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1、MEMS和微系统概述工学院工学院 机械系机械系 张晓蕾张晓蕾目录1MEMS的定义及组成2MEMS的发展史3MEMS的特点4典型MEMS器件及应用 一尺之锤，日取其半，万事不绝。一尺之锤，日取其半，万事不绝。 庄子：天下篇 （公元前571年至公元前471年之间）西游记西游记中孙悟空变成小虫中孙悟空变成小虫钻进铁扇公主的肚子里钻进铁扇公主的肚子里n 美国科幻电影美国科幻电影惊异大奇航惊异大奇航中在人血管中前进的微型舰艇中在人血管中前进的微型舰艇n多年的期盼多年的期盼n发生在发生在2020世纪世纪9090年代的故事年代的故事如胆结石手术、心脏搭桥手术、肿瘤切除手术等。如胆结石手术、心脏搭桥手术、肿瘤
2、切除手术等。能够减轻病人的痛苦。能够减轻病人的痛苦。1.1.微创手术微创手术腹腔插入腹腔镜、手术工具、摄像头等腹腔插入腹腔镜、手术工具、摄像头等监视器监视器遥控操作遥控操作发生在发生在2020世纪世纪9090年代的故事年代的故事n 气囊加速度传感器：感受振动信号，避免强烈冲击气囊加速度传感器：感受振动信号，避免强烈冲击对驾驶员造成伤害。对驾驶员造成伤害。n发生在发生在2020世纪世纪9090年代的故事年代的故事2.2.汽车中气囊汽车中气囊发生在发生在2020世纪世纪9090年代的故事年代的故事n发生在发生在2020世纪世纪9090年代的故事年代的故事3.3.微型摄像系统微型摄像系统背着微型摄像
3、系统的蟑螂背着微型摄像系统的蟑螂微型摄像机在地震废墟中微型摄像机在地震废墟中传回图形信号传回图形信号 一一、MEMSMEMS的定义及组成的定义及组成 MEMSMEMS（Micro Electro-Machanical System,Micro Electro-Machanical System,微机电系统微机电系统) )是是2020世纪末发展起来的一门新兴的前沿学科，它是在微电子二世纪末发展起来的一门新兴的前沿学科，它是在微电子二维表面加工技术的基础上发展起来的，以硅、玻璃、有机材料维表面加工技术的基础上发展起来的，以硅、玻璃、有机材料以及金属材料的三维加工技术为基础，结合功能材料及薄膜化以及
4、金属材料的三维加工技术为基础，结合功能材料及薄膜化制备工艺，把微型传感单元、执行单元、微能源以及微电子电制备工艺，把微型传感单元、执行单元、微能源以及微电子电路集成在一个芯片上的具有传感、执行和数据处理功能的微型路集成在一个芯片上的具有传感、执行和数据处理功能的微型系统。系统。 1.MEMS1.MEMS的定义的定义 一一、MEMSMEMS的定义及组成的定义及组成n美国：微型机电系统美国：微型机电系统(Microelectro-mechanical System, MEMS)n日本：微机械日本：微机械(Micro-machine)n欧洲：微系统欧洲：微系统(Micro-system)n 我们把这
5、些通称为微机电系统我们把这些通称为微机电系统(MEMS)2.MEMS2.MEMS的三大流派的三大流派n 小型小型(mini-) 机械机械(1mm10mm)n 微型微型(micro-)机械机械(1m1mm)n 纳米纳米(nano-) 机械机械(1nm1mm)n1mm=10-6m（微米）、（微米）、1nm=10-9m（纳米）（纳米）n1um100mm为微米尺度为微米尺度n100nm1mm为亚微米尺度为亚微米尺度n1nm100nm为纳米尺度为纳米尺度n小于小于1nm为原子团簇为原子团簇 一一、MEMSMEMS的定义及组成的定义及组成3.3.微型机械尺寸范围微型机械尺寸范围（按特征尺寸）（按特征尺寸）
