第二章MEMS基础-1

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。

一、MEMS基本常识1、MEMS的特征尺寸范围1um~1mm2、MEMS的本质特征——小型化、微电子集成、批量制造3、摩尔定律——集成电路芯片的集成度每三年提高4倍，而加工特征尺寸缩小根号2倍4、Accelerometer(加速度计)；Near field microscopy(近场显微镜)；Resonant sensor(谐振传感器)5、MEMS技术的构成：微制造、微器件和微系统6、半导体中两种自由载流子：电子和空穴7、单晶硅单位晶体中原子总数：188、单晶硅常用于MEMS衬底材料，其应用普遍性主要的原因是什么？它的力学性能稳定，并且可被集成到相同衬底的电子器件上。

硅几乎是理想的结构材料。

它的熔点为1400摄氏度。

它的热膨胀系数比钢小八倍。

最重要的是，硅在事实上没有迟滞，因此是理想的传感器和致动器的理想候选材料。

9、MEMS中的核心元件一般包括哪两个部分：传感器和信号传输单元10、就微系统而言，化学性能最稳定的材料是碳化硅；最便宜的热和电绝缘材料是二氧化硅11、哥氏效应、Sagnac效应：哥氏效应：质点作圆周运动的同时也作径向运动或圆周运动时，会产生一个分别垂直于这两轴方向的作用力，叫做哥氏力。

哥氏力的大小为F=2mwuSagnac效应：将同一光源发出的一束光分解为两束，让它们在同一个旋转环路内沿相反方向循环行一周后会合，产生相位差发生干涉。

二、微传感器与微执行器1、传感器的基本工作原理是：将一种能量信号转换为另一种能量信号；执行器的基本工作原理是：通过机电转换结构将电学控制信号转化为机械动作。

2、传感器中力-电转换机理通常有压阻式、电容式、谐振式、隧道式、压电式3、测量微压力传感器中薄膜的变形方法：电子方法4、微传感器按传感机理分：压阻、压电、隧道、电容、谐振、热对流；按物理参数分类：力(加速度/压力/声)、热（热电偶/热阻）、光（光电类）、电磁（磁强计）、化学和生物医学（血糖/电容化学/化学机械）5、利用半导体光电导效应可制成光敏电阻，其基本原理是：辐射时半导体材料中的电荷载流子（包括电子和空穴）的增殖使其电阻率发生变化6、隧道电流敏感原理：在距离十分接近的隧道探针与电极之间加一个偏置电压，当针尖和电极之间的距离接近纳米量级时，电子就会穿过两者之间的势垒，形成隧道电流。

第二章 MEMS基础理论在微观世界，许多物理现象同宏观世界相驳，这可由尺寸效应来解释。

所谓尺寸效应是指当物体的尺寸L改变时，种种的物理量比例于L n而变化的现象。

比如，在空中举着的物体手离开时会下落这一宏观世界的常识对蒲公英的种子或者眼睛看不到的灰尘却不适应，由于它们质量非常轻，作用在其表面的空气的摩擦力使其在空中浮游。

另以潜水艇为例，它通常靠螺旋桨旋转向后搅动水，依靠反作用的惯性力动作，此时作用在潜水艇表面的水的黏性摩擦表现为阻力。

在宏观世界，惯性力对摩擦力的比(即雷诺数)非常大，螺旋桨可用作推进器。

但是，若将潜水艇微缩到针头大小时，螺旋桨即使转动潜水艇也难以前行，这是由于在微观世界雷诺数接近或小于1，摩擦力处于支配地位，在水中螺旋桨犹如在高粱饴中转动，当然不能前行。

