微型机械系统
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微机电系统
微机电系统制造工艺史微机电系统（Micro Electro-Me-chanical Systems，MEMS）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。
微机电系统是微米大小的机械系统，其中也包括不同形状的三维平板印刷产生的系统。
这些系统的大小一般在微米到毫米之间。
在这个大小范围中日常的物理经验往往不适用。
比如由于微机电系统的面积对体积比比一般日常生活中的机械系统要大得多，其表面现象如静电、润湿等比体积现象如惯性或热容量等要重要。
它们一般是由类似于生产半导体的技术如表面微加工、体型微加工等技术制造的。
其中包括更改的硅加工方法如压延、电镀、湿蚀刻、干蚀刻、电火花加工等等。
①微机电系统制造发展历程：19世纪照相制版;1951年显像管遮蔽屏(美国RCA公司)(光学应用);1952年表面微加工专利2749598(美);1954年压阻效应;1962年晶体的异向腐蚀;1963年半导体压力计(日本丰田中央研究所);1967年振动门晶体管(美国Westinghouse公司)(牺牲层腐蚀);1968年阳极键合(美国Mallory公司);1969年基于掺杂浓度的腐蚀;1970年硅微电极(斯坦福大学);1973年内窥镜用硅压力传感器(斯坦福大学);1974年集成气相质谱仪(斯坦福大学);1979年集成压力传感器(密西根大学);1982年LIGA工艺(德国原子力研究所);1986年硅反馈式加速度计(瑞士CSEM);1986年集成流量控制器(日本东北大学);1987年微齿轮等(美国加州大学伯克利分校，贝尔研究所);1987年微静电微马达(加州大学伯克利分校，Yu-Chong Tai，Long-Sheng Fan)。
发展阶段：硅微传感器阶段：1963年日本丰田研究中心制作出硅微压力传感器。
微机电系统结构
微机电系统结构
微机电系统（MEMS）是一种将微电子技术与机械工程结合的微型系统。
它的结构主要包括以下几个部分：
1.微传感器：这是MEMS的最基本组成部分，用于感知外部信号，如温度、
压力、声音等，并将其转换为可处理的电信号。
2.微执行器：这是MEMS的另一重要组成部分，负责将电能转换为机械能，
以实现驱动、控制等功能。
3.信号处理电路：为了对微传感器采集的信号进行处理，MEMS还包括相应
的信号处理电路，以便对信号进行放大、滤波、模数转换等处理。
4.通信接口：MEMS系统通常还需要一个通信接口，以便将MEMS传感器采
集的数据传输到外部设备或系统中。
5.电源：为使MEMS系统正常工作，通常需要为其提供电源。
这可以是内部
电池，也可以是外部电源。
6.封装：MEMS系统需要进行封装，以保护其内部的微机械结构和电路等免
受外界环境的影响。
封装可以采用各种材料和技术，以满足不同的应用需求。
MEMS系统的结构可以根据需要进行定制，以满足特定的应用需求。
其微型化的特点使得MEMS在许多领域都具有广泛的应用前景，如汽车、医疗、航空航天等。
微电子机械系统MEMS概述
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。
微机电系统技术及应用
微机电系统技术及应用微机电系统技术（Micro-Electro-Mechanical Systems，MEMS）是指一种集成微型机械、电子和计算机技术的系统，它利用微型加工技术将传感器、执行器和电子元器件等多种功能集成到一个芯片上，从而实现在微小空间内进行感测、信号处理和控制的复杂系统。
自20世纪80年代以来，MEMS技术在各个领域得到了广泛的应用，成为现代科技进步的重要方向之一。
一、MEMS技术的基本原理MEMS技术的实现基于微机械制造技术，即利用光刻、蚀刻、离子注入、薄膜沉积、微调工艺等多种微加工技术，在硅基底板上制造出微型机械和微型电子元器件，将它们集成在一起实现控制系统的复杂功能。
常见的MEMS元件包括传感器和执行器两类。
传感器一般是将物理量转换成电信号输出的元件，MEMS传感器主要有压力传感器、加速度传感器、角速度传感器、温度传感器、化学传感器等，它们的结构和工作原理各不相同。
以加速度传感器为例，它主要是通过微型悬臂等结构感受加速度的作用，在振动部件上加上感应电极，利用柔性连接器将机械运动转化成电信号输出。
执行器是将电信号转换成物理运动的设备，MEMS执行器主要有微型电机、微泵、微阀门和微喷头等。
以微型电机为例，它主要包括固定部件和旋转部件，其结构具有一定的复杂性。
电机的旋转部件通常采用转子-定子结构，采用MEMS技术可以制造出特殊形状的转子并将其悬挂在薄膜支撑结构上，转子与定子之间通过电容传感器实现控制，电容传感器输出的信号被用于控制电机的转速和方向。
