先进制造技术——微机电系统.ppt

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1、 微机电系统微机电系统(MEMS)Micro-Electro-Mechanical Systems一、一、MEMS技术的历史技术的历史?微系统是从微传感器发展而来的，已有微系统是从微传感器发展而来的，已有几次突破性的进展几次突破性的进展7070年代微机械压力传感器产品问世年代微机械压力传感器产品问世年代微机械压力传感器产品问世年代微机械压力传感器产品问世8080年代末研制出硅静电微马达年代末研制出硅静电微马达年代末研制出硅静电微马达年代末研制出硅静电微马达9090年代喷墨打印头，硬盘读写头、硅加速度年代喷墨打印头，硬盘读写头、硅加速度年代喷墨打印头，硬盘读写头、硅加速度年代喷墨打印头，硬盘读写

2、头、硅加速度计和数字微镜器件等相继规模化生产计和数字微镜器件等相继规模化生产计和数字微镜器件等相继规模化生产计和数字微镜器件等相继规模化生产充分展示了微系统技术及其微系统的巨大应充分展示了微系统技术及其微系统的巨大应充分展示了微系统技术及其微系统的巨大应充分展示了微系统技术及其微系统的巨大应用前景用前景用前景用前景F微电子压力传感器微电子压力传感器利用了硅的三微结构与机械特性利用了硅的三微结构与机械特性聚合物薄膜聚合物薄膜硅硅压敏电阻器压敏电阻器吸湿膨胀吸湿膨胀电阻变化？电阻变化？微电子湿度传感器微电子湿度传感器真空微电子平板显示器硅硅Si基体基体硅尖锥硅尖锥玻璃玻璃荧光粉荧光粉电子电子电场电

3、场发光发光利用了硅的三微结构利用了硅的三微结构与机械加工特性与机械加工特性二、引二、引 言言?信息系统微型化信息系统微型化系统体积大大减小系统体积大大减小系统体积大大减小系统体积大大减小性能、可靠性大幅度上升性能、可靠性大幅度上升性能、可靠性大幅度上升性能、可靠性大幅度上升功耗和价格大幅度降低功耗和价格大幅度降低功耗和价格大幅度降低功耗和价格大幅度降低?信息系统的目标：微型化和集成化信息系统的目标：微型化和集成化微电子解决电子系统的微型化微电子解决电子系统的微型化微电子解决电子系统的微型化微电子解决电子系统的微型化非电子系统成为整个系统进一步缩小的关键非电子系统成为整个系统进一步缩小的关键非电

4、子系统成为整个系统进一步缩小的关键非电子系统成为整个系统进一步缩小的关键机械机械部分部分传感传感执行执行控制部分控制部分电子学电子学MEMS微电子学微电子学三、三、MEMS概念概念?从广义上讲，从广义上讲，从广义上讲，从广义上讲，MEMSMEMS是指集微型传感器、微型执行器、是指集微型传感器、微型执行器、是指集微型传感器、微型执行器、是指集微型传感器、微型执行器、信号处理和控制电路、接口电路、通信系统以及电源于信号处理和控制电路、接口电路、通信系统以及电源于信号处理和控制电路、接口电路、通信系统以及电源于信号处理和控制电路、接口电路、通信系统以及电源于一体的微型机电系统一体的微型机电系统一体的

5、微型机电系统一体的微型机电系统非纯电路装置非纯电路装置非纯电路装置非纯电路装置Fabrication of Silicon Tips for Scanning Probe MicroscopyFabrication of Silicon Tips for Scanning Probe Microscopy硅微尖锥硅微尖锥硅微齿轮硅微齿轮?弧形梳齿弧形梳齿静电静电硅微转子硅微转子硅微槽硅微槽硅微梁硅微梁硅微梁硅微梁硅微转动器硅微转动器硅微拖动器硅微拖动器硅微桥硅微桥硅微桥硅微桥硅微琴硅微琴已经制造出尖端直径已经制造出尖端直径已经制造出尖端直径已经制造出尖端直径为为为为5 5 mm的可以夹起一的可

