微机电系统
微机电系统结构
微机电系统结构
微机电系统（MEMS）是一种将微电子技术与机械工程结合的微型系统。
它的结构主要包括以下几个部分：
1.微传感器：这是MEMS的最基本组成部分，用于感知外部信号，如温度、
压力、声音等，并将其转换为可处理的电信号。
2.微执行器：这是MEMS的另一重要组成部分，负责将电能转换为机械能，
以实现驱动、控制等功能。
3.信号处理电路：为了对微传感器采集的信号进行处理，MEMS还包括相应
的信号处理电路，以便对信号进行放大、滤波、模数转换等处理。
4.通信接口：MEMS系统通常还需要一个通信接口，以便将MEMS传感器采
集的数据传输到外部设备或系统中。
5.电源：为使MEMS系统正常工作，通常需要为其提供电源。
这可以是内部
电池，也可以是外部电源。
6.封装：MEMS系统需要进行封装，以保护其内部的微机械结构和电路等免
受外界环境的影响。
封装可以采用各种材料和技术，以满足不同的应用需求。
MEMS系统的结构可以根据需要进行定制，以满足特定的应用需求。
其微型化的特点使得MEMS在许多领域都具有广泛的应用前景，如汽车、医疗、航空航天等。
微机电系统
近年来，国际上MEMS的专利数正呈指数规律增长，MEMS技术全面“开花”，各式各样的MEMS器件，已成功地应用于自动控制、信息、生化、医疗、环境监测、航空航天和国防军事等领域。其中微型压力传感器、微加速度计、喷墨打印机的微喷嘴和数字微镜显示器件（DMD）已实现规模化生产，并创造了巨大的经济效益。美国ADI公司的集成加速度计系列已经大量生产，占据了汽车安全气囊的大部分市场，年销售额约为2亿美元；TI公司利用MEMS技术生产的DMD显示设备，占有高清晰投影仪市场的大部分份额。
当我们改变这种跛行的状况时，记得关注一下MEMS方面的发展。假如你看到惠普在MEMS领域大放异彩，千万不要感到吃惊，因为他们的Thinkjet早在1984年就已经开始使用这样的技术，他们的MEMS研究从那时就已经开始了。
根据Gartner的估算，MEMS业务的规模到2012年就将超过44亿美元。我想，这还是一个保守的估计。
这就让我们的芯片技术拥有了又一个发展方向。比如，一家葡萄酒厂可以装备成千上万的传感器，基于每一根葡萄藤的具体情况来精确控制灌溉系统。
只要是你能够想到的会使用传感器的地方，我们都可以用到这种技术。这种研究目前在美国还不是很火热，但是在欧洲情况便截然不同。不过，尽管欧洲人做得红红火火，将MEMS视作他们半导体行业未来的发展方向，但是在现实当中，惠普和德州仪器已经分别成为了这一领域的一号和二号角色，确立了自己在全世界范围内的地位。
“目前，MEMS器件应用最成功、数量最大的产业当属汽车工业。”对于它的应用，孙立宁告诉记者。
现代汽车采用的安全气囊、防抱死制动系统（ABS）、电喷控制、转向控制和防盗器等系统都使用了大量的MEMS器件。为了防止汽车紧急刹车时发生方向失控和翻车事故，目前各汽车制造公司除了装备ABS系统之外，又研制出电子稳定程序（ESP）系统与ABS系统配合使用。发生紧急刹车情况时，这一系统可以在几微秒之内对每个车轮进行制动，以稳定车辆行车方向。
微机电系统概论
美国：微型机电系统
MEMS:
Micro electro mechanical system
日本：微机械
Micro
machine system
欧洲：微系统
Micro
微尺寸效应的影响
1、微尺寸效应对于元器件间的作用力的影响
随着尺寸的减小，与尺寸3次方成比例的像惯性力、 体积力及电磁力等的作用将明显减弱；而与尺寸2次方 成比例的像粘性力、表面力、静电力及摩擦力等的作用 则明显增强，并成为影响微机械性能的主要因素。 在微机械设计中，多利用静电力驱动。 在微机械中，又由于表面积与体积之比相对增大，使 热传导的速度也相对增加。 研究微机械中的摩擦、磨损的特性与机理是该领域的 主要课题之一。
To
In
Technology & Engineering
(low cost) (new applications)
Batch
fabrications Small size Performance (improvement)
质谱仪（Mass spectrograph）
