微机电系统（MEMS）设计与应用读书报告学院：电子科学与应用物理学院 专业：电子与通信工程 班级：038 班学号：姓名：1. MEMS的概念MEMS 是 Micro-Electro-Mechanical-Systems 的缩写即微机电系统，它是 在微电子技术的基础上发展起来的，融合了硅微加工、LIGA技术和精密机械加 工等多种微加工技术，并应用现代信息技术构成的微型系统它包括感知和控制 外界信息（力、热、光、生、磁、化等）的传感器和执行器，以及进行信号处理和 控制的电路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、甚至外围接口、通信电路和电源等一体的微型器件或系统，其特征尺寸 范围为lnm~10mm美国：MEMS— Micro-Electro-Mechanical-System欧洲：Micro System日本：Micro Machine其它：Micro & Nano技术1. 1微细加工的概念（1）、广义角度MEMS包含了各种传统精密加工方法和与传统精密加工方法完全不同的新方 法，如切削加工、磨料加工、电火花加工、电解加工、化学加工、超声波加工、 微波加工、等离子体加工、外延生长、激光加工、电子束加工、离子束加工、光 刻加工、电铸加工等。
2）、狭义角度MEMS主要指半导体集成电路制造技术，因为微细加工和超微细加工是在半 导体集成电路制造技术的基础上形成并发展的，它们是大规模集成电路和计算机 技术的技术基础，是信息时代、微电子时代、光电子时代的关键技术之一其加 工方法多偏重于指集成电路制造中的一些工艺，如化学气相沉积、热氧化、光刻、 离子束溅射、真空蒸镀以及整体微细加工技术1. 2微细加工的发展历程19世纪的照相制版技术，诞生了光制造技术1959年，诺贝尔物理奖获得者Richard P. Feynman提出微型机械的概念1962年，加利福尼亚和贝尔实验室开发出微型硅压力传感器70年代开发出硅片色谱仪、微型继电器 70~80年代利用微机械技术制作出多种微小尺寸的机械零部件1988年uc2Muller小组制作了硅静电马达，1989年NSF召开研讨会，提出 了“微电子技术应用于电（子）机系统”自此，MEMS成为一个世界性的学 术用语，MEMS技术的研究开发日益成为国际上的一个热点目前，在美、 日、欧三地轮回每年举行一次，名为IEEE国际微机电系统年会1982年，美国U.C.Bekeley,表面牺牲层技术微型静电马达成功，MEMS进 入新纪元。
表面牺牲层技术微型静电马达90年代中期：ICP的出现促进体硅工艺的快速发展九十年代初：ADI的气囊加速度计实现产业化rEECircuttryY>Axi&4teLULLLl上lir九十年代末：Sandia实验室5层多晶硅技术代表最高水平2000年底：MEMSSi宣布研制成功与标准CMOS兼容的加速度计——新动向1.3微细加工的特点一般地说，MEMS具有以下几个非约束性的特征：(1) 尺寸在毫米到微米范围之内，区别于一般宏(Macro),即传统的、大于1 厘米尺度的“机械”但并非进入物理上的微观层次2) 基于(但不限于)硅微加工(S il icon Micro fabrica tion)技术制造3) 与微电子芯片类同，可大批量、低成本生产，性能价格比传统“机械”制 造技术大幅提咼4) MEMS中的“机械”不限于狭义的机械力学中的机械，它代表一切具有能量转化、传输等功能的效应，包括力、热、声、光、磁，乃至化学、生物能等5) MEMS的目标是微“机械”与IC集成的微系统一有智能的微系统用以上特征衡量，用微电子技术，但不限于此，制造的微小机构、器件、部 件和系统等都属于MEMS范围，微机械和微系统只是MEMS发展的不同层次，有关 的科学技术都可统称为MEMS技术。
