微电子机械发展应用
- 格式：doc
- 大小：32.00 KB
- 文档页数：2
微电子机械的发展应用
0843021037 晏林俐机制3班
一、微电子机械概述
从20 世纪后期开始, 人类社会由工业经济时代逐渐步入知识经济时代, 在以高新技术为主要产业支柱, 以智力资源为主要依托的知识经济条件下, 制造业发生了根本性的变化。
传统的制造技术已变得越来越不适应当今社会快速变化的需要。
正是在这种情况下, 提出先进制造技术的概念: 先进制造技术是制造业不断吸收机械、电子、信息( 计算机与通信、控制理论、人工智能等) 、能源及现代系统管理等方面的成果, 并将其综合应用于产品设计、制造、检测、管理、销售、使用、服务以及回收的制造全过程, 以实现优质、高效、低耗、清洁、灵活生产, 提高对动态多变的产品市场的适应能力和竞争能力的制造技术的总称。
微电子系统【MEMS】是微电子技术基础上发展起来的多学科交叉的新兴学科，它以微电子以及机械加工技术为依托，范围涉及微电子学、机械学、力学、自动控制学、材料科学等多种工程技术和学科。
二、微电子机械技术的基础研究、特点和基本特征
理论基础研究是围绕着微尺度和学科渗透这些核心问题展开的。
当构件或系统的尺寸缩小到一定程度时, 许多物理现象与宏观世界相比, 就有很大的差别, 甚至发生质的变化。
在微小尺度领域, 与物体基本尺寸成高次方(三次方)的惯性力、电磁力会随着基本尺度的减小而快速下降, 与基本尺寸成低次方的粘着力、弹性力、表面张力、静电力等减小的速度会慢得多。
在许多情况下, 体积力可以忽略, 表面力成为对系统性能起主导影响作用的因素；构件尺度缩小使构件材料的固有缺陷减小, 弹性模量、屈服极限等机械性能明显提高, 构件相对运动时, 表面摩擦力、润滑膜粘滞力表现突出;在MEMS中, 所有的几何变形小(分子级) , 以至于结构内应力与应变之间的线性关系(虎克定律) 已不适用MEMS器件中摩擦表面的摩擦力主要是由表面之间的分子相互作用力引起的, 而不再是由载荷压力引起, 牛顿摩擦定律已不适用于MEMS系统。
因此, 需要重新进一步对微动力学、微流体力学、微热力、微摩擦学、微光学、微结构学、微电子学和微生物学等进行研究。
微机械是一个独立的智能系统, 主要由微驱动器、微传感器、微执行器、微处理器和微能源等基础要素组成。
一个微机械模型可分成几个独立的功能单元: 输入物理信号, 通过传感器转换为电信号, 经过信号处理( 模拟的或数字的) , 通过执行器与外界作用, 每一个微系统就可采用数字或模拟信号( 电、光、磁等物理量) 与其他微系统进行通信。
微机械的目的是通过微型化、集成化来探索新原理、新功能的元件和系统, 开辟一个新的技术领域和产业。
因此,微机械具有微型化、多样化和微电子化的特点。
采用微机械技术的微电子机械系统的器件主要以硅作为加工材料, 硅与硅化物具有难得的机械性能: 它的强度可以与钢相比, 并具有良好的加工性能。
硅又具有优良的电特性: 它的提纯、掺杂、结晶化技术是最成熟的, 使用硅材料容易将微机械加工与IC 兼容, 而硅又具有压电、霍尔、磁电、热敏等多种效应,利于制造各种传感器。
而这种材料非常丰富, 这就使制作器件的成本大幅度下降, 使得MEMS 器件可以大批量, 低成本。
微机械的一个重要特点是“微”, 而随之带来的是微机械的尺寸缩小所产生
的尺寸效应现象, 即随着尺寸缩小, 物理量并非等比例缩小, 当尺寸缩小到一定程度时, 宏观机械的模拟原理和相似理论不再适用。
所以微机械的特征和传统机械有很多不同之处。
微机械的基本特征为:
( 1) 微机械中起主导作用的力是表面力。
微型机械体积小、重量轻, 因此表面力与体积力相比成为主导作用的力。
故随着尺寸的缩小, 静电力与重力相比成为主导作用力, 所以微机械常用静电力驱动。
与普通机械相比, 摩擦力对微机械影响比重力更大一些。
( 2) 微机械并不是传统机械的模拟缩小。
设计微型机电系统并不是追求复杂的机械结构, 而是着眼于用多个简单的机械元件、传感器和人工智能的器件完成复杂的工作。
( 3) 在能源供给上, 如果微型机械系统具有移动和转动功能, 电缆就会成为运动的障碍, 所以微机械一般采用静电力供能。
或者使用静电力激励供能。
因此, 原有适用于传统机械的方法和原理对于微型机械已不再适用。
微机械的发展需用新理论、新方法来指导: 由于主要阻力的变化, 需要新的构造原理和控制方式; 由于运动学和动力学方程起主要作用的因素改变, 需要新的驱动方式; 由于微机械器件结构的微型化, 需要新的制造方式和方法。
三、微电子机械的发展
MEMS第一轮商业化浪潮始于20世纪70年代末80年代初，当时用大型蚀刻硅片结构和背蚀刻膜片制作压力传感器。
由于薄硅片振动膜在压力下变形，会影响其表面的压敏电阻曲线，这种变化可以把压力转换成电信号。
后来的电路则包括电容感应移动质量加速计，用于触发汽车安全气囊和定位陀螺仪。
第二轮商业化出现于20世纪90年代，主要围绕着PC和信息技术的兴起。
TI 公司根据静电驱动斜微镜阵列推出了投影仪，而热式喷墨打印头现在仍然大行其道。
第三轮商业化可以说出现于世纪之交，微光学器件通过全光开关及相关器件而成为光纤通讯的补充。
尽管该市场现在萧条，但微光学器件从长期看来将是MEMS一个增长强劲的领域。
目前MEMS产业呈现的新趋势是产品应用的扩展，其开始向工业、医疗、测试仪器等新领域扩张。
推动第四轮商业化的其它应用包括一些面向射频无源元件、在硅片上制作的音频、生物和神经元探针，以及所谓的'片上实验室'生化药品开发系统和微型药品输送系统的静态和移动器件。
四、未来展望
微机械加工技术发展到现在已能制出各种类型的微机械, 但还未能像微电子那样达到标准化大生产的程度。
除少数微传感器外, 大部分微机械还处于研制阶段, 即基本上是针对某一具体应用而开发研制的产品, 其规格、性能尚难标准化, 因之产品缺乏通用性。
但随着微细加工技术的日益进步和社会需求的日益紧迫, 像微电子那样达到标准化大生产迟早会到来。
总而言之, 崭露头角的微机械技术标志着人类征服自然的努力已进入一个新的层次, 由um 层次深入到nm 层次。
正像产业革命、抗菌素、核能以及微电子的出现和应用所产生的巨大影响一样, 微机械技术将使人类认识和改造世界能力的得到重大突破, 从而给社会的各个方面带来深远的影响。