6、微型机械微型机械三、三、MEMS 组成组成n MEMSMEMS是微电子同微机械的结合，如果把微电子电路比作人的大脑，是微电子同微机械的结合，如果把微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，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。就是一个功能齐全而强大的微系统。4.MEMS4.MEMS的组成的组成 一、一、MEMSMEMS的定义及组成的定义及组成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MEMSMEMS控制部分控制部分微电子学微电子学n传统的机械传统的机械电子系统电子系统nICIC
7、工艺发展后工艺发展后的机械电子系统的机械电子系统n机械系统和传感系统缩小机械系统和传感系统缩小后与控制系统平衡的后与控制系统平衡的MEMSMEMS4.MEMS4.MEMS的组成的组成 一、一、MEMSMEMS的定义及组成的定义及组成二、二、微微机电发机电发展史展史“如果有一天可以按照如果有一天可以按照人们的意志安排一个个人们的意志安排一个个原子，那将会产生什么原子，那将会产生什么样的奇迹呢？样的奇迹呢？”1959195919591959年年年年量子物理学家理查德量子物理学家理查德费曼费曼在加州理工学院演讲在加州理工学院演讲n推荐书：推荐书：n别逗了，费曼先生：怪才历险记别逗了，费曼先生：怪才历
8、险记 1.1.追溯追溯n （1 1）起始点）起始点（ 20 20世纪世纪5050年代末、年代末、6060年代初）年代初）n 集成电路（集成电路（ICIC）技术出现，实现在微米尺度上规模制作）技术出现，实现在微米尺度上规模制作电子元器件和电路。电子元器件和电路。n 重要研究成果重要研究成果：n 1954 1954年：史密斯发现了压阻效应。年：史密斯发现了压阻效应。n 1958 1958年：人们用单晶硅制作了半导体应变片，其灵敏度年：人们用单晶硅制作了半导体应变片，其灵敏度是金属应变片的数十倍。是金属应变片的数十倍。n 1962 1962年：第一个硅压力传感器问世。年：第一个硅压力传感器问世。二、
9、二、微微机电发机电发展史展史2.2.三十年的积累三十年的积累（2020世纪世纪5050年代末到年代末到2020世纪世纪8080年代末）年代末） （2）萌芽阶段）萌芽阶段（20世纪世纪60年代中期到年代中期到20世纪世纪80年代）年代） 开展了一些有关开展了一些有关MEMS的零散研究的零散研究：硅各向异性腐蚀技术用于在平面硅衬底上加工三维结构。硅各向异性腐蚀技术用于在平面硅衬底上加工三维结构。利用集成电路的加工技术制造利用集成电路的加工技术制造MEMS器件，如悬臂梁、薄膜器件，如悬臂梁、薄膜和喷嘴等。和喷嘴等。 20世纪世纪70年代，年代，IBM实验室研发了薄膜型硅微压力传感器。实验室研发了薄膜
10、型硅微压力传感器。这种传感器比传统薄膜传感器有更高灵敏度，并可批量化生这种传感器比传统薄膜传感器有更高灵敏度，并可批量化生产。产。二、二、微微机电发机电发展史展史2.2.三十年的积累三十年的积累1987年年，微机电微机电研究真正研究真正兴兴起起标志标志：加州大加州大学学伯克利分校研伯克利分校研制制成功成功了了直直径为径为10mm的的硅硅微微马达马达。第一个丰收的季节第一个丰收的季节第一台静电微马达第一台静电微马达3.3.丰收的季节丰收的季节（2020世纪世纪8080年代末，年代末，9090年代初年代初）世界上第一个微电机（世界上第一个微电机（19881988）1212个固定电极、个固定电极、8