惯性测量系统
什么是微机电系统
光 声 压力 温度 化学 其它 能量 传 感 器 模 拟 信 号 处 理 器 数 字 信 号 处 理 器 模 拟 信 号 处 理 器 执 行 器 信息 其它 信息处理单元 运动
感测量 通讯/接口单元
控制量
光/电/磁
机械与机电系统；宏观机电系统与微机电系统 微机电系统： 它是以微传感器、微执行器以及驱动和控制电 路为基本元器件组成的、可以活动和控制的、机 电合一的微机械装置。 特点： 1、学科交叉（力学、机械、电学、光学、电磁 学、生物、化学等学科）2、微型化、集成化和 智能化；3、低成本批量化；4、应用广泛（军民 两用）5、高新技术。
MEMS微机电系统(Micro-Electro-Mechanical Systems)
MEMS是微机电系统（Micro-Electro-Mechanical Systems）的英文缩写。
MEMS 是美国的叫法，在日本被称为微机械，在欧洲被称为微系统，它是指可批量制作的，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、直至接口、通信和电源等于一体的微型器件或系统。
MEMS是随着半导体集成电路微细加工技术和超精密机械加工技术的发展而发展起来的，目前MEMS加工技术还被广泛应用于微流控芯片与合成生物学等领域，从而进行生物化学等实验室技术流程的芯片集成化。
MEMS主要包括微型机构、微型传感器、微型执行器和相应的处理电路等几部分，它是在融合多种微细加工技术，并应用现代信息技术的最新成果的基础上发展起来的高科技前沿学科。
MEMS技术的发展开辟了一个全新的技术领域和产业，采用MEMS技术制作的微传感器、微执行器、微型构件、微机械光学器件、真空微电子器件、电力电子器件等在航空、航天、汽车、生物医学、环境监控、军事以及几乎人们所接触到的所有领域中都有着十分广阔的应用前景。
MEMS技术正发展成为一个巨大的产业，就象近20年来微电子产业和计算机产业给人类带来的巨大变化一样，MEMS也正在孕育一场深刻的技术变革并对人类社会产生新一轮的影响。
目前MEMS市场的主导产品为压力传感器、加速度计、微陀螺仪、墨水喷咀和硬盘驱动头等。
大多数工业观察家预测，未来5年MEMS器件的销售额将呈迅速增长之势，年平均增加率约为18%，因此对对机械电子工程、精密机械及仪器、半导体物理等学科的发展提供了极好的机遇和严峻的挑战。
MEMS是一种全新的必须同时考虑多种物理场混合作用的研发领域，相对于传统的机械，它们的尺寸更小，最大的不超过一个厘米，甚至仅仅为几个微米，其厚度就更加微小。
采用以硅为主的材料，电气性能优良，硅材料的强度、硬度和杨氏模量与铁相当，密度与铝类似，热传导率接近钼和钨。
采用与集成电路（IC）类似的生成技术，可大量利用IC生产中的成熟技术、工艺，进行大批量、低成本生产，使性价比相对于传统“机械”制造技术大幅度提高。
微机电系统MEMS简介
陀螺仪
总结词
用于测量或维持方向的传感器
详细描述
陀螺仪是一种基于角动量守恒原理的传感器，用于测量或维持方向。它通过测量物体旋转轴的方向变 化来工作，通常由高速旋转的陀螺仪转子组成。陀螺仪广泛应用于导航、姿态控制、游戏控制等领域 ，如智能手机、无人机和导弹制导系统等。
压力传感器
总结词
用于测量流体或气体压力的传感器
MEMS市场应用领域
消费电子
汽车电子
医疗健康
工业自动化
MEMS传感器在消费电子产品 中的应用广泛，如智能手机、 平板电脑、可穿戴设备等。这 些设备中的传感器用于运动检 测、加速度计、陀螺仪、气压 计等。
随着汽车智能化的发展， MEMS传感器在汽车领域的应 用也越来越广泛，如车辆稳定 性控制、安全气囊、发动机控 制等。
MEMS材料
单晶硅
单晶硅是MEMS制造中最常用的材料 之一，具有高强度、高刚度和良好的 化学稳定性。
多晶硅
多晶硅在MEMS制造中常用于制造柔 性结构，具有较好的塑性和韧性。
玻璃
玻璃在MEMS制造中常用于制造光学 器件，具有较高的透光性和稳定性。
聚合物
聚合物在MEMS制造中常用于制造生 物传感器和柔性器件，具有较好的生 物相容性和可塑性。
集成化