二、MEMS技术的应用领域MEMS技术的应用范围非常广泛，包括空间、军事、医疗、汽车、电子信息等多个领域，在以下几个方面得到了广泛应用。
1.传感器MEMS传感器可以感测体积小、重量轻、功耗低、响应速度快、精度高等诸多优点，使之成为传感器领域的重要技术。
它广泛应用于汽车行业、工业自动化控制、医疗设备等领域，如安全气囊用于汽车碰撞检测、指纹识别传感器、手机加速度传感器等。
微机电系统在航空航天领域中的应用研究
微机电系统在航空航天领域中的应用研究微机电系统（MEMS）是一种小型化、多功能化的微型机械和电学元件系统，其尺寸通常在微米到毫米的范围内。
MICRO-Electro-Mechanical Systems（微机电系统）是一个新兴的交叉学科领域，它不仅涉及微机械工程和电学工程，还涉及材料科学、力学工程、光学、生物医学工程等领域。
在航空航天领域，MEMS 的应用研究具有广阔的前景和巨大的潜力。
一、MEMS在航空航天领域的应用1. 惯性导航系统MEMS惯性导航系统是一种集成MEMS加速度计和MEMS陀螺仪的惯性导航系统。
该系统具有体积小、重量轻、功耗低、成本低、可靠性高、抗振动能力强等特点，可以实现飞行器的精确定位、姿态控制和目标跟踪等功能。
2. 气动力测试MEMS气动力测试是一种利用MEMS传感器进行气动力性能测试的技术。
通过在飞机模型上安装MEMS压力传感器，实时测量飞机表面的气动力参数，从而优化飞机外形设计，提高飞行性能和安全性。
3. 空气质量检测MEMS空气质量检测是一种利用MEMS传感器对空气中的温度、湿度、气压、气体浓度和颗粒物浓度等参数进行实时监测的技术。
该技术可以用于飞机内部环境的监测和控制，确保航空器内部空气质量合格，保障旅客健康安全。
4. 压力传感MEMS压力传感是一种利用MEMS传感器对飞机机舱、燃料系统、液压系统等关键部位的液压压力进行实时监测的技术。
通过对液压系统进行实时监测，可以及时发现并处理液压系统故障，提高飞机系统的可靠性和安全性。
二、MEMS在航空航天领域的研究和发展方向1. 新型MEMS传感器的研制目前，MEMS传感器的研制主要集中在加速度传感器、陀螺仪、压力传感器等方面。
未来的研究方向将扩展到温度、湿度、气体浓度和颗粒物浓度等环境参数的实时监测。
2. MEMS技术在航空航天领域的融合创新MEMS技术可以与光学、纳米技术、智能材料等相关领域的技术相结合，形成更加完备的航空航天领域传感和控制系统。
微型机电系统技术及应用研究
微型机电系统技术及应用研究一、微型机电系统技术的概述微型机电系统（MEMS）是一种结合微电子技术和机械工程学的新型领域，其通过微型化的设计和制造技术，将传统机械结构和微电子器件相结合，形成了微小的机电一体化系统。
微型机电系统技术是一门综合性技术，涵盖了微电子、纳米技术、微流体技术、光学技术、机电一体化技术等多个学科的知识。
它主要应用于机械传感器、微型电子器件、模拟信号处理器、微型加速度计等领域。
二、微型机电系统技术的工艺流程（一）MEMS芯片的设计MEMS芯片的设计过程是从需求分析、系统设计、器件设计、工艺设计、布图设计等方面入手进行的。
需要建立实体模型、分析模型，进行仿真和测试，并不断优化和改进设计。
（二）MEMS芯片的制造MEMS芯片的制造过程一般包括深度反相模法、LIGA工艺、光刻、涂覆、光阻显影、等离子刻蚀、熔合碳化硅、薄膜沉积、蚀刻等多个步骤。
（三）MEMS芯片的封装MEMS芯片的封装是保护器件、连接器件与外部电路的必要措施。
封装过程可以分为晶圆封装和单晶封装两种方式，包括封装底座、焊接、固定器件等多个步骤。
三、微型机电系统技术的应用研究（一）机械传感器微型机械传感器是MEMS技术应用最为广泛的领域，目前已广泛用于医疗、环境、军事、交通等领域。
例如，在医疗领域中，MEMS传感器可用于实时监测病人的脉搏、血压和呼吸等生命体征，为医护人员提供即时的信息。
（二）微型电子器件微型电子器件是MEMS技术的另一个重要应用方向，包括MEMS振荡器、MEMS电容器等。
这些器件的微型化和集成化将会使一些电子设备大幅度缩小，例如手机和手表等。
（三）模拟信号处理器模拟信号处理器是利用MEMS技术构建的一种新型信号处理器，可以将模拟信号进行转换、增强和分析等处理，广泛应用于工业自动化、环境监测、生命科学等领域。
（四）微型加速度计微型加速度计是MEMS技术在工业领域中的应用之一，可以实现对工业设备振动、冲击等数据的监测和控制，对于提高设备的精度和可靠性有非常重要的作用。
MEMS微机电系统(Micro-Electro-Mechanical Systems)