在微机械中通常使用硅作为功能材料，这是由于硅材料具有下列的特点：(1) 它比铝轻，比不锈钢的拉伸强度高，硬度高，弹性好，抗疲劳；(2) 在许多环境下，不生锈，不溶解，耐高温，可借用现有的集成电路加工设 备及工艺技术，很容易制作出微米程度的微构造，从而大大降低MEMS的研制费；(3) 利用集成电路技术在可能把微机械同微处理器、传感器等电路巧妙地集成 到一块硅片上，利用光刻技术和自动生产线可廉价大量生产，硅资源很丰富，市 场上有大量的高纯度硅片出售对微构造而言，由硅制作的膜片、梁或弹簧呈现很好的弹性且无塑性变形， 其机械强度和可靠性比同样形状和尺寸的金属微结构更为优异2.1 MEMS的特征MEMS的制作主要基于两大技术，IC技术和微机械加工技术与传统的微电 子和机械加工技术相比，MEMS技术具有以下几个显著的特点：① 微型化：MEMS技术已经达到微米乃至亚微米量级，利用MEMS技术制作的器 件具有体积小、耗能低、惯性小、频率高、响应时间短等特点，可携带性得以提 高② 集成化：微型化利于集成化，把不同功能、不同敏感方向和制动方向的传感器、 执行器集成于一体，形成传感器阵列，甚至可以与IC 一起集成为更复杂的微系 统。
③ 以硅为基本材料：主要有晶体硅和氮化硅等力学特性良好，具有咼灵敏性， 强度、硬度和弹性模量与铁相当，密度同铝，仅为钢的三分之一，热传导率接近 铜和钨④ 生产成本低：在一个硅片上可同时制作出成千上万的微型部件或MEMS，制作 成本大幅度下降，有利于批量生产2.2 MEMS的研究领域微电子机械系统(MEMS )技术基于微电子和微机械的有机集成，涉及微电子 学、微机械学、微材料学、微摩擦学、微电磁学、微光学、微动力学、微流体力 学、微热力学、自动控制、物理、化学及生物医学等多个学科的研究领域，集约 了各学科前沿领域研究的新技术、新成果和纳米科学技术(NST) —起被列为21 世纪关键技术之首概括起来，MEMS研究可以分为理论基础、关键技术以及应 用领域3个主要组成部分：1. 基础理论 在微观领域，许多物理现象同宏观领域相悖，这可由尺寸效应来解释尺寸效应：当物体的尺寸L改变时，各种物理量比例于Ln而变化的现象 例：蒲公英的种子或灰尘的下落、潜水艇的反作用的惯性力的推动、热交换和化 学反应、煮萝卜、铁粉的燃烧等微机械常用材料、微构造的机械特征、微构造的振动特性、微构造的热特性、 微机械的驱动原理等。
2. 关键技术⑴ 微系统设计技术：主要指微结构设计数据库、有限元分析、CAD/CAM仿 真和拟实技术、微系统建模等，计算机辅助设计，CAD，是微系统设计的主 要工具⑵微细加工技术：主要指高深度比、多层微结构的硅表面加工和体加工技 术，是微机电系统技术的核心技术⑶微机械材料：包括用于敏感元件和致动元件的功能的材料、结构材料， 具有良好电气、机械性能，适应微型加工要求的材料⑷微系统测量技术：涉及材料的缺陷、电气机械性能、微结构、微系统参 数和性能测试，在测量的基础上，建立数学、力学模型⑸微系统的集成和控制：包括系统设计、微传感器和微执行器与控制、通 信电路以及微能源的集成等⑹微系统组装与封装技术：材料的粘结、硅玻璃静电封装等3. 应用领域微传感器、微致动器是构成微机电系统的基础1） 微传感器微传感器是MEMS最重要的组成部分1962年第一个硅微型压力传感器后， 微传感器得到了迅速的发展，同时MEMS技术的应用又使传感器的性能提高了几 个数量级如今，微传感器主要包括以下几种：面阵触觉传感器、谐振力敏传感 器、微型加速度传感器以及真空微电子传感器等已研究或形成的器件主要有： 力、加速度、速度、位移、pH值、微陀螺、触觉传感器等。
