电子科技大学 MEMS课件 第一章总结
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电⼦科⼤微机电系统(MEMS)概论课件第⼀章.MEMS & Microsystems—Design andManufacture机械电⼦⼯程学院研究⽣专业课程教材刘晓明,朱钟淦著.《微机电系统设计与制造》国防⼯业出版社,2006参考书籍[美] 徐泰然著,王晓浩等译. MEMS和微系统-设计与制造. 机械⼯业出版社,2003[德]W.Menz著,王春海等译. 微系统技术. 化学⼯业出版社,2003[美]Michael Quirk & Julian Serda著,韩郑⽣等译.半导体制造技术. 电⼦⼯业出版社,2003课程安排课时——40 学时上课安排——第1周-第11周周⼆/ 7-8节,B 208周四/ 3-4节,B 201考试⽅式——闭卷考分⽐例——期末考试60%不设中期考试平时讨论、⼤作业与出勤40%授课内容ü微机电系统(MEMS概论(2 hoursüMEMS的理论基础知识(6 hours ü集成电路基本制造技术(8 hoursüMEMS的制造技术(6 hoursü微传感器(8 hoursü微执⾏器(6 hoursüMEMS的封装与检测(4 hours概论第⼀章微机电系统(MEMS 概论内容提要üMEMS 的基本概念,与宏观机电系统的对⽐特征üMEMS 技术的发展过程与⼤致技术现状üMEMS 典型产品的应⽤⼀、MEMS 的形成与发展1、MEMS 的形成基础机械电⼦学——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传热学⼒学电/磁学光学化学⽣物学量⼦⼒学声学流体⼀、MEMS的形成与发展1、MEMS的形成基础与机械电⼦学的关系基本组成相同不是简单的提升定⼦转⼦扭矩传递齿轮LIGA⼯艺⽣成的微马达MEMS系统框图MEMS的组成要素:微型传感器、微执⾏器、信号处理控制电路、通信系统、微电⼦电源2、MEMS的特点MEMS的定义America——它是由电⼦和机械元件组成的集成微器件、微系统,它是采⽤与集成电路(IC兼容的⼯艺制造的,可批量⽣产。
电⼦科技⼤学MEMS课件第⼀章总结曾经有⼈问1996年化学Nobel奖获得者-Rice⼤学的Richard Smalley,如果重新开始,最希望从事什么领域的研究⼯作,他不假思索的提出⼀个预⾔性的概念:Lilliputian ⼯程."We're talking about the miniaturization of everything you can imagine," Smalley said. "Eventually, we will be designing tiny devices so that every atom is there for a particular reason.”1.1概念的提出碳纳⽶管研制,直径约为500nm,能够在电压驱动下转动。
电动机的旋转叶⽚是⼀⽚⾦叶,长度不到300nm,叶⽚安装在⼀根由多层碳纳⽶管做成的转轴上。
2003年世界⼗⼤科技进展:纳⽶电动机2004年世界⼗⼤科技进展:分⼦马达通过光或电的驱动,使分⼦围绕⼀个轴旋转,能够停⽌或暂停。
这⼀成果将使纳⽶级“分⼦机械”能够在⼀些较⼤机械⽆法应⽤的⼯业和外科⼿术中⼤显⾝⼿.2005年世界⼗⼤科技进展:找到控制单分⼦⾏动的⽅法利⽤特种显微镜仪器,让⼀个分⼦做出各种动作。
使⽤⾦属探针,刺激联苯分⼦的不同部位,还可以使其产⽣不同的电⼦反应。
2006年世界⼗⼤科技进展:最⼩发电机问世纳⽶发电机。
它可以收集机械能,⽐如⼈体运动、肌⾁收缩、⾎液流动等所产⽣的能量;震动能,⽐如声波和超声波产⽣的能量;流体能量,⽐如体液流动、⾎液流动和动脉收缩产⽣的能量,并将这些能量转化为电能提供给纳⽶器件。
这是⼀个结构特殊的分⼦,它也有四个“轮⼦”,当接收到电流时就向前“⾏驶”,不过,它“⾏驶”的距离要以纳⽶来计算这种分⼦“电动车”将来可⽤于许多微观领域,⽐如把微量药物送达⼈体所需要的地点。
不过研究⼈员表⽰,这还有很长路要⾛,因为本次实验是在零下200多摄⽒度的低温和⾼度真空环境中完成的,如何在常规环境下也能让分⼦“电动车”⼯作是⾸先要解决的问题。
Strictly Confidential -Do Not Distribute –Copyright 2011Xiangliang Jin Ph.Dxiangliangjin@ & jinxl@Micro -/Optical -Electronics and System on A ChipChances, Challenges and ApplicationsMicro-Electro-Mechanical-System(MEMS)2Strictly Confidential -Do Not Distribute –Copyright 2011第一章微机电系统(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3Strictly Confidential -Do Not Distribute –Copyright 2011本章学习要求•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。
4Strictly Confidential -Do Not Distribute –Copyright 2011一、简介机械与机电系统;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)5Strictly Confidential -Do Not Distribute –Copyright 2011微机电系统的组成微机械电子系统(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。
曾经有人问1996年化学Nobel奖获得者-Rice大学的Richard Smalley,如果重新开始,最希望从事什么领域的研究工作,他不假思索的提出一个预言性的概念:Lilliputian 工程.
