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1、MEMS技术及其应用 主要内容 o MEMS技术简介 o MEMS技术应用 o 微机械制造技术 o MEMS器件 MEMS简介 What is MEMS Technology? MEMS (microelectromechanical systems) are devices that involve integrated micro-devices or systems, usually comprised of electrical and mechanical components, produced using microelectronics-compatible batch-pro
2、cessing techniques. These systems merge computation with sensing and actuation to perceive the physical world at a miniaturized level. 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。 由于MEMS是微电子同微机械的结合，如果把微
3、电子电路比作人 的大脑，微机械比作人的五官（传感器）和手脚（执行器），两者的 紧密结合，就是一个功能齐全而强大的微系统。 MEMS定义 o 1959年就有科学家提出微型机械的设想，但直到1962年 才出现属于微机械范畴的产品硅微型压力传感器。其 后尺寸为50500微米的齿轮、齿轮泵、气动蜗轮及联 接件等微型机构相继问世。而1987年由华裔留美学生冯 龙生等人研制出转子直径为60微米和100微米的硅微型 静电电机，显示出利用硅微加工工艺制作微小可动结构 并与集成电路兼容制造微小系统的潜力，在国际上引起 轰动，科幻小说中描述把自己变成小昆虫钻到别人的居 室或心脏中去的场景将要成为现实展现在人们面前
4、。同 时，也标志着微电子机械系统(MEMS)的诞生。 微电子机械系统是以微电子、微机械及材料科学为基础，研究、设计 和制造具有特定功能的微型装置（包括微结构器件、微传感器、微执行器 和微系统等方面）的一门科学。 世界上第一个微静电马达 What is the peculiarity of MEMS technology? oMEMS是受到集成电路工艺的启发而发展起来的，它不仅具有集 成电路系统的许多优点，同时集约了多种学科发展的尖端成果。 1、微型化特点 2、多样化特点 3、稳定性特点 4、集成化特点 5、批量化特点 6、广义化特点 MEMS的应用 Application Fields of
5、MEMS 由于MEMS器件和系统具有体积小、重量 轻、功耗小、成本低、可靠性高、性能优异、 功能强大、可以批量生产等传统传感器无法比 拟的优点，因此在航空、航天、汽车、生物医 学、环境监测、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。 MEMS传感器及其组成的微型惯性测量组合在汽车 自动驾驶、汽车防撞气囊、汽车防抱死系统（ABS ）、减震系统、防盗系统等。GPS定位系统. *在 汽车里作为加速表来控制碰撞时安全气囊防护系 统的施用 * 在汽车里作为陀螺来测定汽车倾斜，控制动态 稳定控制系统 * 在轮胎里作为压力传感器， 在汽车上的应用 MEMS已在空间超微型卫星上得到应用 ,
6、该卫星外形尺寸为 2. 54 cm 7. 62 cm 10. 6 cm,重量仅为 250 g 。2000年 1月 ,发射的两颗试验小卫星是证明空基防御 能力增强的一个范例。对小卫星试验来说幸运的是 ,因其飞行寿命短 ,所以 ,暴露 在宇宙辐射之下并不是关键问题。小卫星上基于硅的 RF开关在太空应用中表现 出优异的性能 ,这得益于它的超微小尺寸。作为一个在海上应用的实例 ,MEMS引 信 /保险和引爆半导体,微电子,集成电路,IC,工艺,设计,器件,封装,测试, F/SA 装置 已成功地用于潜艇鱼雷对抗武器上。引信 /保险和引爆装置的工作包括 3个独立步 骤:发射鱼雷后 ,解除炸药保险、引爆 引
7、信 和防止在不正确时间爆炸 保险 。使用 镀有金属层的硅结合巧妙的封装技术 ,MEMS F/SA器件要比传统的装置小 1个数 量级 ,可安装在 15. 88 cm的鱼雷上 ,这是其他方法做不到的 . 在军事上的应用 国外MEMS 技术在引信中的应用 o MEMS 技术在精确打击弹药引信中的应用 美国FMU2159/ B 硬目标侵彻灵巧引信及加速度计 MEMS 技术在灵巧弹药引信中的应用 采用MEMS 技术的弹道修正引信 装有弹道修正引信的MK64 制导炮弹 MEMS 技术在轻武器面杀伤弹药引信中的应用 单兵20 mm 高爆 榴弹微机电引信 在 1995年的国际会议上已有人正式提出研制全硅卫星的
8、概念 。 即整个卫星由硅太阳能电池板、硅导航模块、硅通信模块等组 合而成 ,这样 ,可使整个卫星的质量缩小到以 kg计算 ,从而使卫 星的成本大幅度降低 。 美国提出的硅固态美国提出的硅固态 卫星的概念图，这卫星的概念图，这 个卫星除了蓄电池个卫星除了蓄电池 外，全由硅片构成外，全由硅片构成 ，直径仅，直径仅15cm15cm。 航空航天的应用 微机械技术在生物医疗中的应用尤其令人惊叹。例如:将微型传感器用口服或皮下 注射法送入人体 ,就可对体内的五脏六腑进行直接有效的监测 。 将特制的微型机器人送入人体 ,可刮去导致心脏病的油脂沉积物 ,除去体内的胆固醇 , 可探测和清除人体内的癌细胞 ,进行