6、以夹起一的可以夹起一的可以夹起一个红细胞的微型镊子个红细胞的微型镊子个红细胞的微型镊子个红细胞的微型镊子可以用于医疗手术可以用于医疗手术可以用于医疗手术可以用于医疗手术硅微型镊子硅微型镊子硅微型镊子硅微型镊子四、四、MEMS制造工艺制造工艺硅硅MEMS工艺工艺（1 1）化学腐蚀）化学腐蚀）化学腐蚀）化学腐蚀 High aspect ratio 60um trenchSTSDeepRIEsystematFID（2 2）反应离子刻蚀）反应离子刻蚀）反应离子刻蚀）反应离子刻蚀（3 3）LIGALIGA工艺工艺工艺工艺LithograpieLithograpie(光刻光刻光刻光刻)、Galvanofo

7、rmungGalvanoformung(电铸电铸电铸电铸)、AbformungAbformung(塑塑塑塑铸铸铸铸)德国为代表德国为代表德国为代表德国为代表主要用于金属微结构器件的形成主要用于金属微结构器件的形成主要用于金属微结构器件的形成主要用于金属微结构器件的形成LIGA工艺工艺模具模具五、五、MEMS的分类的分类?微执行器：微马达、微齿轮、微泵、微阀门、微执行器：微马达、微齿轮、微泵、微阀门、微开关、微喷射器、微扬声器、微谐振器等微开关、微喷射器、微扬声器、微谐振器等?微型构件：微膜、微梁、微探针、微齿轮、微型构件：微膜、微梁、微探针、微齿轮、微弹簧、微腔、微沟道、微锥体、微轴、微微弹簧

8、、微腔、微沟道、微锥体、微轴、微连杆等连杆等?微机械光学器件：微镜阵列、微光扫描器、微机械光学器件：微镜阵列、微光扫描器、微光阀、微斩光器、微干涉仪、微光开关、微光阀、微斩光器、微干涉仪、微光开关、微可变焦透镜、微外腔激光器、光编码器等微可变焦透镜、微外腔激光器、光编码器等?MEMS在航空、航天、汽车、生物医学、在航空、航天、汽车、生物医学、环境监控、军事以及几乎人们接触到的所有环境监控、军事以及几乎人们接触到的所有领域中都有着十分广阔的应用前景领域中都有着十分广阔的应用前景六、六、MEMS技术的应用技术的应用?空间应用空间应用用用用用作作作作运运运运行行行行参参参参数数数数测测测测量量量量的

9、的的的微微微微加加加加速速速速度度度度计计计计已已已已进进进进行行行行了了了了地地地地面面面面辐照实验，正在进行飞行搭载实验辐照实验，正在进行飞行搭载实验辐照实验，正在进行飞行搭载实验辐照实验，正在进行飞行搭载实验微陀螺、微推进和微喷管等微系统基础研究微陀螺、微推进和微喷管等微系统基础研究微陀螺、微推进和微喷管等微系统基础研究微陀螺、微推进和微喷管等微系统基础研究?通信方面通信方面光光光光通通通通信信信信正正正正在在在在向向向向有有有有光光光光交交交交换换换换功功功功能能能能的的的的全全全全光光光光通通通通信信信信网网网网络络络络方方方方向发展向发展向发展向发展无无无无线线线线通通通通信信信信

10、则则则则要要要要求求求求增增增增强强强强功功功功能能能能（如如如如联联联联网网网网等等等等）和和和和减减减减小小小小功功功功耗耗耗耗。包包包包括括括括美美美美国国国国朗朗朗朗讯讯讯讯公公公公司司司司在在在在内内内内的的的的一一一一些些些些公公公公司司司司和和和和大大大大学学学学正正正正在在在在研研研研究究究究全全全全光光光光通通通通信信信信网网网网用用用用的的的的微微微微系系系系统统统统及及及及无无无无线线线线通通通通信信信信用射频微系统用射频微系统用射频微系统用射频微系统?1、微传感器：、微传感器：机械类：力学、力矩、加速度、速度、机械类：力学、力矩、加速度、速度、角速度角速度(陀螺陀螺)、

