MEMS知识概况总结

第一章简介1.1 什么是MEMS技术？微机电系统（MEMS）是通过微加工技术将机械元件，传感器，执行器和电子元件集成在一个硅衬底上而形成的。

其中电子元件是由集成电路（IC）工艺序列加工而成（例如，CMOS，双极型晶体管，或者BICMOS），微机械部件是用可兼容的“微加工”技术加工而成的，通过这种技术可以选择性地刻蚀掉硅晶片的某些部分或者再添加新的结构层以制成机械和电机械器件。

MEMS技术通过将基于硅的微电子技术与微加工技术相结合起来，有望革新目前几乎每一种产品类型，实现完全的片上系统。

MEMS是一种使能技术，它可以促进智能产品的开发，提高微电子器件的计算能力和微传感器微执行器的感知和控制能力，扩大可能的设计和应用空间。

微电子集成电路可以看做是一个系统的“大脑“，而MEMS通过“眼睛”和“手臂”使得微系统感知和控制外部环境来增强这种决策能力。

传感器通过测量各种力学，热学，生物，化学，光学和磁现象从外界收集信息。

然后电子元件处理从传感器得到的信息并通过某些决策决定来引导执行器响应以实现诸如运动，定位，调节，抽吸和滤波等功能，从而通过控制环境得到想要的结果或目的。

因为MEMS器件是采用与集成电路相似的批加工技术制造，可以在一个小硅片上以相对低的成本在功能性，可靠性和复杂度方面达到以往不及的水平。

1.2 MEMS和纳米技术的应用目前MEMS和纳米技术有很多可能的应用。

作为一种突破技术，它使得在以前毫不相关的领域之际开展非平行的协作，比如生物学和微电子学。

许多新的MEMS和纳米技术的应用将会涌现，将我们目前已知的领域不断扩展。

下面给出的是一些当前热点应用：生物科技MEMS和纳米技术在科学和工程领域不断促成新的发现，譬如聚合酶链反应（PRC），用于DNA扩展和识别的微系统，微加工技术制造的扫描隧道显微镜（STMs），用于危险化学和生物试剂检测的生物芯片，以及高产量药品的筛选等。

通信高频电路性能将会随着射频MEMS技术的出现而得到显著提高。

微电子机械系统MEMS概述微电子机械系统（Micro-electromechanical Systems, MEMS）是一种将电子技术与机械工程相结合的技术领域，通过制造微尺度的电子器件和机械系统，可以实现微小化、集成化和高性能的微型设备。

MEMS用于制造传感器、执行器和微操纵系统等微型装置，已经广泛应用于通信、汽车、医疗、军事和消费电子等领域。

MEMS的核心技术包括微纳加工技术、传感器技术和微机电系统技术。

微纳加工技术是MEMS制造的基础，主要包括光刻、薄膜沉积、离子刻蚀、扩散和薄膜技术等。

这些技术可以制造出微米甚至纳米级别的微型结构和器件。

传感器技术是MEMS的重要应用领域之一，利用微型传感器可以实现对温度、压力、流量、位移、加速度和姿态等物理量的检测和测量。

而微机电系统技术则是将传感器和执行器等微型装置集成在一起，实现自动化控制和微操纵的功能。

MEMS具有以下几个显著的特点：微小化、集成化、多功能和低成本。

微小化可以实现高密度的集成和高灵敏度的检测，同时降低设备的功耗和重量。

而集成化可以将多个功能模块集成在一个芯片上，提高了系统性能和可靠性，同时减少了系统的体积和重量。

多功能则是指MEMS可以同时实现多种功能，如传感、处理和控制等。

此外，由于MEMS采用的是集成化的制造工艺，可以大规模制造，降低了生产成本，为大规模应用提供了可能。

MEMS在各个领域的应用也越来越广泛。

在通信领域，MEMS技术可以制造微型光机械开关，用于光通信网络的光信号调控和光路径选择。

在汽车领域，MEMS技术可以制造出压力传感器、加速度传感器和姿态传感器等，用于车辆的安全控制系统和车载导航系统。

在医疗领域，MEMS技术可以制造出微型生物传感器，用于检测体内的生物信号，如血压、血氧和葡萄糖等。

在军事领域，MEMS技术可以制造微型化的惯性导航系统和气体传感器，应用于导弹制导系统和化学生物探测等。

在消费电子领域，MEMS技术可以制造微型微镜头和投影显示器，应用于智能手机、平板电脑和智能手表等。

1、微机械陀螺仪的工作原理MEMS陀螺仪利用科里奥利力(Coriolis force，又称为科氏力)现象。

科氏力是对旋转体系中进行直线运动的质点由于惯性相对于旋转体系产生的直线运动的偏移的一种描述。

科里奥利力来自于物体运动所具有的惯性，在旋转体系中进行直线运动的质点，由于惯性的作用，有沿着原有运动方向继续运动的趋势，但是由于体系本身是旋转的，在经历了一段时间的运动之后，体系中质点的位置会有所变化，而它原有的运动趋势的方向，如果以旋转体系的视角去观察，就会发生一定程度的偏离。