"We're talking about the miniaturization of everything you can imagine," Smalley said. "Eventually, we will be designing tiny devices so that every atom is there for a particular reason.”
1.1概念的提出
碳纳米管研制,直径约为500nm,能够在电压驱动下转动。
电动机的旋转叶片是一片金叶,长度不到300nm,叶片安装在一根由多层碳纳米管做成的转轴上。
2003年世界十大科技进展:纳米电动机
2004年世界十大科技进展:分子马达通过光或电的驱动,使分子围绕一个轴旋转,能够停止或暂停。
这一成果将使纳米级“分子机械”能够在一些较大机械无法应用的工业和外科手术中大显身手.2005年世界十大科技进展:找到控制单分子行动的方法利用特种显微镜仪器,让一个分子做出各种动作。
使用金属探针,刺激联苯分子的不同部位,还可以使其产生不同的电子反应。
2006年世界十大科技进展:最小发电机问世
纳米发电机。
它可以收集机械
能,比如人体运动、肌肉收缩、血
液流动等所产生的能量;震动能,
比如声波和超声波产生的能量;流
体能量,比如体液流动、血液流动
和动脉收缩产生的能量,并将这些
能量转化为电能提供给纳米器件。
这是一个结构特殊的分子,它也有四个“轮子”,当接收到电流时就向前“行驶”,不过,它“行驶”的距离要以纳米来计算
这种分子“电动车”将来可用于许多微观领域,比如把微量药物送达人体所需要的地点。
不过研究人员表示,这还有很长路要走,因为本次实验是在零下200多摄氏度的低温和高度真空环境中完成的,如何在常规环境下也能让分子“电动车”工作是首先要解决的问题。
了具有放大作用的晶体管
(3)微电子的发展
•1962年Wanlass、C. T. Sah——CMOS技术
•1967年Kahng、S. Sze ——非挥发存储器
•1968年Dennard——单晶体管DRAM
•1971年Intel公司微处理器——计算机的心脏
第一个CPU:4004Pentium III CPU芯片
2009年,IBM的科学家首次拍摄
了单个并五苯分子结构的照
片,并五苯分子结构呈矩形,
是一种有机化合物,由22个碳
原子和14个氢原子组成,并五
苯碳环之间的间隙非常狭小,
只有0.14纳米,除了要用到最
为先进的原子力显微镜,对单
个分子观测拍照还必须在零下
268摄氏度的真空环境中进行。
型静电马达成功, MEMS进入新纪元
MEMS的主要特点
器件微型化、集成化、尺寸达到纳米量级
功能多样化、智能化:可将硅基光电传感器、力学传感器、温度传感器、信号处理集成,提高信噪比、灵敏度、响应速度、提高智能化程度
TI的数字光学处理器DLP 蚂蚁腿上的微齿轮微型车床
硅微马达器硅微惯性传感器
光开关微电源
微型机器人
微型卫星
美国提出的硅固态卫星的概念图,这个卫星除了蓄
清华一号
电池外,全由硅片构成,直径仅15cm
电子昆虫的飞行
电子昆虫
电子昆虫传
回的图片
机器鸟装备了小型电子装备军队在危险地区执行任务
Electrode pattern made on a 1mm diameter Si ball, Esashi,2001
Nano-heater probe array (32×32)
(D.W.Lee et.al., J. of Microelectromechanical Systems, 11, 3 (2002), 215-219)
微加工的现状与发展趋势
微加工的现状
用于压力传感器进行歧
燃料泵压力和燃料喷射
汽车发动机和动力
系统的传感器
(3)未来细分市场
•微流体器件(生物MEMS, 化学传感器, 微喷嘴…) 将在未来MEMS市场中占据主导地位•RF MEMS(µ-通讯) 将获得大的发展
Peking University
Jiaotong University。