其中，微压力传感 器是利用机械结构的固有频率在外力作用下其频率发生变化来检测外力的，它将 被用在未来机器人的人造皮肤上，使机器人具有敏锐的触觉，机器人的四肢将变 得和人的四肢一样灵巧微型加速度传感器采用电阻热激振、压阻电桥同步枪测 的方法来获得信号输出汽车安全气囊的核心部件就是微型加速度传感器，另外， 未来机器人的运动平衡系统也将用到这种传感器，使其运动像人一样稳健和灵 活2） 微致动器 电子式能量转换器之一，其功能是将电能转换成物理量 微致动器主要种类有:微机电、微开关、微谐振器、微阀门和微泵等微执行器的驱动力主要有静电、压力、电磁和热如以静电作为动力的微执行器,用 静电间的吸引力，改变极间的电压就可以推动某一板做机械运动进一步将微型 执行器分布成阵列，系列化可以做很多事，如物体的搬运、定位等2003年MEMS会议上，瑞士的L.Dellman报道了一种用于手表的微型机械加 工压电弹力电机，力距高达1 口N.m，而功率仅10口W3.1 MEMS加工技术传统的制造业依赖大量的关键机械设备和有关的工艺，这些设备和工艺已有 几十年甚至上百年的历史了例如铸造、锻造、车削、磨削、钻孔和电镀等均是 一个综合的制造环境所必不可少的。
这些设备和工艺与大量的其它物理和化学手 段及工艺均用作制造环境的基础，它们在半导体产业中均具有其相应的替代技 术光学光刻，耦合等离子刻蚀，金属的溅射涂覆，金属的等离子体增强化学汽 相淀积和介质隔离以及在掺杂工艺中的离子注入和衬底处理，现都已成为集成电 路制造中的常规工艺基于电子束制版和光学投影光刻及电子束直写光刻这种基 本的图形加工技术现已成为先进的纳米尺寸作图技术的主要角色上述的这些设 备和技术以及一些还未流行的设备的工艺目前正被用于MEMS的纳米技术制造， 且成为微时代的微机械加工设备从工艺上讲，MEMS的制造技术分为部件及子系统制造工艺和封装工艺，前 者包括半导体工艺、集成光学工艺、厚薄膜工艺、微机械加工工艺等，后者包括 硅加工技术、激光加工技术、粘接、共熔接合、玻璃封装、静电键合、压焊、倒 装焊、带式自动焊、多芯片组件工艺等MEMS与微电子系统比较，区别在于其包含有微传感器、微执行器、微作用 器、微机械器件等的子系统，相对静态微器件的系统而言，MEMS的加工技术难 度要高MEMS加工技术是在硅平面技术的基础上发展起来的，虽然历史不长， 但发展很快，已成为当今最重要的新技术之一从目前应用来看，其加工技术主 要可分为硅基微机械加工技术和非硅基微机械加工技术。
制作MEMS的技术主要有三种第一种是以日本为代表的利用传统机械加工 手段，即利用大机器制造出小机器，再利用小机器制造出微机器的方法；第二种 是以美国为代表的利 用化学腐蚀或集成电路工艺技术对硅材料进行加工，形成硅基MEMS器件；第三 种是以德国为代表的LIGA（LIGA是德文Lithograpie-光刻、Galvanoformung-电 铸和Abformung-塑铸三个词的缩写）技术，它是利用X射线光刻技术，通过电铸 成型和铸塑形成深层微结构的方法第二种方法与传统IC工艺兼容，可以实现微机械和微电子的系统集成，而 且该方法适合于批量生产，已经成为目前MEMS的主流技术由于利用LIGA技术 可以加工各种金属、 塑料和陶瓷等材料，而且利用该技术可以得到高深宽比的精细结构，它的加工深 度可以达到几百微米，因此LIGA技术也是一种比较重要的MEMS加工技术㈠ 微细加工技术・微制造中的成形技术・微制造中的材料沉积技术・微制造中的材料去除技术•光刻技术・硅微加工技术• LIGA 技术• 微切削技术• 微细电火花加工• 微细激光加工• 纳米加工技术3.。