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主要包括微型机构、微型传感器、微型执行器和相应的处理电路等几部分，它是在融合多种微细加工技术，并应用现代信息技术的最新成果的基础上发展起来的高科技前沿学科。
MEMS技术的发展开辟了一个全新的技术领域和产业，采用MEMS技术制作的微传感器、微执行器、微型构件、微机械光学器件、真空微电子器件、电力电子器件等在航空、航天、汽车、生物医学、环境监控、军事以及几乎人们所接触到的所有领域中都有着十分广阔的应用前景。
MEMS技术正发展成为一个巨大的产业，就象近20年来微电子产业和计算机产业给人类带来的巨大变化一样，MEMS也正在孕育一场深刻的技术变革并对人类社会产生新一轮的影响。
目前MEMS市场的主导产品为压力传感器、加速度计、微陀螺仪、墨水喷咀和硬盘驱动头等。
大多数工业观察家预测，未来5年MEMS器件的销售额将呈迅速增长之势，年平均增加率约为18%，因此对对机械电子工程、精密机械及仪器、半导体物理等学科的发展提供了极好的机遇和严峻的挑战。
MEMS是一种全新的必须同时考虑多种物理场混合作用的研发领域，相对于传统的机械，它们的尺寸更小，最大的不超过一个厘米，甚至仅仅为几个微米，其厚度就更加微小。
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。
采用与集成电路（IC）类似的生成技术，可大量利用IC生产中的成熟技术、工艺，进行大批量、低成本生产，使性价比相对于传统“机械”制造技术大幅度提高。
微机电系统-MEMS简介_图文
分析和遗传诊断 ,利用微加工技术制造各种微泵、微阀、微摄子、微沟槽、
微器皿和微流量计的器件适合于操作生物细胞和生物大分子。所以,微机械
在现代医疗技术中的应用潜力巨大,为人类最后征服各种绝症延长寿命带来
了希望。
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OMOM智能胶囊消化道内窥镜系统
• 金山科技集团研制的胶囊内镜
“胶囊内镜”是集图像处理、信息通讯、光电工程、生物医 学等多学科技术为一体的典型的微机电系统（MEMS） 高科技产品，由智能胶囊、图像记录仪、手持无线监视 仪、影像分析处理软件等组成。
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微射流MEMS技术应用于糖尿病治疗.
这个一次性胰岛素注射泵融合了Debiotech的胰岛素输注系统技术和ST的微射流 MEMS芯片的量产能力。纳米泵的尺寸只有现有胰岛素泵的四分之一. 微射流技术还能 更好地控制胰岛素液的注射量，更精确地模仿胰岛自然分泌胰岛素的过程，同时还能检 测泵可能发生的故障，更好地保护患者的安全。 成本非常低廉。
微机电系统-MEMS简介_图文.ppt
MEMS定义
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。
胆固醇,可探测和清除人体内的癌细胞 ,进行视网膜开刀时 ,大夫可将遥控机
器人放入眼球内,在细胞操作、细胞融合、精细外科、血管、肠道内自动送
药等方面应用甚广。
MEMS的微小可进入很小的器官和组织和能自动地进行细微精确的操作的特
点 ,可大大提高介入治疗的精度 ,直接进入相应病变地进行工作 ,降低手术风
mems微机电系统名词解释
mems微机电系统名词解释MEMS（Micro-Electro-Mechanical Systems，微机电系统）是一种集成微型机械、电子与传感器功能于一身的微型设备。
它结合了传统的机械制造技术、半导体工艺和微纳米技术，将微型机械部件、传感器、电子电路以及微纳加工技术集成在一个晶圆上，以实现微型化、多功能化和集成化的目标。
以下是一些与MEMS相关的名词解释：1. 传感器（Sensor）：一种能够感知并转换外部物理量、化学量或生物量的设备，可以将感应到的物理量转化为电信号。
2. 执行器（Actuator）：一种能够接收电信号并将其转化为相应的机械运动的设备，用来实现对外界的控制或作用。
3. 微型机械（Micro-Mechanical）：指尺寸在微米或纳米级别的机械部件，由微细加工技术制造而成，具有微小、精确和高效的特点。
4. 纳米技术（Nanotechnology）：一种研究和应用物质在纳米尺度下的特性、制备和操作的技术，常用于MEMS器件的加工制造。
5. 惯性传感器（Inertial Sensor）：一种基于测量物体运动状态和变化的MEMS传感器，如加速度计和陀螺仪。
6. 压力传感器（Pressure Sensor）：一种可以测量气体或液体压力的MEMS传感器，常用于汽车、医疗、工业等领域。
7. 加速度计（Accelerometer）：一种测量物体在空间中加速度的MEMS传感器，常用于移动设备、运动检测等应用。
