MEMS技术及其应用 ppt课件

能的压敏电阻 对环境温度变化敏感
材料生长和制造工艺流程复 杂，不能在高温条件下工作
微传感器的实例(1)——力学
微加速度传感器 微陀螺仪 微压力传感器 微麦克风
在此只重点介绍微加速度传感器。
微加速度传感器
主要用于测量物体运动过程中的加速度：过载、 振动和冲击
压阻式、电容式、压电剪切压阻系数
P型压敏电阻的变化率为 R R ll tt 7.8 1 l 6.3 6 t 1 5 0
N型压敏电阻的变化率为
R R l lt t 3.2 1 l 1.6 7 t 1 5 0
压阻式传感器输出信号的检测一般需要采用惠斯通电桥
R1 R3
R4' R2'
电容式
悬浮支架 加速度
固定支架 导电电极
质量块 衬底
a)垂直敏感电容微加速度计结构
固定支点
加速度 质量块
感应叉指
悬浮支架
b) 水平敏感电容微加速度计结构
电容式加速度计的不同敏感电容
1) 平行板电容式微加速度计
平行板结构电容式 硅 微加速度计虽然具 玻璃 有较高的灵敏度， 玻硅璃 但是其制作需要腐 硅
研1202班
主要内容
微传感器的概念 微传感器的分类 基本敏感原理介绍 微传感器的实例
微传感器的概念
微传感器：基于MEMS工艺的，能把被测物理量 转换为电信号输出的器件，通常由敏感元件和传输 元件组成。
MEMS微传感器原理框图
微传感器的概念
微传感器是今天最广泛使用的MEMS器 件，通常使用集成电路工业中发展起来的 手段和技术来制造，比如微金属版印制技 术、刻蚀技术等，也采用专门为微传感器 制造开发的新技术。
检测质量电极 检测质量
扭转铰链

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

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光纤2 光纤1 光纤3
光 纤2 光纤3
电磁驱动光纤移动的光开关
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移动其他部件的光开关
棱镜
自聚焦透镜
移动棱镜式：
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移动其他部件的光开关
• 移动反射镜、透射镜式
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采用MOEMS技术移动微反射镜的光开关
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MEMS光开关的分类
按功能实现方法可分为： 光路遮挡型：代表是悬臂梁式光开关 移动光纤对接型 微镜反射型
驱动光开关具有响应时间快，可方便移动 镜面位置等优势，但是它也存在一些不足：驱 动电压较高； 响应时间在 0.5~4ms； 梳状 驱动往往需要通过减小梳齿之间距离来增大驱 动力，梳齿之间太靠近容易造成电路短路现象； 由于存在非线性弹性恢复力，梳状驱动往往受 其尺寸限制在很多地方得不到应用；梳状驱动 因为悬空结构而缺乏横向稳定性.
气泡开关
Cl液ic晶k t开o 关add C全lic息Tk光ittole开a关dd
光T子it开le 关
MEMS光开关的分类
根据被驱动的部件不同，MEMS光开关可分两类
MEMS光开关
基于传统 的机械式 光开关
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移动其他 部件的光
开关
基于传统的机械式光开关
移动光纤式：
套管
方空玻璃套筒
光纤1
玻璃套筒
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MEMS光开关的特点
微型化； 高的交换速度； 小的插入损耗； 提供光功能器件和波导或光纤所需的亚微米级定
位精度； 与IC工艺相容，可大规模生产，成本低。
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MEMS光开关的基本原理
通过静电力或电磁力的作用, 使可以活动的微镜产生升 降、旋转或移动, 从而改变输入光的传播方向以实现光 路通断的功能, 使任一输入和输出端口相连接, 且1 个输 出端口在同一时间只能和1个输入端口相连接。