9、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 和智能 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 ,降低手术风险。 同微 电子,集成电路,IC,工艺,设计,器件,封装,测试,MEMS时 ,可进行基因分析和遗传诊断 , 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。 生物医疗和医学上的
10、应用 OMOM智能胶囊消化道内窥镜系统（简称“胶囊内镜”） o 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。 工作时间：8小时左右 视 角 度：140度 视 距：3cm 分 辨 力：0.1mm 体 积：13mm 27.9mm 重 量：6g 外 壳：无毒耐酸耐碱高分子材料 图象记录仪 OMOM胶囊内镜的工作原理是：患者像服药一样用水将智 能胶囊吞下后，它即随着胃肠肌肉的运动节奏沿着胃十 二指肠空肠与回肠结肠直肠的方向运行，同时
11、对经 过的腔段连续摄像，并以数字信号传输图像给病人体外携 带的图像记录仪进行存储记录，工作时间达68小时，在 智能胶囊吞服872小时后就会随粪便排出体外。医生通过 影像工作站分析图像记录仪所记录的图像就可以了解病人 整个消化道的情况，从而对病情做出诊断。 影像工作站 优点: 操作简单:整个检查仅为吞服胶囊、记录与回放观察三个 过程。医生只需在回放观察过程中，通过拍摄到的图片即 可对病情做出准确判断。 安全卫生:胶囊为一次性使用，避免交叉感染 ;外壳采用不 能被消化液腐蚀的医用高分子材料，对人体无毒、无刺激 性 ,能够安全排出体外。 扩展视野:全小肠段真彩色图像清晰微观，突破了小肠检 查的盲区，
12、大大提高了消化道疾病诊断检出率。 方便自如:患者无须麻醉、无须住院，行动自由，不耽误 正常的工作和生活。 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。 胰岛素注射泵疗法或者连续皮下注射胰岛素（CSII）可以替代一天必须输注几次的 单次胰岛素注射法，这种疗法越来越被人们看好。按照CSII治疗方法，糖尿病患者连接 一个可编程的注射泵，注射泵与一个
13、贮液器相连，胰岛素就从这个贮液器输注到人体皮 下组织内，在一天的输液过程中，可根据病人的情况设定液量。 微射流MEMS技术应用于糖尿病治疗. 数字微镜装置可被用来作投影显示器（DMD）。图示为美国TI公司研制的DMD ，它通过可以旋转10的扭转镜来完成投影显示的。微镜通过支撑柱和扭转 梁悬于基片上，每个微镜下都有驱动电极，在下电极与微镜间加一定的电压 ，静电力使微镜倾斜输入光被反射至镜头、投影到屏幕上。未加电压的微镜 处的光线反射至镜头外。这样，微镜使每点产生明暗，投影出图象。 其他应用 投影显示器 仿生学中的应用（仿生纤毛） 地下水流微传感器 Field of Research o理论基础：
14、在当前MEMS所能达到的尺度下，宏观世界基本的物理 规律仍然起作用，但由于尺寸缩小带来的影响（Scaling Effects ），许多物理现象与宏观世界有很大区别，因此许多原来的理论 基础都会发生变化，如力的尺寸效应、微结构的表面效应、微观 摩擦机理等，因此有必要对微动力学、微流体力学、微热力学、 微摩擦学、微光学和微结构学进行深入的研究。 o技术基础：设计、工艺加工(高深宽比多层微结构)、微装配工艺 、微系统的测量等。 o应用研究：如何应用这些MEMS系统也是一门非常重要的学问。人 们不仅要开发各种制造MEMS的技术，更重要的是如何将MEMS器件 用于实际系统，并从中受益。 MEMS器件根据
15、其特性分成微传感器、微执行 器、微结构器件、微机械光学器件等。 微传感器 机械类 化学类 磁学类 生物类 力学力矩 位置 速度 加速度 流量角速度(陀螺) 气体成分湿度 PH值离子浓度 微执行器马达齿轮扬声器开关 微结构器件薄膜探针弹簧微梁 微腔沟道微轴锥体 微光学器件微镜阵列微光扫描器 微斩光器光编码器微光阀 微干涉仪微光开关微透镜 MEMS制造工艺 Manufacturing Technology of MEMS o 大机械制造小机械，小机械制造微机械 n 日本为代表 o LIGA工艺 n Lithograpie(光刻)、Galvanoformung(电铸) Abformung(塑铸) n
16、 德国为代表 o 硅微机械加工工艺：体硅工艺和表面牺牲层工艺 n 美国为代表 Materials o 硅基材料 单晶硅，多晶硅，非晶硅，二氧化硅，氮化硅，碳 化硅，SOI(Silicon On Insulator)。 o 聚合物材料 光刻胶，聚二甲硅氧烷 o 其他材料 砷化镓，石英，玻璃，钻石，金属。 驱动材料 o NiTi o 坡莫合金 o 锆钛酸铅（PTZ） o 水凝胶（Hydrogels） Technologies o 物理气相淀积(Physical Vapour Deposition ) o 化学气相淀积(Chemical Vapour Deposition) o 电镀（Electroplating） o 旋转铸模 （Spin Casting） o 溶胶-凝胶（SolGel Depo