8. 微镜（Micro-Mirror）：一种利用MEMS技术制造的微型反射镜，通常用于显示、成像和光学通信等应用。
9. 微流体器件（Microfluidic Device）：一种用于实现微小流体控制的MEMS器件，常用于生化分析、药物传递和微生物学研究等领域。
10. 无线传感器网络（Wireless Sensor Network）：一种由多个分布式的MEMS传感器节点组成的网络系统，可以实现对环境信息的实时采集、处理和通信。
微机电系统的设计与制造
微机电系统的设计与制造一、引言微机电系统指的是利用微加工技术、微电子技术、微机电传感器技术等多种技术手段，将微小机械结构、电路、感应器件、电影片等多种微观部件集成于某些芯片上，形成一种微型机械系统。
微机电系统具有结构精细、响应灵敏、功耗低等特点，在医学、环保、通讯等领域具有广泛的应用前景。
二、设计流程微机电系统设计分为前端设计和后端设计两个阶段。
1.前端设计：前端设计主要是进行初始概念设计、设计评估和需求分析等工作。
主要内容包括：（1）系统功能和性能规格的确定：要对系统的功能和性能作出明确的规格要求。
这些规格要求必须能够确保系统能够实现预期的功能。
（2）系统结构设计：要根据系统的功能、性能规格要求以及应用环境等因素，设计出系统的结构框架，并建立相应的模型。
（3）模拟与仿真：在前端设计阶段，要进行模拟与仿真工作，以验证系统结构设计的正确性和可行性。
2.后端设计：后端设计是指在前端设计完成之后，进行硬件设计、软件设计、制造和测试等工作。
主要内容包括：（1）硬件设计：根据前端设计阶段中得到的系统结构框架，进行电路设计和布板设计。
（2）软件设计：根据系统功能和性能规格要求，设计专门的软件程序和控制算法。
（3）制造和测试：利用微加工技术等技术手段，进行微机电结构的制造；对制造出的结构进行测试，并对测试结果进行分析和评估。
三、制造流程微机电系统的制造涉及到化学加工、物理加工、微电子加工等多种加工技术。
微机电系统的制造流程包括以下几个环节：1.晶圆制备：利用微电子加工技术，在晶片上制备出微机电传感器和电路等结构。
2.前处理：用粗加工技术，如光刻、腐蚀等方法进行表面处理。
3.中间处理：采用细加工技术，如离子束刻蚀、等离子体蚀刻等方法进行加工。
4.后处理：对前两个步骤得到的制品进行表面涂层、并进行切割和抛光等处理。
5.装配：对制品进行装配组装，并对整个微机电系统进行测试。
四、应用领域微机电系统是近年来发展迅速的技术领域，其应用领域主要包括：1.医学领域：微机电系统可以用于生物传感器、微流体芯片、可植入医疗器械等诸多应用领域，例如纳米药物输送系统、人工耳蜗、生物芯片等。
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收稿日期: 1999—12—05 基金项目: 国家自然科学基金资助重大项目(59235110)
论会, 许多微型机电系统的先驱者参与了这次会 议。其后来自M IT、B erkeley、Stanfo rd、A T &T 和 N SF 的 15 名科学家提出了《小机器, 大机遇: 关于 新兴领域—— 微动力学的报告》的国家计划建议 书, 并声称:“由于微动力学(微系统) 在美国的紧迫 性, 应该在这样一个新的重要技术领域与其他国家 的 竞争中走在前面”。美国 N SF 启动了第一个 M EM S 计划, 美国国防部先进研究计划署 (T he
国际微型机电系统的学术会议和参加人数多, 除M EM S 和 T ran sducers 会议外, 又出现了一些 专门的会议, 如汽车微系统、生物芯片技术、微化学 分析系统、微机器人、微小卫星, 等等。关于M EM S 发展应用和产业化预测的文章和报告也逐渐增加, 出现了世界性或地区性 (如欧洲) 的产业化讨论会
微型机电系统 —— 周兆英 王晓浩 叶雄英等
文章编号: 100电系统
周兆英 王晓浩 叶雄英 王伯雄 李 莎 刘卫丹
摘要: 分析了微型机电系统的特点、主要科学技术问题、应用和市场。 预计到 2003 年微小系统的市场约为 400 亿美元, 是商用航空业的一半。 简介 了我国的研究情况。国际上微型机电系统技术刚走向全面发展, 正是我国发展 该领域的好时机。
(4) 微系统材料 这是一个重要的研究课题, 包括半导体、金属、陶瓷、聚合物、特种玻璃、石英和 钻石等。 表面性能优的薄膜材料、微致动的功能材 料、微系统的光学材料 ( 如微小激光器材料、用于光 谱仪的分光复合材料和用于光波导的聚合物材料 等)、微能源材料, 等等。
( 5) 封装 这是M EM S 的关键技术, 如真空 封装、阻尼控制封装、多芯片封装 (M CM ) 工艺、硅 帽预封装技术, 等等。 有的封装可能占M EM S 价 格的 80% 以上。