事实上，观察有些细菌可知，它们带有螺旋状长长的鞭毛，尤如软木塞起盖器一样边旋转边前行而非简单的转动。

在微观世界，热交换和化学反应等尤为迅速。

生活中以煮萝卜为例，整根萝卜放入锅里很难煮熟，也不入味，若将萝卜切成碎块则易熟易入味，能很快端上餐桌，这是由于热交换或化学反应速率正比于物体的表面积。

通常人们认为铁不会燃烧，但是若将铁研磨成超级粉末，其表面积大大增加在空气中会燃烧起来。

同理为了提高火药(它的英文是powder,原意指粉末)爆炸的威力，一般尽可能使原料搅拌均匀并研磨成细粉状。

另外，在微观世界里液体表面的张力也不能忽视。

对微机械而言，由于尺寸极其微小，传统的能源驱动方式难以奏效，需要利用一些新型驱动方式，如静电驱动、压电驱动或热膨胀力驱动等。

另外，从微制造工艺的特点考虑，通常使用硅或改性硅作为机械材料，有时也根据需要使用一些其他材料。

2.1尺寸效应随着器件或系统的尺寸缩小，它们的性能如何变化？表2-1汇总了一些物理量随长度L(代表尺寸)变化的关系式和尺寸效应。

通常，体积或质量比例于L3，运动方程式中外力等于惯性力f i和摩擦力f f的和，惯性力和黏性力分别比例于L4和L2。

《MEMS技术》考试知识点
第一章 MEMS和微系统概论
1、重点掌握MEMS技术的基本概念、历史与发展
2、掌握微电子技术、MEMS和微系统的区别
3、熟悉MEMS和微系统的应用
第二章微系统的工作原理
1、掌握微传感器的灵敏度、量程、频率响应等基本概念
2、熟练掌握压阻、电容、隧道、压电、谐振以及热对流式工作原理与检测方式
3、掌握静电驱动器、压电、电磁、形变记忆合金、热等驱动器的工作原理第七章用于MEMS和微系统的材料
1、掌握半导体材料单晶硅的特性
2、掌握晶面、晶向与晶面族的概念
3、掌握硅及其硅化合物的材料的特性
第八章微系统加工工艺
1、掌握外延、氧化、扩散工艺的基本概念与工艺过程
2、熟悉金属化工艺、化学气相淀积工艺
3、熟悉刻蚀工艺
4、掌握紫外光刻技术
第九章微制造技术
1、掌握硅湿法腐蚀中的各向异性腐蚀、自停止技术与凸角补偿技术
2、掌握静电键合技术
3、熟悉干法腐蚀中深槽腐蚀技术
4、熟练掌握表面工艺、体硅工艺与LIGA工艺
第十章微系统设计（重点章节）
1、掌握MEMS器件的设计流程
2、熟练掌握根据要求设计MEMS压阻、电容、隧道式微加速度计、微压力传感器，包括设计掩模版、工艺流程，结构工艺简图的绘制。

第十一章微系统封装
1、掌握微系统封装的三个等级
2、掌握主要的封装技术
参考书目：《MEMS和微系统一设计与制作》机械工业出版社熊继军。

mems技术第一篇：MEMS技术的基础MEMS技术是一种利用微米制造技术制造微机电系统的技术。

微机电系统是由微型传感器、微型执行机构和微处理器组成的一种微型电子系统，可以感测、处理、控制和执行物理、化学和生物过程。

MEMS技术已经被广泛应用于医疗、能源、环境、军事、航空、汽车等领域，在诸多领域共同推动着技术的创新和发展。

MEMS技术是由光刻技术、电子束刻蚀技术、化学蚀刻技术等多种微米制造技术组合而成的。

首先，使用光刻技术制造出微细的掩模，然后借助电子束刻蚀技术将掩模转移到硅片上，形成微细的结构。

最后，通过化学蚀刻技术将硅片剥离，构成微型器件。

MEMS技术的核心在于微米级的制造工艺和精密加工技术。

MEMS技术的应用范围非常广泛，具有很大的市场潜力。

它不仅可以制造传感器、执行机构、医用器械等，还可以制造微型化的电动机、振荡器、光学开关等。

同时，MEMS技术使得微型化和集成化成为可能，可以实现更小、更快、更稳定的微型电子设备。

MEMS技术的研究和应用已经深入到人们的生活中。

例如，MEMS技术被应用于医疗行业，制造出了微型医疗器械和生物传感器，帮助医疗工作者更精准地诊断和治疗疾病。

MEMS技术还被应用于环境监测，可以监测大气、水质、土壤和噪声等。

MEMS技术还被应用于智能手机、智能手表等消费电子产品中，为人们提供更加便捷的生活方式。

MEMS技术的未来发展方向是微型化、多功能和低功耗。

MEMS器件将会越来越小、功能越来越丰富、功耗越来越低，成为推动下一代电子设备发展的重要技术。

在这个过程中，MEMS技术的研究和应用将会在更广泛的领域中展开，创造更大的社会和经济价值。

第二篇：MEMS技术在医疗领域的应用随着医疗科技的快速发展，MEMS技术也被广泛应用于医疗领域。

MEMS技术的微型化、集成化和高灵敏度特性，使得它可以应用于传感器、微型医疗器械、控制系统等，为医疗工作者提供更加精准、安全、有效的医疗服务。

MEMS技术在医疗领域的应用主要包括微型医疗器械、生物传感器、药物传递系统等。