某些心血管系统药能够透皮吸收，例如硝酸甘油贴片敷贴
于心前区后能较好地预防心绞痛发作。透皮给药，其吸收
药量与药物接触皮肤面积成正比。药物脂溶性增加可加速
透皮吸收，皮肤角质层湿润时可增加药物的吸收率。用于
敷贴透皮吸收的药物通常要制成缓释剂型，使药物缓慢而
平稳的释放，以达到药效持久发挥之目的。
2021/3/10
2021/3/10
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研究进展
瑞典皇家研究院的科研人员也提出了一种新的硅微针加工 方法, 其特别吸引人的地方在于微针中空通道的出口设计在 硅微针的侧面, 该设计可极大地提高硅微针的强度, 增大药 物与肌肉组织的接触面, 降低通道阻塞率（左下图）。美国 加利福尼亚大学研究了用于药物传输的斜开口微针阵列 （右下图）。
MEMS微针
（MEMS Microneedle）
2021/3/10
1
MEMS微针
概述 分类 制备工艺 应用
2021/3/10
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概述
传统给药是通过口服或者静脉注射两种。注射一般是使用 注射器和导管刺破人体皮肤直接将药物送入人体内。
口服由于胃肠等的消化作用，会使药效降低，尤其不适用 于蛋白质、胰岛素、DNA等药物。
注射是非常有效的，但是与此同时，注射也给人体带来疼 痛感、局部皮肤损伤、出血等危害；注射器不洁也会增大 疾病传染的机会。而且注射器注射也需要专业人员，或者 获得专业培训后才能熟练使用。
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概述
透皮给药（percutaneous administration ）：指药物涂布 或敷贴于皮肤表面的一种给药方法。除作为皮肤患处的局 部给药以外，还可以作为全身性给药。用于后者时可将药 膏或贴片置于皮肤较薄的部位，如耳后、臂内侧、胸前区、 阴囊等处。此时药物可直接由皮肤角膜层，以及皮肤的附 属结构如毛囊、汗腺导管的开口等透入皮下，进入毛细血 管，经体循环分布于全身。此给药途径具有方便、简单和 药效持久等优点。

案例二：MEMS陀螺仪在导航系统中的应用
总结词
MEMS陀螺仪是导航系统中的关键传感 器，具有高精度、小型化和低成本等特 点。
VS
详细描述
MEMS陀螺仪采用微机械加工技术，将陀 螺仪的机械部分和电路部分集成在一个芯 片上，具有体积小、重量轻、成本低等优 点。它能够测量和保持方向信息，广泛应 用于航空、航天、军事等领域。在导航系 统中，MEMS陀螺仪可以提供高精度的角 度信息，用于计算航向、姿态和位置等参 数。
可靠性测试
进行全面的可靠性测试和评估，确保 MEMS器件的稳定性和可靠性。
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MEMS设计案例分析
案例一：MEMS压力传感器在汽车中的应用
总结词
汽车压力传感器是MEMS技术的重要应用之一，具有高精度、可靠性和稳定性等特点。
详细描述
汽车压力传感器主要用于监测发动机进气歧管压力、燃油压力、气瓶压力等，以确保发动机正常工作 和提高燃油经济性。MEMS压力传感器采用微型机械加工技术，具有体积小、重量轻、功耗低等优点 ，能够实现高精度、快速响应和长期稳定性。
惯性传感器的设计需要综合考 虑材料、工艺和信号处理等因 素，以确保其性能和可靠性。
化学传感器设计
01
化学传感器是用于检测气体或 液体的化学成分的传感器，其 设计需要考虑选择性、灵敏度 、稳定性等因素。
02
常用的化学传感器类型包括电 化学式、光学式和热导式等， 其工作原理和结构各不相同。
03
化学传感器的设计需要综合考 虑材料、工艺和信号处理等因 素，以确保其性能和可靠性。
MEMS的发展历程与趋势
要点一
总结词
MEMS的发展经历了萌芽期、发展期和成熟期三个阶段， 未来将向更小尺寸、更高精度和智能化方向发展。