2、微机械陀螺仪的性能参数MEMS陀螺仪的重要参数包括：分辨率(Resolution)、零角速度输出(零位输出)、灵敏度(Sensitivity)和测量范围。

这些参数是评判MEMS陀螺仪性能好坏的重要标志，同时也决定陀螺仪的应用环境。

分辨率是指陀螺仪能检测的最小角速度，该参数与零角速度输出其实是由陀螺仪的白噪声决定。

这三个参数主要说明了该陀螺仪的内部性能和抗干扰能力。

对使用者而言，灵敏度更具有实际的选择意义。

测量范围是指陀螺仪能够测量的最大角速度。

不同的应用场合对陀螺仪的各种性能指标有不同的要求。

3、微机械陀螺仪的结构MEMS陀螺仪的设计和工作原理可能各种各样，但是主要都采用振动部件传感角速度的概念。

绝大多数的MEMS陀螺仪依赖于相互正交的振动和转动引起的交变科里奥利力。

图3所示为振动陀螺的动力学系统的简单结构示意图。

该系统为2-D的振动系统，有两个正交的振动模态。

其中一个振动模态为质量块在x 方向振动，振动频率为。

另一个振动模态为质量块在y方向振动，振动频率为。

与的值比较接近。

工作时，驱动质量块使之在x轴上以接近于的频率(驱动频率)振动，如果振动系统以角速度绕Z轴转动，则会产生一个沿Y轴方向的科里奥利力，从而使得质量块在Y轴方向上产生频率为的振动响应，通过测试Y轴方向的运动就能完成角速度的检测。

一般的MEMS陀螺仪由梳齿结构的驱动部分(图4)和电容板形状的传感部分(图5)组成，基本结构如图6所示。

mems成像原理一、mems技术简介1.1 mems概念mems（Microelectromechanical Systems，微电子机械系统），是指微小尺寸、集成、多功能、微机械和电子系统的总称。

1.2 mems特点-微小化：mems器件典型尺寸为纳米至毫米级别。

-低功耗：由于尺寸小，需要很低的能量输入。

-低成本：mems器件使用标准的半导体工艺制造，可大量批量生产，降低成本。

-高灵敏度：由于尺寸小，响应速度快，对微小变化敏感度高。

-自驱动性：mems器件具备自驱动的能力，不需要外部能源。

二、mems成像原理2.1 mems成像的定义mems成像是一种利用mems技术实现的图像采集和处理技术，通过对微小物体的探测、观测和获取微细图像来实现特定的目标。

2.2 mems成像的应用领域-医疗领域：用于医学影像的采集和处理。

-工业领域：用于仪表、无损检测等领域。

-安全监控领域：用于视频监控和图像识别。

2.3 mems成像的基本原理mems成像的基本原理是通过微小的光学系统收集图像信息，经过微小光学元件处理和转换，最终得到高清晰度的图像。

2.4 mems成像的工作流程1. 光学模块：利用微小的透镜、光栅等元件收集并聚焦光线。

2. 传感器模块：利用微小的传感器感知光线的强弱和颜色。

3. 信号处理模块：对传感器采集到的信号进行处理和放大。

4. 输出模块：将处理后的信号转换成可视化的图像输出。

三、mems成像技术的优势3.1 尺寸小mems成像技术利用微小的光学系统，使得传感器尺寸变小，可以实现更为精细的成像。

3.2 数据处理能力强mems成像技术借助于信号处理模块，对传感器采集到的数据进行处理和放大，提高了成像的清晰度和图像的质量。

3.3 系统集成度高mems成像技术通过微小光学元件的集成，实现了传感器、光学和信号处理等功能的一体化，减少了系统的复杂性和体积。

3.4 具备自驱动能力mems成像技术中的mems器件具备自驱动的能力，不需要外部能源，降低了系统的功耗和维护成本。

一文读懂MEMS传感器（必须收藏）导语：传感器发展到今天，小型化、智能化、集成化，已经是升级换代的必由之路。

今天，我们来为大家介绍一下传感器家族的mini型产品——MEMS传感器。

什么是MEMS传感器？MEMS的全称是微型电子机械系统（Micro-ElectroMechanical System），微机电系统是指可批量制作的，将微型机构、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、通信和电源等集成于一块或多块芯片上的微型器件或系统。