11、位置、流量传感器、位置、流量传感器磁学类：磁通计、磁场计磁学类：磁通计、磁场计热学类：温度计热学类：温度计化学类：气体成分、湿度、化学类：气体成分、湿度、PH值和离值和离子浓度传感器子浓度传感器生物学类：生物学类：DNA芯片芯片电容式微加速度计电容式微加速度计微惯性传感器及微型惯性测量组合能应用于制导、卫星微惯性传感器及微型惯性测量组合能应用于制导、卫星微惯性传感器及微型惯性测量组合能应用于制导、卫星微惯性传感器及微型惯性测量组合能应用于制导、卫星控制、汽车自动驾驶、汽车防撞气囊、汽车防抱死系统控制、汽车自动驾驶、汽车防撞气囊、汽车防抱死系统控制、汽车自动驾驶、汽车防撞气囊、汽车防抱死系统控制

12、、汽车自动驾驶、汽车防撞气囊、汽车防抱死系统(ABS)(ABS)、稳定控制和玩具。、稳定控制和玩具。、稳定控制和玩具。、稳定控制和玩具。静电静电?旋转马达旋转马达2 2、微马达、微马达、微马达、微马达?线性马达线性马达美国提出的硅固态卫星的概念图，这个卫星除了蓄电池外，美国提出的硅固态卫星的概念图，这个卫星除了蓄电池外，美国提出的硅固态卫星的概念图，这个卫星除了蓄电池外，美国提出的硅固态卫星的概念图，这个卫星除了蓄电池外，全由硅片构成，直径仅全由硅片构成，直径仅全由硅片构成，直径仅全由硅片构成，直径仅15cm15cm3、光通信、光通信MEMS器件器件?定义定义Optical Transduce

13、rsOptical Transducers，MOEMS,Optical MOEMS,Optical MEMSMEMS?分类分类传统的光传感器、转换器传统的光传感器、转换器传统的光传感器、转换器传统的光传感器、转换器光传感、成像、发光器件（光电子）光传感、成像、发光器件（光电子）光传感、成像、发光器件（光电子）光传感、成像、发光器件（光电子）?微机械光学器件：微镜阵列、微光扫描器、微光阀、微微机械光学器件：微镜阵列、微光扫描器、微光阀、微斩光器、微干涉仪、微光开关、微可变焦透镜、微外腔斩光器、微干涉仪、微光开关、微可变焦透镜、微外腔激光器、光编码器等激光器、光编码器等(1)(1)可转动的硅微镜可

14、转动的硅微镜数字镜面显示（数字镜面显示（数字镜面显示（数字镜面显示（DMDDMD）可转动的硅微镜可转动的硅微镜?微镜的驱动方式微镜的驱动方式MirrorSupportStructureSubstrateHingesTorsionHinges1stDOF2ndDOFForce-redirectingLinkage（a）微马达驱动）微马达驱动改变反射方向改变反射方向改变反射方向改变反射方向（b）静电驱动）静电驱动-+-+（c）磁力驱动）磁力驱动（d）热驱动）热驱动MEMS微镜的应用微镜的应用全光通信中的光交换开关全光通信中的光交换开关平板显示器平板显示器DMD应用应用光交换开关光交换开关 微机械微

15、机械微机械微机械1X21X2光开关光开关光开关光开关微机械微机械微机械微机械1X81X8光开关光开关光开关光开关可转动的硅微镜可转动的硅微镜可转动的可转动的硅微镜硅微镜入射光纤入射光纤出射光纤出射光纤二维光交二维光交二维光交二维光交换开关换开关换开关换开关(2)光纤固定结构光纤固定结构?V形槽形槽?各种卡紧结构各种卡紧结构美美美美国国国国喷喷喷喷气气气气推推推推进进进进实实实实验验验验室室室室(JPL)(JPL)展展展展 示示示示 的的的的 采采采采 用用用用MEMSMEMS技技技技术术术术的的的的电电电电阻阻阻阻电电电电热热热热式式式式微微微微推推推推进进进进器器器器样样样样机机机机（液液液