未来的MEMS系统将更加集 成化，能够将多个MEMS器 件集成在一个芯片上，实现 更高效、更低成本的应用。
03
CATALOGUE
MEMS传感器与器件
加速度传感器
总结词
用于测量 物体运动状态的传感器
详细描述
加速度传感器是一种常用的MEMS传感器，主要用于测量物体运动状态的加速度。它通常由质量块和弹性支撑结 构组成，通过测量质量块因加速度产生的惯性力来计算加速度值。加速度传感器广泛应用于汽车安全气囊系统、 手机和平板电脑的姿态控制、运动检测等领域。
mems微机电系统名词解释
mems微机电系统名词解释MEMS（Micro-Electro-Mechanical Systems，微机电系统）是一种集成微型机械、电子与传感器功能于一身的微型设备。
它结合了传统的机械制造技术、半导体工艺和微纳米技术，将微型机械部件、传感器、电子电路以及微纳加工技术集成在一个晶圆上，以实现微型化、多功能化和集成化的目标。
以下是一些与MEMS相关的名词解释：1. 传感器（Sensor）：一种能够感知并转换外部物理量、化学量或生物量的设备，可以将感应到的物理量转化为电信号。
2. 执行器（Actuator）：一种能够接收电信号并将其转化为相应的机械运动的设备，用来实现对外界的控制或作用。
3. 微型机械（Micro-Mechanical）：指尺寸在微米或纳米级别的机械部件，由微细加工技术制造而成，具有微小、精确和高效的特点。
4. 纳米技术（Nanotechnology）：一种研究和应用物质在纳米尺度下的特性、制备和操作的技术，常用于MEMS器件的加工制造。
5. 惯性传感器（Inertial Sensor）：一种基于测量物体运动状态和变化的MEMS传感器，如加速度计和陀螺仪。
6. 压力传感器（Pressure Sensor）：一种可以测量气体或液体压力的MEMS传感器，常用于汽车、医疗、工业等领域。
7. 加速度计（Accelerometer）：一种测量物体在空间中加速度的MEMS传感器，常用于移动设备、运动检测等应用。
8. 微镜（Micro-Mirror）：一种利用MEMS技术制造的微型反射镜，通常用于显示、成像和光学通信等应用。
9. 微流体器件（Microfluidic Device）：一种用于实现微小流体控制的MEMS器件，常用于生化分析、药物传递和微生物学研究等领域。
10. 无线传感器网络（Wireless Sensor Network）：一种由多个分布式的MEMS传感器节点组成的网络系统，可以实现对环境信息的实时采集、处理和通信。
微机电系统
各个国家不同的定义
• 美国：微型机电系统 – MEMS: Micro electro mechanical system • 日本：微机械 – Micro machine • 欧洲：微系统 – Micro system
微机电系统
微机电系统的发展历史
• MEMS第一轮商业化浪潮始于20世纪70年代末80年代初， 当时用大型蚀刻硅片结构和背蚀刻膜片制作压力传感器。 由于薄硅片振动膜在压力下变形，会影响其表面的压敏电 阻曲线，这种变化可以把压力转换成电信号。后来的电路 则包括电容感应移动质量加速计，用于触发汽车安全气囊 和定位陀螺仪。 • 第二轮商业化出现于20世纪90年代，主要围绕着PC和信 息技术的兴起。TI公司根据静电驱动斜微镜阵列推出了投 影仪，而热式喷墨打印头现在仍然大行其道。 • 第三轮商业化可以说出现于世纪之交，微光学器件通过全 光开关及相关器件而成为光纤通讯的补充。尽管该市场现 在萧条，但微光学器件从长期看来将是MEMS一个增长强 劲的领域。
微机电系统的研究内容——技术基础
• • • • • • MEMS的技术基础可以分为以下几个方面： （1）设计与仿真技术； （2）材料与加工技术； （3）封装与装配技术； （4）测量与测试技术； （5）集成与系统技术
微机电系统的研究内容——应用研究
• 人们不仅要开发各种制造MEMS的技术，更重要的是如何 将MEMS技术与航空航天、信息通信、生物化学、医疗、 自动控制、消费电子以及兵器等应用领域相结合，制作出 符合各领域要求的微传感器、微执行器、微结构等MEMS 器件与系统。 • MEMS还用于大量声波双工器 （BulkAcousticWaveduplexer）与滤波器、麦克风、 MEMS自动聚焦致动器、压力感测器、MEMS微微型投影 仪，甚至MEMS陀螺仪。
