放课题基金; 暨南大学青年基金项目(51208027). 作者简介：谢勇君(1977-)，女(汉族)，广西全州人。讲师，博士，主要研究工作是精密测控技术。E-mail:xyj919@https://www.doczj.com/doc/e118048647.html,。

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。

MEMS系统及其封装技术的研究报告微机电系统（Micro-Electro-Mechanical Systems,MEMS）是以微细加工技术为基础，将微传感器、微执行器和电子线路、微能源等有机组合在一起的微机电器件、装置、或系统。微机电既可以根据电路信号的指令控制执行元件，实现机械驱动，也可以利用传感器探测或接受外部信号。传感器将转换后的信号经电路处理后，再由执行器转换为机械信号，完成命令的执行。可以说，MEMS技术是一种获取、处理和执行操作的集成技术，它是一种多学科交叉的前沿性领域，几乎涉及到自然及工程科学的所有领域，例如电子、机械、材料和能源。但是，由于对MEMS封装的认识一直落后于MEMS器件的研究，封装已成为妨碍MEMS商业化的主要技术瓶颈。一、MEMS系统的特点、存在的问题与常规机电系统相比，MEMS系统的主要优点包括：系统微型化，MEMS器件体积小，精度高、重量轻，尺寸精度可达到纳米量级；制造材料性能稳定，MEMS的主要材料是硅；批量生产成本低；能耗低，灵敏度和工作效率高；集成化程度高等。但是，按照摩尔定律的预测，在不断追求电子元器件的高集成度、高密度的同时，MEMS 系统也存在一些问题，例如尺寸效应；材料性能主要是对于MEMS硅衬底上的薄膜的机械性能和电性能的分析；黏附问题；静电力问题；摩擦问题；检测问题；薄膜应力以及表面粗糙度问题。二、MEMS封装 MEMS封装的分类方式有两种：一种是按封装材料分，可分为金属封装、陶瓷封装和塑料封装；另一种是按密封特性分，可分为气密封装和非气密性封装。通常金属封装和陶瓷封装为气密封装，而塑料封装为非气密封装。 1.MEMS封装的自身特性包括以下几点： 1）专用性 MEMS中通常都有一些可动部分或悬空结构，如硅等空腔、梁、沟、槽、膜片甚至是流体部件。 2）复杂性由于多数MEMS封装外壳的负责性，对芯片纯化、封装保护提出了特殊要求。某些MEMS 的封装及其技术比MEMS还新颖，不仅技术难度大，而且对封装环境的洁净度要求更高。 3）空间性为给MEMS可活动部分提供足够的可动空间，需在外壳上进行刻蚀，或留有一定的槽型及其他形状的空间。 4）保护性在晶片上制成的MEMS，在完成封装之前，始终对环境的影响极其敏感。MEMS封装的各操作工序（划片、烧结、互联、密封等），需要采用特殊的处理方法，提供相应的保护措施。 5）可靠性 6）经济性 2.几种重要的 MEMS封装技术 MEMS封装经过多年的发展，出现了一些比较完善的封装技术和封装形式，比如键合技术、倒装芯片技术、多芯片封装技术以及3D封装等。 1）键和技术键合技术是MEMS中最为关键、最具挑战性的技术，由于MEMS器件包含多种立体结构和多种材料层，MEMS元件的键合要比微电子元件困难得多。键合技术分为引线键合和表面键合两种。其中引线键合的作用是从核心元件引人和导出电连接。根据键合时所用能量

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

微纳机电系统微/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。一、引言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、纳米系统的意义、应用前景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。

研究生课程考试成绩单 (试卷封面院系机械工程学院专业机械设计及理论学生姓名刘晨晗学号129580 课程名称微/纳机电系统建模与仿真授课时间2013年 3 月至2013年 6 月周学时 3 学分 2 简要评语考核论题MEMS综述总评成绩 (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。