目前mems陀螺仪的性能已经取得了一定的进展，但仍然存在一些局限性。未来的研究 将探索新的设计和技术，以提高陀螺仪的精度、灵敏度和稳定性等性能指标，满足更高
精度的应用需求。
应用拓展
要点一
总结词
应用拓展是mems陀螺仪发展的必然趋势，未来的研究将 更加注重开拓新的应用领域和市场。
要点二
详细描述
随着mems陀螺仪技术的不断成熟，其应用领域也在不断 拓展。未来的研究将探索新的应用领域，如航空航天、无 人驾驶、智能机器人等，以满足更多领域对高精度导航和 姿态测量的需求。同时，研究还将关注市场需求和产业发 展的趋势，推动mems陀螺仪技术的商业化进程。
测试技术
测试技术是确保MEMS陀螺仪性能和质量的 关键环节，主要包括静态测试和动态测试两 个方面。
静态测试：检测陀螺仪在静止状态下的性能 指标，如零点输出、线性度、重复性等。动 态测试：检测陀螺仪在动态状态下的性能指 标，如带宽、灵敏度、抗干扰能力等。测试 技术的进步有助于提高MEMS陀螺仪的性能
mems陀螺仪的原理
Mems陀螺仪的原理基于角动量守恒定律，即一个旋转物体在不受外力矩作用时，其角动量保持不变。当mems陀螺仪的敏 感结构受到旋转角速度的作用时，会产生一个与旋转角速度成正比的力矩，从而引起微机械结构的振动或位移，通过检测这 个振动或位移量，可以推算出旋转角速度的大小。
Mems陀螺仪的敏感结构通常采用微机械加工技术制造，具有极高的灵敏度和精度。
和可靠性。
集成技术
集成技术是将多个MEMS器件集成在一个芯片上，实 现更复杂的功能和更高的性能。集成技术是MEMS陀 螺仪发展的趋势之一。
单片集成：将多个MEMS器件制作在同一硅片上，实 现单片集成。多片集成：将多个硅片集成在一起，形 成一个复杂的系统。混合集成：将不同类型的器件集 成在一起，实现优势互补。集成技术的进步有助于提 高MEMS陀螺仪的可靠性和降低成本。

阳极键合
高温、表面光滑
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4
外加偏置电压
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MEMS的组成
MEMS是由微传感器、微执行器、信号处 理和控制电路、通讯接口和电源等组成 的一体化的微型器件系统。现在包括微 小机械系统、微小流体系统、化学和生 物系统、热学系统、电子和磁学系统、 光学系统等。
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Two main actuation principle
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电容式加速度传感器
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静电梳
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Curved electrodes
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ห้องสมุดไป่ตู้
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MEMS光开关
与传统的波导调制型光开关相比，MEMS 光开关具有耦合损耗小、串音干扰低、 与工作的波长和偏振态无关，以及不受 通信中所采用的数据格式的限制。
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2
加工技术
3.表面微机械加工技术 这种技术一般是用光刻等手段使得硅片表面的 淀积或生长而成的多层薄膜分别具有一定的 图形，然后去除某些不需要的薄膜层。
4.LIGA技术和准LIGA技术 LIGA技术需要同步光源使其难以推广，准 LIGA技术分辨率不如LIGA技术高，但也达到 微米级。而且用准LIGA技术形成三维复杂结 构更方便。
MEMS及其驱动技术
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1
MEMS加工技术
1.各向异性化学和电化学腐蚀 各向异性腐蚀过程中的最终结构尺寸由 腐蚀速率和腐蚀时间决定，这样得到的 尺寸误差较大，现在主要有浓硼自停止 和电化学腐蚀技术。
2.固相键合技术 他是将两块相似或不相似的固态材料键 合在一起，且键合过程材料始终处于固 相状态的方法。