( 6) 测试技术 包括M EM S 工艺、材料和结 构的各种特征参数测试, 以及M EM S 器件和系统 的动静态特性测试; M EM S 器件微弱信号和微小 物理量的测试技术。
(7 ) 可 靠 性 M EM S 可 靠 性 问 题 是 许 多 M EM S 实验室产品不能走向市场的原因之一。 M EM S 失效模型、系统级可靠性建模、可靠性的定 标和评价都是值得深入研究的课题。 3. 2 系统集成
议, 目的在于研究M EM S 的进展、促进其产业化 和研究微小化技术的经营策略。 估计到 2003 年 M EM S 的市场约为 400 亿美元, 是商用航空业的 一半。 有人用专利增长率来说明M EM S 的发展
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(见图 1) , 专利是一个领先的指标。专利代表 R &D 投资, 每个投资约 1000 万美元, 每个专利代表 200 多工作日。1996 年美国为 160 项, 每年增长 34% ; 世界专利为 180 项, 每年增长 37%。
1959 年美国物理学家、诺贝尔奖获得者 R. Feynm am 就提出微型机械的设想。1962 年微小器 件的先驱——硅微压力传感器问世, 其主要技术基 础是硅膜、压敏电阻和体硅腐蚀工艺。 其后用硅加 工方法开发出尺寸为 50 Λm～ 500 Λm 的齿轮、齿 轮泵、气动轮及连接件等微型机构。
1987 年美国加州大学伯克利分校研制出转子 直径为 60 Λm～ 120 Λm 的硅微静电电机, 主要技 术基础是牺牲层腐蚀工艺和静电驱动, 显示用硅微 加工方法可以制作三维可动的机电系统。 1987 年 10 月 9 日 IEEE 的机器人和自动化委员会组织讨
M EM S 带来了全新的概念, 改变现有系统把 信息获取、计算 (分析、判断或决策) 和执行功能分
割开来的状态。智能集成微系统( I2S) 是传感器(物 理、化学或生物的)、微结构、IC s、执行器和小型通 讯系统(R F、光学等) 的集成。智能微系统从本质上 是微机械和 IC 的组合。 硅微加速度计便是一个最 简单而成功的例子。它包括一个微加工的多晶硅梳 状结构 (0. 6 mm 2) 和在同一芯片上的B iM O S 信号 处理电路, 整个尺寸为 3 mm ×3 mm , 见图 4。它的
我们指的微型机电系统是一个广义的概念, 并 强调它是各种各样的微系统发展的技术平台。至少 出现了 F - M EM S 和M EM S- D 两类名称, 前者 表示用于各种领域的M EM S, 如 B ioM EM S, O p 2 toM EM S, Chem icM EM S, Pow erM EM S, IT 2 M EM S, …, 后者表示M EM S 的器件, 如M EM S - R F , M EM S - sw itch …。 也 可 以 被 称 作 R FM EM S, W irlessM EM S…。
( 2)M EM S 的产品设计 包括器件、电路、系 统和封装四方面的设计。 要开展设计、开发和制造 的并行工程, 开发包括微流体、电子、动力学、光学、 电磁场的复合 CAD 系统, 其仿真必须穿过域的壁 垒。M EM S CAD 至少有如下特点: 多学科交叉, 采 用快速有效算法; 作为联系掩膜、工艺和三维模型 的桥梁, 必须有结构仿真器;M EM S 的制造过程不 仅改变结构的几何轮廓, 还改变材料的性质, 影响 结构的电子和机械特性, 这种改变贯穿于整个制造 过程; 建立典型结构的设计软件包, 如加速度计的 梳状微结构、微泵的薄膜结构等, 以提高建模、仿真 的速度和精度。
中国机械工程第 11 卷第 122 期 2000 年 2 月
图 1 微型机电系统专利的增长
从微米 纳米技术研究的技术途径看,M EM S 是用光刻刻蚀等微细加工方法, 将大的材料割小, 形成结构或器件, 并与电路集成, 实现系统微型化, 亦称为由大到小 (top - dow n) 的途径; 另一种技术 途径是采用分子、原子组装技术的办法, 即把具有 特定理化性质的功能分子、原子, 借助分子、原子内 的作用力, 精细地组成纳米尺度的分子线、膜和其 它结构, 进而由纳米结构与功能单元集成为微系 统, 这称为由小到大 (bo ttom - up ) 的途径。在此尺 度下的物理、化学和力学特性与大尺寸材料有明显 的差异。
虽然第一个硅平面工艺专利发表于 1952 年, 但是直到 20 世纪 90 年代初, 才出现用硅平面工艺 生产带有信号处理电路的微型加速度计 (以AD 公 司为代表) , 主要设计基础是梳状结构和微电容检 测电路, 实现了微小机械结构与电路的一体化集 成。