目录 1、MEMS简介 (1 2、MEMS历史与发展现状 (2 2.1 MEMS历史 (2 2.2 MEMS发展现状 (3 3、MEMS研究内容 (4 4、MEMS器件举例--悬浮微器件的结构及工作原理 (6 4.1 器件介绍 (6 4.2 器件的结构和加工工序 (6 4.3 器件的生产工艺 (7 4.4 器件的工作原理 (8 5、MEMS的应用与未来 (9 6、参考文献 (11 MEMS 综述 129580 刘晨晗 1、MEMS 简介图1显示了自然界一些典型事物的特征尺寸,我们人类生活在以米为单位的世界里。两端分别有宏大的宇宙与微小的原子,其间有一段尺寸区间1m μ-100m μ或者0.1m μ-100m μ称为微纳米区间。在1959年12月29日的美国加州理工学院,著名的物理学家理查德-费曼(Richard P. Feynman 在一年一度的美国物理学会上提出

一个极具深刻洞察力的观点“There is plenty of room at the bottom ” 【1】。接下来的时间至今,在微纳米尺度以及原子尺寸级别相关研究的快速发展映证了费曼观点的远见卓识。尤其值得一提的是在微纳米区间的发展。图1 自然界典型事物的特征尺寸 MEMS 即Micro-Electro-Mechanical System ,它是以微电子、微机械及材料科学为基础,研究、设计、制造、具有特定功能的微型装置,包括微结构器件、微传感器、微执行器和微系统等。MEMS 所研究的尺寸范围正好是上述微纳米区间。日本国家MEMS 中心给Microsystem/Micromachine 下的定义【2】:A micro machine is an extremely small machine comprising very small(several millimeters or less yet highly sophisticated functional elements that allows it to perform minute and complicated tasks 。 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

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在微能源中的应用与发展趋势摘要：能源供电装置是微机电系统中重要的组成部分，普通能源供电装置存在尺寸大、能量密度低、寿命短等缺点，许多学者都致力于研究新型微能源供电装置。随着MEMS 的发展,微能源逐渐成为MEMS 应用中的一个关键问题。通过分析国内外参考文献，对MEMS 在微能源中的应用进行介绍，包括：电池式微能源、微型内燃机、振动驱动微能源、摩擦发电机。多种微能源装置各有特点，重点阐述了每种微能源装置的工作原理、研究现状以及当前研究需要克服的难题，最后概括了微能源装置的未来发展趋势。关键词：MEMS；微能源；发展现状 0引言微机电系统（MEMS, Micro-Electro-Mechanical System），也叫做微电子机械系统、微系统、微机械等，是在微电子技术（半导体制造技术）基础上发展起来的，融合了光刻、腐蚀、薄膜、LIGA、硅微加工、非硅微加工和精密机械加工等技术制作的高科技电子机械器件，是集微传感器、微执行器、微机械结构、微电源微能源、信号处理和控制电路、高性能电子集成器件、接口、通信等于一体的微型器件或系统。MEMS是一项革命性的新技术，广泛应用于高新技术产业，是一项关系到国家的科技发展、经济繁荣和国防安全的关键技术[1]。一般来说，MEMS系统性能稳定、精度较高，适合批量化生产，性能优劣反应了精密加工技术的发展水平。其系统尺寸在几毫米乃至更小，其内部结构一般在微米甚至纳米量级。微能源器件是MEMS系统中重要的组成部分，研究微能源器件的技术被称为微能源技术，微能源技术的发展对MEMS系统以及其他能源需求系统至关重要，人们一直希望微能源技术与MEMS技术能够互相促进，共同发展。现有电源尺寸较大，不能集成于微小系统中；电源的能量密度较低，难以满足便携式电子设备的使用需求；电源使用寿命有限。在很多机电系统中，系统寿命并不取决于系统内机械零件的磨损程度，而是取决于电源装置的使用寿命，特别是在电源更换困难的机电系统中。正是因为上述原因，很多国内外学者都致力于研究新型微能源供电装置，以期提高机电系统的使用寿命和工作可靠性。根据发电原理不同，微能源装置可分为微型电池和微型发电机。各有特点，适用场合也

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第一章 微机电系统(MEMS)概论

第一章微机电系统(MEMS)概论