11、 8个转子电极个转子电极19881988年，伯克利分校科研人员为年，伯克利分校科研人员为直径约直径约120120mm的静电马达通电并的静电马达通电并成功使其运转。成功使其运转。二、二、微微机电发机电发展史展史 9090年代初，年代初，ADIADI的气囊的气囊加速度计实现产业化。加速度计实现产业化。 90 90年代末，年代末，SandiaSandia实验室实验室5 5层多晶硅技术代表最高水平。层多晶硅技术代表最高水平。二、二、微微机电发机电发展史展史3.3.丰收的季节丰收的季节三、三、MEMSMEMS的特的特点点 MEMS器件器件体积体积小、重量小、重量轻轻、耗能低、耗能低、惯性惯性小、小、谐振
12、频率谐振频率高、高、响应时间响应时间短短 。因为惯性质量小，小的系统比大的系统因为惯性质量小，小的系统比大的系统移动更迅速移动更迅速小器件的小尺寸所面临的小器件的小尺寸所面临的热变形热变形和和振动问题振动问题会更小会更小小系统除了具有小系统除了具有更精确的性能更精确的性能外，它们的小尺寸也使得它们外，它们的小尺寸也使得它们更适合应用在药品和手术中更适合应用在药品和手术中1.微型化微型化 主要材料主要材料：硅：硅 优优 点：强点：强度、硬度度、硬度、杨、杨氏模量氏模量：与铁：与铁相相当当 密度密度：近：近似似铝铝 热传导热传导率率：接近接近钼钼和和钨钨其他材料：石英，砷化镓其他材料：石英，砷化镓
13、基底材料基底材料 玻璃、塑料和金属玻璃、塑料和金属封装材料封装材料 聚合物、金属材料聚合物、金属材料微系统制作微系统制作硅片硅片三、三、MEMSMEMS的特的特点点2.2.制造材料性能稳定制造材料性能稳定 用用硅硅微加工工微加工工艺艺在一片在一片硅硅片上可同片上可同时制时制造成百上千造成百上千个个微微型型机电装机电装置或完整的置或完整的MEMSMEMS。批量生。批量生产产可大大降低生可大大降低生产产成本。成本。 在在硅硅晶晶圆片圆片上上制制作作数数百百个压个压力力传感传感元件元件三、三、MEMSMEMS的特的特点点3.3.批量化生产批量化生产 不同功能、敏感方向不同功能、敏感方向、致致动动方向
14、的多方向的多个传感器个传感器或或执执行器集成行器集成于于一一体，体，形成形成复杂复杂的微系的微系统统。 集成了传感器、缓冲器、振集成了传感器、缓冲器、振荡器、解调器、信号发生器、载荡器、解调器、信号发生器、载波电容器等。波电容器等。三、三、MEMSMEMS的特的特点点4.4.集成化程度高集成化程度高ADIADI公司生产的微加速度计公司生产的微加速度计MEMSMEMS芯片芯片 MEMS涉及涉及电电子、子、机机械、材料、械、材料、制制造、造、通讯和通讯和自自动动控控制、物理、化制、物理、化学学 和生物等多和生物等多种学种学科科。三、三、MEMSMEMS的特的特点点5.5.多学科交叉多学科交叉四、典
15、型四、典型MEMSMEMS器件及应用器件及应用一个比蚂蚁头的尺寸还要小得多的齿轮一个比蚂蚁头的尺寸还要小得多的齿轮双层微齿轮双层微齿轮1.MEMS1.MEMS器件器件微齿轮微齿轮四、典型四、典型MEMSMEMS器件及应用器件及应用微齿轮微齿轮 图正前方毛毛嘈嘈的东西是一粒灰尘，其后方是一个微机图正前方毛毛嘈嘈的东西是一粒灰尘，其后方是一个微机械部件，只有几个微米！械部件，只有几个微米！微机械部件微机械部件微泵微泵微机械部件微机械部件四、典型四、典型MEMSMEMS器件及应用器件及应用美国美国SandiaSandia实验室制作的微驱动系统实验室制作的微驱动系统与一只昆虫触须的对比图与一只昆虫触须
16、的对比图新加坡南洋理工大学齿轮传动机构新加坡南洋理工大学齿轮传动机构微传动机构微传动机构微驱动系统微驱动系统微齿轮传动机构微齿轮传动机构四、典型四、典型MEMSMEMS器件及应用器件及应用超声微超声微马达马达在光纤多路开关中使用在光纤多路开关中使用的静电旋转微马达的静电旋转微马达静电静电微马达微马达电磁型微马达与芝麻电磁型微马达与芝麻微马达微马达国内自主开发几种微马达国内自主开发几种微马达四、典型四、典型MEMSMEMS器件及应用器件及应用远远比比蚂蚁还蚂蚁还小小的微涡轮的微涡轮四、典型四、典型MEMSMEMS器件及应用器件及应用微涡轮微涡轮微型涡轮叶片微型涡轮叶片微型光开关微型光开关 用于控