Байду номын сангаас
MEMS可靠性测试
• 可靠性测试规范
(1)贴片工艺测试 (2)引线键合工艺测试 (3)封盖工艺测试 (4)MEMS封装可靠性筛选试验 (5)MEMS封装可靠性寿命试验
MEMS系统展望
• 目前的MEMS封装技术大多来自集成电路封装技 术，但是由于MEMS器件的特殊性，特殊的信号 界面、外壳要求、三维结构和可靠性要求等决定 了MEMS封装的难点所在，需要重点研究。由于 MEMS封装已经引起人们的重视，研究低成本高 性能的封装方法已经成为MEMS领域一个重要的 课题。
倒装芯片结构示意图
MEMS封装技术分类
• 近密封封装技术------通过使用某些特定的封装材料 来实现一定密封级别的同时为MEMS器件提供活动 空间或者光学通道的一种封装技术，采用的封装材 料大多是热固塑脂类环氧基聚合物或者热塑性塑料 系列材料等高分子材料 • 模块式MEMS封装设计------为MEMS设计提供一些 模块式的外部接口，从而使MEMS器件能使用统一 的标准化的封装批量生产，进而降低MEMS器件的 生产成本，缩短产品生产周期
THE
END
MEMS封装应满足的要求
• 应力：在MEMS器件中，微米或微纳米尺度的零部 件其精度高但十分脆弱，因此，MEMS封装应对器 件产生最小的应力
• 高真空：可动部件在真空中，就可以减小摩擦，达 到长期可靠工作的目标； • 高气密性：一些MEMS器件，如微陀螺必须在稳定 的气密条件下才能可靠长期地工作，有的MEMS封 装气密性要达到1×10-12 Pa m 3 / s
MEMS封装技术
SA11009042 卢钰
微机电系统 MEMS
• 微机电系统是指包括微传感器、微致动器(也称微执 行器)、微能源等微机械基本部分以及高性能的电子 集成线路组成的微机电器件或装置，也可称为微机 械系统。

应用领域
01
通信领域
用于无线通信、卫星通信、雷达等高频信号处理系统。
02
能源领域
用于微型电源、储能系统等。
03
生物医学领域
用于生物传感器、医学诊断和治疗等。
02 MEMS微电感的设计与制造
设计流程
A
需求分析
明确MEMS微电感的应用场景和性能要求，如 工作频率、Q值、尺寸等。
原理图设计
根据需求，设计MEMS微电感的原理图， 包括结构、形状、尺寸等。
B
C
仿真优化
利用仿真软件对设计的MEMS微电感进行性 能分析和优化，提高性能参数。
版图绘制
将原理图转化为制版图，为后续制造提供依 据。
D
材料选择
01
02
03
材料类型
选择适合MEMS微电感制 造的材料，如单晶硅、多 晶硅、氮化硅等。
材料纯度
确保所选材料的纯度，以 满足MEMS微电感的性能 要求。
材料特性
《MEMS微电感》 PPT课件
目录
• MEMS微电感简介 • MEMS微电感的设计与制造 • MEMS微电感的性能测试与评估 • MEMS微电感的发展趋势与挑战 • MEMS微电感的应用案例
01 MEMS微电感简介
定义与特性
定义
MEMS微电感是指利用微电子机械系 统（MEMS）技术制作的微型电感器 。
案例二：MEMS传感器
总结词
MEMS传感器是利用微电感技术实现传感器功能的重要应用，具有高精度、高可靠性、低功耗等优点 。
详细描述
MEMS传感器利用微电感作为敏感元件，可以感知温度、压力、磁场、加速度等物理量，广泛应用于 汽车、医疗、航空航天等领域。MEMS传感器的精度和可靠性高，能够提供准确的测量数据，并且具 有低功耗的特点，能够延长设备的续航时间。