16、液体体体体气气气气化化化化方方方方式式式式）。微微微微推推推推进进进进器器器器由由由由薄薄薄薄膜膜膜膜加加加加热热热热器器器器、微微微微型型型型喷喷喷喷口口口口等等等等组组组组成成成成。其其其其性性性性能能能能目目目目标标标标为为为为：比比比比冲冲冲冲7575125s125s，推推推推力力力力0.5mN0.5mN，功功功功 率率率率 5W5W，效效效效 率率率率50%50%，质质质质量量量量为为为为几几几几克克克克，大小为大小为大小为大小为1cm1cm2 2。4 4、微推进器、微推进器美美美美国国国国喷喷喷喷气气气气推推推推进进进进实实实实验验验验室室室室(JPL)(JPL)展展展展示示示示的

17、的的的采采采采用用用用MEMSMEMS技技技技术术术术的的的的电电电电阻阻阻阻电电电电热热热热式式式式微微微微推推推推进进进进器器器器样样样样机机机机(固固固固体体体体升升升升华华华华方方方方式式式式)。微微微微推推推推进进进进器器器器由由由由推推推推进进进进剂剂剂剂出出出出贮贮贮贮箱箱箱箱、微微微微阀阀阀阀、微微微微过过过过滤滤滤滤器器器器、微微微微型型型型喷喷喷喷口口口口等等等等组组组组成成成成，微微微微型型型型喷喷喷喷口口口口利利利利用用用用MEMSMEMS技技技技术术术术中中中中的的的的体体体体硅硅硅硅工工工工艺艺艺艺制制制制作作作作。其其其其性性性性能能能能目目目目标标标标为为为为：

18、比比比比冲冲冲冲505075s75s，推推推推力力力力0.5mN0.5mN，功率功率功率功率 2W/mN2W/mN，质量为几克，大小为质量为几克，大小为质量为几克，大小为质量为几克，大小为1cm1cm2 2。微推进器微推进器?MEMSMEMS技技技技术及其产术及其产术及其产术及其产品的增长品的增长品的增长品的增长速度非常速度非常速度非常速度非常之高，并之高，并之高，并之高，并且目前正且目前正且目前正且目前正处在加速处在加速处在加速处在加速发展时期发展时期发展时期发展时期七、微机电系统的设计技术七、微机电系统的设计技术?MEMS用批量化的微电子技术制造出尺寸用批量化的微电子技术制造出尺寸与集成电

19、路大小相当的非电子系统，实现与集成电路大小相当的非电子系统，实现电子系统和非电子系统的一体化集成电子系统和非电子系统的一体化集成从根本上解决信息系统的微型化问题从根本上解决信息系统的微型化问题从根本上解决信息系统的微型化问题从根本上解决信息系统的微型化问题实现许多以前无法实现的功能实现许多以前无法实现的功能实现许多以前无法实现的功能实现许多以前无法实现的功能?今天的今天的MEMS与与40年前的集成电路类似，年前的集成电路类似，MEMS对未来的社会发展将会产生什么影对未来的社会发展将会产生什么影响目前还难以预料，但它是响目前还难以预料，但它是21世纪初一个世纪初一个新的产业增长点，则是无可质疑的

20、新的产业增长点，则是无可质疑的研究领域研究领域?理理论论基基础础：随随着着MEMS尺尺寸寸的的缩缩小小，有有些些宏宏观观的的物物理理特特性性发发生生了了改改变变，很很多多原原来来的的理理论论基基础础都都会会发发生生变变化化，如如力力的的尺尺寸寸效效应应、微微结结构构的的表表面面效效应、微观摩擦机理等等，应、微观摩擦机理等等，微动力学微动力学微流体力学微流体力学微热力学微热力学微摩擦学微摩擦学微光学微光学微结构学微结构学研究领域研究领域?技术基础：设计、工艺加工技术基础：设计、工艺加工(高深宽比多层高深宽比多层微结构微结构)、微装配工艺、微系统的测量等。、微装配工艺、微系统的测量等。?应用研究：如何应用这些应用研究：如何应用这些MEMSMEMS系统也是一系统也是一门非常重要的学问。人们不仅要开发各种门非常重要的学问。人们不仅要开发各种制造制造MEMSMEMS的技术，更重要的是如何将的技术，更重要的是如何将MEMSMEMS器件用于实际系统，并从中受益。器件用于实际系统，并从中受益。