近年来, 研究的兴趣不只在小型化, 而重视宏 微观领域内的多学科交叉, 发展出机、电、光、生、化 的多学科 Sy stem In teg ra t ion , Sy stem on Ch ip 和 L ab on Ch ip 的M EM S 广阔领域。
微型电子机械系统 (m icro electro - m echan i2 ca l sy stem s,M EM S) 是美国惯用词。M EM S 侧重 于用集成电路可兼容技术加工元器件, 把微电子和 微机械集成在一起。 它是指可以批量制作的, 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, 见图 2。 也有人称为微型光机电系统
(3)M EM S 的加工 该技术尚不完善, 还存在 着可加工的结构和材料限制, 复杂结构加工的可靠 性、成品率、可重复性还不理想。硅微加工工艺也不 全同于 IC 工艺, 正在不断地发展中, 如硅微静电电 机采用了三层结构、两次牺牲层工艺。 由多层模版 制作出三维可动机构。执行器直径约为 100 Λm , 转 子与定子的间隙约为 1 Λm～ 2 Λm , 当工作电压为 35 V 时, 转速达15 000 r m in。
2 定义
国际上对微型机电系统尚无严格的统一定义, 各国不同的名词强调了不同的方面, 在一定程度上 反映了其研究范围和侧重点。
日本 1988 年使用“微型机械”(m icrom ach2 ine) 一词, 它是从大机器到制造小机器而发展起来 的。 1989 年日本通产省把它用作国家大型计划的 名称。微型机械侧重于在不大于 1 cm 3 的体积内制 造复杂的机器。一些日本学者曾大致地这样划分: 1 mm～ 10 mm 为小型机械; 1 Λm～ 1 mm 为微型机 械; 将来有可能借助于生物工程和分子组装实现 1 nm～ 1 Λm 的纳米机械或分子机械。
这些不同的名词实际上指同一领域。国际电技 术 委 员 会 ( In terna t iona l E lect ro techn ica l Com 2 m ission ) 的定义强调了这种共性:“微系统是微米 量级内的设计和制造技术。 它集成了多种元件, 并 适 于 以 低 成 本 大 量 生 产。”有 人 通 称 M EM S M ST M icrom ach ine 技术为M 3 技术。
3 当前微型机电系统发展的特点
3. 1 制造创新 (1) 微制造技术是M EM S 发展的基础 起初
微机械结构是电器工程师做出来的, 后来机械、物 理、化学、生物的研究人员加入M EM S 的研究。目 前用于微型机电系统的三类主要微细加工技术是, 以硅表面加工和体加工为主的硅微细加工、利用 X
微型机电系统 —— 周兆英 王晓浩 叶雄英等
射线 光 刻、电 铸 的 L IGA 工 艺 ( 德 文 lithog rap h ga lvanfo rm ung und abfo rm ug 的缩写) 和精密机 械 加工 ( 如微细电火花加工 EDM 、超声波加工 等)。M EM S 对设计、材料、加工、机电系统集成、封 装、测试和可靠性技术都提出新的要求。
(m icro op to - elect ro - m echan ica l sy stem s, M O EM S)。
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近来, 欧洲把微系统 (m icro sy stem s,M ST ) 定 义为一种智能的微小系统, 它具有传感、信号处理 和 或致动功能, 通常组合了两个或多个电、机、光、 化学、生物、磁或其它特性的微型元器件, 集成为一 个或多个混合芯片。强调微系统技术的系统方面的 和多学科性质 (见图 3)。微全分析系统被称为m i2 cro to ta l ana ly sis sy stem s (ΛTA S)。
论会, 许多微型机电系统的先驱者参与了这次会 议。其后来自M IT、B erkeley、Stanfo rd、A T &T 和 N SF 的 15 名科学家提出了《小机器, 大机遇: 关于 新兴领域—— 微动力学的报告》的国家计划建议 书, 并声称:“由于微动力学(微系统) 在美国的紧迫 性, 应该在这样一个新的重要技术领域与其他国家 的 竞争中走在前面”。美国 N SF 启动了第一个 M EM S 计划, 美国国防部先进研究计划署 (T he
国际微型机电系统的学术会议和参加人数多, 除M EM S 和 T ran sducers 会议外, 又出现了一些 专门的会议, 如汽车微系统、生物芯片技术、微化学 分析系统、微机器人、微小卫星, 等等。关于M EM S 发展应用和产业化预测的文章和报告也逐渐增加, 出现了世界性或地区性 (如欧洲) 的产业化讨论会
微型机电系统 —— 周兆英 王晓浩 叶雄英等