而MEMS传感器就是采用微电子和微机械加工技术制造出来的新型传感器。

MEMS是用传统的半导体工艺和材料，以半导体制造技术为基础发展起来的一种先进的制造技术，学科交叉现象极其明显，主要涉及微加工技术，机械学/固体声波理论，热流理论，电子学、材料、物理学、化学、生物学、医学等等。

经过四十多年的发展，已成为世界瞩目的重大科技领域之一。

加工工艺：MEMS技术基于已经相当成熟的微电子技术、集成电路技术及其加工工艺。

它与传统的IC工艺有许多相似之处，如光刻、薄膜沉积、掺杂、刻蚀、化学机械抛光工艺等，但是有些复杂的微结构难以用IC 工艺实现，必须采用微加工技术制造。

微加工技术包括硅的体微加工技术、表面微加工技术和特殊微加工技术。

体加工技术是指沿着硅衬底的厚度方向对硅衬底进行刻蚀的工艺，包括湿法刻蚀和干法刻蚀，是实现三维结构的重要方法。

表面微加工是采用薄膜沉积、光刻以及刻蚀工艺，通过在牺牲层薄膜上沉积结构层薄膜，然后去除牺牲层释放结构层实现可动结构。

除了上述两种微加工技术以外，MEMS制造还广泛地使用多种特殊加工方法，其中常见的方法包括键合、LIGA、电镀、软光刻、微模铸、微立体光刻与微电火花加工等。

应用材料：硅基材料：大部分集成电路和MEMS的原材料是硅(Si)，这个神奇的VI族元素可以从二氧化硅中大量提取出来。

而二氧化硅是什么？说的通俗一点，就是沙子。

沙子君在经历了一系列复杂的加工过程之后，就变成了单晶硅，长这个样子：这个长长的大柱子，直径可以是 1 inch (2.5 cm) 到 12 inch (30 cm)，被切成一层层500 微米厚的硅片（英文：wafer，和威化饼同词），长这个样子：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。

干货：有关MEMS的最详细介绍虽然大部分人对于MEMS（Microelectromechanical systems，微机电系统/微机械/微系统）还是感到很陌生，但是其实MEMS在我们生产，甚至生活中早已无处不在了，智能手机，健身手环、打印机、汽车、无人机以及VR/AR头戴式设备，部分早期和几乎所有近期电子产品都应用了MEMS器件。

MEMS是一门综合学科，学科交叉现象及其明显，主要涉及微加工技术，机械学/固体声波理论，热流理论，电子学，生物学等等。

MEMS器件的特征长度从1毫米到1微米，相比之下头发的直径大约是50微米。

MEMS传感器主要优点是体积小、重量轻、功耗低、可靠性高、灵敏度高、易于集成等，是微型传感器的主力军，正在逐渐取代传统机械传感器，在各个领域几乎都有研究，不论是消费电子产品、汽车工业、甚至航空航天、机械、化工及医药等各领域。

常见产品有压力传感器，加速度计，陀螺，静电致动光投影显示器，DNA扩增微系统，催化传感器。

MEMS的快速发展是基于MEMS之前已经相当成熟的微电子技术、集成电路技术及其加工工艺。

MEMS往往会采用常见的机械零件和工具所对应微观模拟元件，例如它们可能包含通道、孔、悬臂、膜、腔以及其它结构。

然而，MEMS器件加工技术并非机械式。

相反，它们采用类似于集成电路批处理式的微制造技术。

批量制造能显著降低大规模生产的成本。

若单个MEMS传感器芯片面积为5 mm x 5 mm，则一个8英寸（直径20厘米）硅片（wafer）可切割出约1000个MEMS传感器芯片（图1），分摊到每个芯片的成本则可大幅度降低。