电子隧道加速度传感器的工作原理和ＳＴＭ（扫描隧道显微镜）一样， 隧道式加速度计原理结构图如图左所示。图右为隧道式加速度计原理电路图。
利用隧道效应做加速度传感器，可以得到极高的灵敏度，大约在左 右；而且由于是电流检测，抗干扰能力很强，温度效应小；由于质量块 的机械活动范围小，因而其线性度高，可靠性好，是加速度传感器在高 灵敏度，高可靠性方面应用的一个典型代表，也是加速度传感器发展的 一个重要方向，成为目前加速度传感器研究的热门之一。而由于其精密 性，造成了加工难度大的困难，成品率不高。隧道加速度计自出现以来 显示了巨大前景。今后的研究主要关注于提高灵敏度，降低工作电压等 方面。理论上由于器件尺寸缩小，热噪声变得不可忽视，关于噪声的理 论研究越来越重要。
每个电极静电吸引力的大小都与所施加的电场强度 的平方成正比。由于静电力平衡回路具有足够高的增 益，检测质量的偏角极小，即极板的间隙变化极小时， 静电力矩便平衡了惯性力矩，故可以近似认为每个电 极静电吸引力之矩均为所施加的电压的平方成正比。 2 2 M k U U e 1 ，式中， 2 据此得到静电力矩的大小为 k为 系数，它取决于介电常数、电极的几何形状及极板的 U U U U 初始间隙。将 U U 和 带入上式，可 得 M e 4kU0 U ，静电力矩的方向恰与惯性力矩的方向相 反，它具有恢复力矩的性质。当静电力平衡回路到达 ml U a 稳态时，有 M e M a ，于是得到 。这表明， 4kU 如果把控制电压 U作为输出，则该输出电压与输入加 速度a成正比。
目前世界上微机械陀螺仪预计能达到性能指标。
性能参数 测量角速度最大值 随机漂移率长期稳定性 随机漂移率短期稳定性 对加速度敏感的漂移率 对线振动敏感的漂移率 标度因数长期稳定性 标度因数短期稳定性 工作温度范围 预计指标 1000º /s 10º /h 1º /h 1º /h/g 0.4º /h/g 2×10-4 5×10-5 -55～+85º C

微小变化转换为与其成正比的电压的变化。
电容式加速度微传感器
电容式加速度传感器具有温度效应小，功率损
耗低，灵敏度相对较高（可达），结
构比较简单，加工工艺不复杂等突出优点，同
时，动态特性好，抗过载能力强。但外界加速
度仅能引起微小的电容变化（通常在10-15量级
甚至更低），测试方法复杂。
电容式加速度微传感器工作原理
足机械特定需求的数字式角度测量装置。
END
Thanks!
的过程中，依次经过下部和上部的热线。若忽略气体上升过程
中克服重力的能量损失，则穿过上部热线的气流已经与下部热
线的产生热交换，使穿过两根热线时的气流速度不同，这时
V2′＞V2，因此流过两根热线的电流也会发生相应的变化，所
以电桥失去平衡，输出一个电信号。
固、液、气体摆性能比较
在重力场中，固体摆的敏感质量是摆锤质量，液体摆的敏感质
体积小、功耗低、响应速度快和高可靠的传
感元件, 已经广泛应用于工程机械领域。
倾角传感器分类及其原理
根据原理分类
“固体摆”式倾角传
感器
倾角传感器
“液体摆”式倾角传感
器
“气体摆”式倾角传感
器
“固体摆”式倾角传感器
固体摆在设计中广泛采用
力平衡式伺服系统，如图
所示，其由摆锤、摆线、
支架组成， 摆锤受重力G
目录
➢
➢➢➢➢来自倾角传感器简介倾角传感器分类及其原理
电容式加速度微传感器
倾角传感器测量原理
总结
倾角传感器简介
在建筑施工或道路铺修中, 经常要对工程机
械或机架装置进行调平校准, 并且要对施工
质量进行检测, 这时遇到最多的问题就是水