文章编号: 100电系统
周兆英 王晓浩 叶雄英 王伯雄 李 莎 刘卫丹
摘要: 分析了微型机电系统的特点、主要科学技术问题、应用和市场。 预计到 2003 年微小系统的市场约为 400 亿美元, 是商用航空业的一半。 简介 了我国的研究情况。国际上微型机电系统技术刚走向全面发展, 正是我国发展 该领域的好时机。
(4) 微系统材料 这是一个重要的研究课题, 包括半导体、金属、陶瓷、聚合物、特种玻璃、石英和 钻石等。 表面性能优的薄膜材料、微致动的功能材 料、微系统的光学材料 ( 如微小激光器材料、用于光 谱仪的分光复合材料和用于光波导的聚合物材料 等)、微能源材料, 等等。
( 5) 封装 这是M EM S 的关键技术, 如真空 封装、阻尼控制封装、多芯片封装 (M CM ) 工艺、硅 帽预封装技术, 等等。 有的封装可能占M EM S 价 格的 80% 以上。
( 6) 测试技术 包括M EM S 工艺、材料和结 构的各种特征参数测试, 以及M EM S 器件和系统 的动静态特性测试; M EM S 器件微弱信号和微小 物理量的测试技术。
(7 ) 可 靠 性 M EM S 可 靠 性 问 题 是 许 多 M EM S 实验室产品不能走向市场的原因之一。 M EM S 失效模型、系统级可靠性建模、可靠性的定 标和评价都是值得深入研究的课题。 3. 2 系统集成
议, 目的在于研究M EM S 的进展、促进其产业化 和研究微小化技术的经营策略。 估计到 2003 年 M EM S 的市场约为 400 亿美元, 是商用航空业的 一半。 有人用专利增长率来说明M EM S 的发展
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(见图 1) , 专利是一个领先的指标。专利代表 R &D 投资, 每个投资约 1000 万美元, 每个专利代表 200 多工作日。1996 年美国为 160 项, 每年增长 34% ; 世界专利为 180 项, 每年增长 37%。
1959 年美国物理学家、诺贝尔奖获得者 R. Feynm am 就提出微型机械的设想。1962 年微小器 件的先驱——硅微压力传感器问世, 其主要技术基 础是硅膜、压敏电阻和体硅腐蚀工艺。 其后用硅加 工方法开发出尺寸为 50 Λm～ 500 Λm 的齿轮、齿 轮泵、气动轮及连接件等微型机构。
1987 年美国加州大学伯克利分校研制出转子 直径为 60 Λm～ 120 Λm 的硅微静电电机, 主要技 术基础是牺牲层腐蚀工艺和静电驱动, 显示用硅微 加工方法可以制作三维可动的机电系统。 1987 年 10 月 9 日 IEEE 的机器人和自动化委员会组织讨
M EM S 带来了全新的概念, 改变现有系统把 信息获取、计算 (分析、判断或决策) 和执行功能分
割开来的状态。智能集成微系统( I2S) 是传感器(物 理、化学或生物的)、微结构、IC s、执行器和小型通 讯系统(R F、光学等) 的集成。智能微系统从本质上 是微机械和 IC 的组合。 硅微加速度计便是一个最 简单而成功的例子。它包括一个微加工的多晶硅梳 状结构 (0. 6 mm 2) 和在同一芯片上的B iM O S 信号 处理电路, 整个尺寸为 3 mm ×3 mm , 见图 4。它的
我们指的微型机电系统是一个广义的概念, 并 强调它是各种各样的微系统发展的技术平台。至少 出现了 F - M EM S 和M EM S- D 两类名称, 前者 表示用于各种领域的M EM S, 如 B ioM EM S, O p 2 toM EM S, Chem icM EM S, Pow erM EM S, IT 2 M EM S, …, 后者表示M EM S 的器件, 如M EM S - R F , M EM S - sw itch …。 也 可 以 被 称 作 R FM EM S, W irlessM EM S…。
( 2)M EM S 的产品设计 包括器件、电路、系 统和封装四方面的设计。 要开展设计、开发和制造 的并行工程, 开发包括微流体、电子、动力学、光学、 电磁场的复合 CAD 系统, 其仿真必须穿过域的壁 垒。M EM S CAD 至少有如下特点: 多学科交叉, 采 用快速有效算法; 作为联系掩膜、工艺和三维模型 的桥梁, 必须有结构仿真器;M EM S 的制造过程不 仅改变结构的几何轮廓, 还改变材料的性质, 影响 结构的电子和机械特性, 这种改变贯穿于整个制造 过程; 建立典型结构的设计软件包, 如加速度计的 梳状微结构、微泵的薄膜结构等, 以提高建模、仿真 的速度和精度。
中国机械工程第 11 卷第 122 期 2000 年 2 月
图 1 微型机电系统专利的增长