17、制来自光纤的用于控制来自光纤的入射光转到相应的接收光入射光转到相应的接收光纤中。纤中。 微镜微镜四、典型四、典型MEMSMEMS器件及应用器件及应用MirrorSupportStructureSubstrate HingesTorsion Hinges1st DOF2nd DOFForce-redirecting Linkage微镜微镜四、典型四、典型MEMSMEMS器件及应用器件及应用七、七、MEMSMEMS的应用的应用MEMSMEMS应用领域涉及计算机、汽车、通讯、医药、军事等应用领域涉及计算机、汽车、通讯、医药、军事等2.MEMS2.MEMS的应用的应用四、典型四、典型MEMSMEMS器
18、件及应用器件及应用应用之一：计算机方面应用应用之一：计算机方面应用四、典型四、典型MEMSMEMS器件及应用器件及应用 世界上第一台通用计算机于世界上第一台通用计算机于19461946年在美国宾夕法尼亚年在美国宾夕法尼亚大学诞生。它是一个庞然大物，用了大学诞生。它是一个庞然大物，用了1800018000只电子管、只电子管、3030吨、吨、150150平方米、平方米、2525千瓦。千瓦。1958年9月12日: INTEL公司研发了集成电路（IC）。1975年,ATARI-8800微电脑问世。 1981年8月12日: IBM发布其个人计算机，有64K内存、单色显示器 。1982年问世的Intel2
19、86集成了120000个晶体管1994年 互联网商业化运作正式开始 1999年推出的Pentium 处理器集成的晶体管数目达24000000个。1958195819711971199419941982198219751975集成电路集成电路, 笔记本电脑，互联网笔记本电脑，互联网1971年11月15日: Marcian E. Hoff在INTEL公司开发成功第一块微处理器4004，含2300个晶体管。四、典型四、典型MEMSMEMS器件及应用器件及应用MEMS技术的里程碑CMOS片上麦克风这一CMOS器件在体积、成本和性能参数上都有改进，这种表面装配插件的尺寸是4*4*1.8毫米。 CMOSC
20、MOS片上麦克风片上麦克风四、典型四、典型MEMSMEMS器件及应用器件及应用 喷墨打印机喷墨打印机 惠普公司在惠普公司在19781978年首先发明了基于硅微机械加工技术的喷年首先发明了基于硅微机械加工技术的喷墨打印机喷嘴墨打印机喷嘴。四、典型四、典型MEMSMEMS器件及应用器件及应用应用之二：汽车上的应用应用之二：汽车上的应用四、典型四、典型MEMSMEMS器件及应用器件及应用汽车未来的发展方向是智能汽车汽车未来的发展方向是智能汽车日本一家公司利用日本一家公司利用MEMS技技术制作的小型化汽车术制作的小型化汽车四、典型四、典型MEMSMEMS器件及应用器件及应用美国桑迪亚国家实验室研制的小
21、型自美国桑迪亚国家实验室研制的小型自动机器人汽车，体积为动机器人汽车，体积为1立方英寸立方英寸STST三轴线性三轴线性MEMSMEMS加速计加速计提高超薄设计的产品性能提高超薄设计的产品性能 微机电系统（微机电系统（MEMSMEMS）为）为iPhoneiPhone提供了很大帮助，因为没提供了很大帮助，因为没有有MEMSMEMS，苹果的，苹果的iPhoneiPhone就无法触屏，也无法根据用户手持手就无法触屏，也无法根据用户手持手机的方向将网页从竖屏旋转成横屏显示。机的方向将网页从竖屏旋转成横屏显示。飞思卡尔电容式触摸传感器飞思卡尔电容式触摸传感器为便携式应用带来智能控制为便携式应用带来智能控制