因此MEMS商业化的工程除了提高产品本身性能、可靠性外，还有很多工作集中于扩大加工硅片半径（切割出更多芯片），减少工艺步骤总数，以及尽可能地缩传感器大小。

图1. 8英寸硅片上的MEMS芯片（5mm X 5mm）示意图图2. 硅片，其上的重复单元可称为芯片（chip 或die）。

mems设计知识点随着科技的不断发展，微电子机械系统（MEMS）在各个领域都发挥着重要的作用，并在传感器、生物医学、通信、能源等方面得到广泛应用。

要想设计出高性能的MEMS设备，需要掌握一些关键的知识点。

本文将介绍几个重要的MEMS设计知识点，以帮助读者更好地理解和应用MEMS技术。

一、传感器设计传感器是MEMS技术中最常见的应用之一。

传感器的设计要考虑到灵敏度、稳定性和可靠性等方面的要求。

首先，需要选择合适的传感原理，如压阻效应、电容效应或压电效应等。

其次，还需设计合适的结构和材料，以提高传感器的灵敏度和响应速度。

最后，需要考虑传感器与电路的集成，以实现信号的放大和处理。

二、微加工技术MEMS设备的制造通常使用微加工技术，包括光刻、薄膜沉积、湿法刻蚀和离子刻蚀等。

光刻是一种重要的工艺步骤，用于制作微米级的结构。

薄膜沉积可用于制备薄膜材料，如硅、氧化物和金属等。

湿法刻蚀和离子刻蚀可以用于加工微结构和形成微通道等。

在微加工过程中，还需要考虑工艺参数的选择和控制，以确保制备出高质量的MEMS设备。

三、力学建模与仿真力学建模与仿真是MEMS设计的重要工具，可以用于预测和分析器件的性能。

通过建立力学模型，可以计算并优化MEMS设备的结构和参数。

常用的力学建模工具包括有限元分析（FEA）和多体动力学模拟等。

通过仿真可以评估器件的力学性能、热响应和耦合效应，为设计优化提供有力支持。

四、封装和包装技术MEMS设备在使用时需要进行封装和包装，以保护芯片和连接电路，并提供外界与之交互的接口。

封装和包装技术的选择要考虑到设备的特性和应用的需求。

常见的封装和包装方法有无铅焊接、焊点球压制和芯片封装等。

同时，还需要考虑温度稳定性、环境适应性和机械强度等因素，以保证MEMS设备的可靠性和长寿命。

五、测试与验证MEMS设计完后，需要进行测试和验证以评估其性能和可靠性。

常见的测试方法包括静态和动态测试，如静态电特性测试、机械特性测试和温度特性测试等。

MEMS概述孙舒畅生物与农业工程学院45090120一，MEMS的含义MEMS是英文Micro Electro Mechanical systems的缩写，即微电子机械系统。

微电子机械系统(MEMS)技术是建立在微米/纳米技术（micro/nanotechnology）基础上的21世纪前沿技术，是指对微米/纳米材料进行设计、加工、制造、测量和控制的技术。

它可将机械构件、光学系统、驱动部件、电控系统集成为一个整体单元的微型系统。

这种微电子机械系统不仅能够采集、处理与发送信息或指令，还能够按照所获取的信息自主地或根据外部的指令采取行动。

它用微电子技术和微加工技术(包括硅体微加工、硅表面微加工、LIGA和晶片键合等技术)相结合的制造工艺，制造出各种性能优异、价格低廉、微型化的传感器、执行器、驱动器和微系统。

二，MEMS的特点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。

MEMS陀螺仪概况介绍MEMS陀螺仪是一种运用微机电系统（Micro-Electro-Mechanical System，MEMS）技术制造的陀螺仪。

MEMS陀螺仪的发展与传统机械陀螺仪相比，具有体积小、重量轻、功耗低、精度高、成本低等优势，因此在无线通信、导航定位、智能手机、游戏机、航空航天等领域得到了广泛的应用。

从原理上来说，MEMS陀螺仪是利用陀螺效应进行测量的。

根据陀螺效应，当陀螺体受到力矩作用时，会产生旋转运动，并随着陀螺体的旋转方向发生改变。

MEMS陀螺仪利用微加工技术制造出微小的陀螺体结构，通过测量陀螺体旋转的角速度来反映外界的力矩。

MEMS陀螺仪的核心部件是微机电系统传感器芯片。

该芯片由陀螺体、补偿机构和信号处理器组成。

陀螺体采用微机电技术制造，通常由微小的旋转结构和驱动电极组成。

补偿机构可以校正陀螺仪在使用过程中的误差，如温度漂移、震动干扰等。

信号处理器对传感器采集到的信号进行放大、滤波和数字化处理，最终输出测量结果。

MEMS陀螺仪主要应用于姿态控制、导航定位和惯性测量等领域。

在无人机、无线通信基站和汽车电子中，MEMS陀螺仪可以感知设备的姿态变化，并通过控制其他执行器实现稳定的定位和姿态控制。

在导航定位系统中，MEMS陀螺仪结合其他传感器如加速度计和磁力计，可以提供高精度的导航定位信息。

在惯性测量领域，MEMS陀螺仪可以用于测量物体的转动角速度，如飞行器的姿态角速度、旋转仪的角速度等。

然而，MEMS陀螺仪也存在一些挑战与局限性。

首先，由于微加工技术的限制，MEMS陀螺仪的测量范围和分辨率相对较小。

其次，由于设备内部结构的微小化，MEMS陀螺仪对温度变化和震动的敏感度较高，容易产生误差。

此外，MEMS陀螺仪在长时间运行过程中，由于不可避免的温度漂移和机械疲劳等因素，测量精度也会逐渐下降。

为了克服这些局限性，研究人员提出了一系列改进措施。

例如，通过增加补偿机构和算法优化，可以有效降低温度漂移和震动干扰对MEMS陀螺仪测量精度的影响。