从微米 纳米技术研究的技术途径看,M EM S 是用光刻刻蚀等微细加工方法, 将大的材料割小, 形成结构或器件, 并与电路集成, 实现系统微型化, 亦称为由大到小 (top - dow n) 的途径; 另一种技术 途径是采用分子、原子组装技术的办法, 即把具有 特定理化性质的功能分子、原子, 借助分子、原子内 的作用力, 精细地组成纳米尺度的分子线、膜和其 它结构, 进而由纳米结构与功能单元集成为微系 统, 这称为由小到大 (bo ttom - up ) 的途径。在此尺 度下的物理、化学和力学特性与大尺寸材料有明显 的差异。
虽然第一个硅平面工艺专利发表于 1952 年, 但是直到 20 世纪 90 年代初, 才出现用硅平面工艺 生产带有信号处理电路的微型加速度计 (以AD 公 司为代表) , 主要设计基础是梳状结构和微电容检 测电路, 实现了微小机械结构与电路的一体化集 成。
近年来, 研究的兴趣不只在小型化, 而重视宏 微观领域内的多学科交叉, 发展出机、电、光、生、化 的多学科 Sy stem In teg ra t ion , Sy stem on Ch ip 和 L ab on Ch ip 的M EM S 广阔领域。
微型电子机械系统 (m icro electro - m echan i2 ca l sy stem s,M EM S) 是美国惯用词。M EM S 侧重 于用集成电路可兼容技术加工元器件, 把微电子和 微机械集成在一起。 它是指可以批量制作的, 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, 见图 2。 也有人称为微型光机电系统
(3)M EM S 的加工 该技术尚不完善, 还存在 着可加工的结构和材料限制, 复杂结构加工的可靠 性、成品率、可重复性还不理想。硅微加工工艺也不 全同于 IC 工艺, 正在不断地发展中, 如硅微静电电 机采用了三层结构、两次牺牲层工艺。 由多层模版 制作出三维可动机构。执行器直径约为 100 Λm , 转 子与定子的间隙约为 1 Λm～ 2 Λm , 当工作电压为 35 V 时, 转速达15 000 r m in。
2 定义
国际上对微型机电系统尚无严格的统一定义, 各国不同的名词强调了不同的方面, 在一定程度上 反映了其研究范围和侧重点。
日本 1988 年使用“微型机械”(m icrom ach2 ine) 一词, 它是从大机器到制造小机器而发展起来 的。 1989 年日本通产省把它用作国家大型计划的 名称。微型机械侧重于在不大于 1 cm 3 的体积内制 造复杂的机器。一些日本学者曾大致地这样划分: 1 mm～ 10 mm 为小型机械; 1 Λm～ 1 mm 为微型机 械; 将来有可能借助于生物工程和分子组装实现 1 nm～ 1 Λm 的纳米机械或分子机械。
这些不同的名词实际上指同一领域。国际电技 术 委 员 会 ( In terna t iona l E lect ro techn ica l Com 2 m ission ) 的定义强调了这种共性:“微系统是微米 量级内的设计和制造技术。 它集成了多种元件, 并 适 于 以 低 成 本 大 量 生 产。”有 人 通 称 M EM S M ST M icrom ach ine 技术为M 3 技术。
3 当前微型机电系统发展的特点
3. 1 制造创新 (1) 微制造技术是M EM S 发展的基础 起初
微机械结构是电器工程师做出来的, 后来机械、物 理、化学、生物的研究人员加入M EM S 的研究。目 前用于微型机电系统的三类主要微细加工技术是, 以硅表面加工和体加工为主的硅微细加工、利用 X
微型机电系统 —— 周兆英 王晓浩 叶雄英等
射线 光 刻、电 铸 的 L IGA 工 艺 ( 德 文 lithog rap h ga lvanfo rm ung und abfo rm ug 的缩写) 和精密机 械 加工 ( 如微细电火花加工 EDM 、超声波加工 等)。M EM S 对设计、材料、加工、机电系统集成、封 装、测试和可靠性技术都提出新的要求。
(m icro op to - elect ro - m echan ica l sy stem s, M O EM S)。
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近来, 欧洲把微系统 (m icro sy stem s,M ST ) 定 义为一种智能的微小系统, 它具有传感、信号处理 和 或致动功能, 通常组合了两个或多个电、机、光、 化学、生物、磁或其它特性的微型元器件, 集成为一 个或多个混合芯片。强调微系统技术的系统方面的 和多学科性质 (见图 3)。微全分析系统被称为m i2 cro to ta l ana ly sis sy stem s (ΛTA S)。