22、应用之三：通讯行业应用（手机）应用之三：通讯行业应用（手机）四、典型四、典型MEMSMEMS器件及应用器件及应用MEMSMEMS在医学领域中的应用主要集中以下几个方面：在医学领域中的应用主要集中以下几个方面：n微创外科手术：可以减轻病人痛苦。微创外科手术：可以减轻病人痛苦。n药物定点输送：直接将药物输送到病变位置，同时可药物定点输送：直接将药物输送到病变位置，同时可检测病变处血液样品参数，定时遥控释放药物，提高检测病变处血液样品参数，定时遥控释放药物，提高疗效。疗效。n人造器官：包括人造心脏、肾脏、心肺、电动假肢以人造器官：包括人造心脏、肾脏、心肺、电动假肢以及人造血管、器官、关节等。及人造血
23、管、器官、关节等。应用之四：医学领域应用应用之四：医学领域应用四、典型四、典型MEMSMEMS器件及应用器件及应用 药物注射微针头阵列药物注射微针头阵列四、典型四、典型MEMSMEMS器件及应用器件及应用为什么扎针时感觉疼痛，被蚊子叮咬时不会感觉疼痛？为什么扎针时感觉疼痛，被蚊子叮咬时不会感觉疼痛？ 传统药物注射针尖部分已经刺入到神经末梢的皮肤传统药物注射针尖部分已经刺入到神经末梢的皮肤组织层，该皮肤组织层处于皮肤表面大约组织层，该皮肤组织层处于皮肤表面大约5070m5070m。 未来的战争是电子信息战，其重要特征之一就是窃取和未来的战争是电子信息战，其重要特征之一就是窃取和反窃取情报。坦克、
24、大炮等有可能退出历史舞台。微纳米传反窃取情报。坦克、大炮等有可能退出历史舞台。微纳米传感器也可打扮成树叶、草杆、蚂蚁、苍蝇等，用空投等方法感器也可打扮成树叶、草杆、蚂蚁、苍蝇等，用空投等方法将其投入到所需预定地方，构成一个分布式传感器网络，用将其投入到所需预定地方，构成一个分布式传感器网络，用以收集情报。以收集情报。手指肚大小的微飞行器四、典型四、典型MEMSMEMS器件及应用器件及应用应用之五：军事上的应用应用之五：军事上的应用微微飞飞行器行器 拍撲式微拍撲式微飞飞行器，最行器，最长长制制空时间达空时间达6分分钟钟，总总重量不重量不到到20克克，应用于军，应用于军事、航事、航空空、情情报报、
25、娱乐娱乐等等领域。领域。双桨直升机与花生比较双桨直升机与花生比较 四、典型四、典型MEMSMEMS器件及应用器件及应用欧洲研制微型机器人试图控制敌方雷达欧洲研制微型机器人试图控制敌方雷达金龟虫机器人金龟虫机器人可立于指甲盖上的微型机器人可立于指甲盖上的微型机器人 微型机器人微型机器人四、典型四、典型MEMSMEMS器件及应用器件及应用 MEMS技术生产出来的机器人非常精小，其长度，宽度技术生产出来的机器人非常精小，其长度，宽度和高度都小于和高度都小于4毫米。该机器人采用太阳能电池的顶部，并拥毫米。该机器人采用太阳能电池的顶部，并拥有三个机械触手，以及一个触摸传感器触手。研究人员解释有三个机械触
26、手，以及一个触摸传感器触手。研究人员解释说，一个单一的微型机器人本身是一个简单的个体，但是相说，一个单一的微型机器人本身是一个简单的个体，但是相互之间能够利用红外线传感器与环境互动，形成群体，清理互之间能够利用红外线传感器与环境互动，形成群体，清理污染物或修复机器内部故障时非常有效。污染物或修复机器内部故障时非常有效。未来的未来的“跳蚤跳蚤”大军大军四、典型四、典型MEMSMEMS器件及应用器件及应用参考书参考书u 微机电系统工程基础微机电系统工程基础 王琪民等编著（中国科学基础大学出版社）u MEMS MEMS和微系统和微系统设计与制造设计与制造 徐泰然著，王晓浩等译（机械工业出版社）u 微机电系统基础微机电系统基础 黄庆安译（机械工业出版社）u 微纳米测量技术微纳米测量技术 王伯雄等编著（清华大学出版社）