机械工程中的微机电系统技术
机械工程中的微机电系统技术随着科技的不断发展，机械工程领域也在不断创新和进步。
其中，微机电系统技术（Microelectromechanical Systems，MEMS）被广泛应用于机械工程领域，为各行各业带来了巨大的变革和发展。
一、什么是微机电系统技术？微机电系统技术是一种将微观尺度的机械元件、电子元件和微电子加工技术相结合的技术。
它通过利用微型加工技术，将传感器、执行器、控制电路等集成在一起，实现了微型化、高性能和低功耗的特点。
微机电系统技术的应用范围非常广泛，涵盖了医疗、汽车、航空航天、电子设备等多个领域。
二、微机电系统技术在医疗领域的应用在医疗领域，微机电系统技术的应用给医疗设备带来了重大的改进。
例如，微型传感器可以用于监测患者的生命体征，如心率、血压等，实现了对患者的实时监测。
此外，微型执行器可以用于精确控制药物的输送，提高治疗效果和减少副作用。
微机电系统技术还可以应用于微创手术器械的研发，使手术更加精确和安全。
三、微机电系统技术在汽车工程中的应用在汽车工程领域，微机电系统技术的应用也非常广泛。
例如，利用微型传感器可以实时监测汽车的各项参数，如车速、转向角度、油耗等，提供给驾驶员准确的信息。
微型执行器可以用于汽车的稳定控制系统，通过调整悬挂系统的硬度和阻尼，提高汽车的操控性和安全性。
此外，微机电系统技术还可以应用于汽车的智能驾驶系统，实现自动驾驶和智能交通。
四、微机电系统技术在航空航天领域的应用在航空航天领域，微机电系统技术的应用也十分重要。
例如，利用微型传感器可以实时监测飞机的姿态、气压、温度等参数，为飞行员提供准确的信息。
微型执行器可以用于飞机的控制系统，通过调整飞机的舵面和引擎推力，实现飞机的稳定飞行。
此外，微机电系统技术还可以应用于航天器的导航和控制系统，实现精确的航天任务。
五、微机电系统技术的发展趋势随着科技的不断进步，微机电系统技术也在不断发展和创新。
未来，微机电系统技术将更加追求微型化、高性能和低功耗。
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4-2 喷墨打印机喷头
工作原理 1. 左侧加热元件小于右侧加热元件，通入相同电 流时，左侧产生更多热量，形成更大气泡。 2. 左侧气泡首先扩大，从而隔绝左右侧液体，保 持右侧液体高压力使其喷射。 3. 喷射后气泡破裂，液体重新填充该腔体。
4-2 喷墨打印机喷头
4-3 投影仪
投影仪所采用的MEMS微镜如图。 其中扫描电镜图则是来自于TI的投影 系统用静电驱动数字反射镜。通过改 变外部激励从而控制同一个微镜的不 同锚/铰链的尺寸从而微镜倾斜特定 角度，将入射光线向特定角度反射。 大量微镜可以形成一个阵列从而进行 大面积的反射。采用静电驱动方式， 即通入电来产生静电力来倾斜微镜。
掺 杂
2-2 集成电路制造
2-2 集成电路制造
（a）
（b）
03
Part Three
3-1 工艺特征
1）微型化：MEMS器件体积小、重量轻、耗能低、 惯性小、谐振频率高、响应时间短。 2）以硅为主要材料，机械电器性能优良：硅的 强度、硬度和杨氏模量与铁相当，密度类似铝， 热传导率接近钼和钨。 3）批量生产：用硅微加工工艺在一片硅片上可 同时制造成百上千个微型机电装置或完整的 MEMS。批量生产可大大降低生产成本。
1-1 微机电系统
图1 微机电系统加工世 界是最小的吉他
图2 MEMS内部结构 与头发丝
1-2 组成部分
美国：微电子机械系统（MEMS） （MicroElectroMechanicalSystem） 欧洲：微系统技术（MST） （MicroSystemTechnology） 日本：微机械（Micromachine）
的微小智能系统将进入人体，执行诊断和治疗任务， 严重威胁人类生命的脑血管病，届时可由血管中的 清道夫来进行根治。用于大脑皮层电刺激和电信号 采集的脑电极阵列，可以使盲人复明，微机电的进
展也使微机器人的实现成为可能。
1. M. Despont, J. Brugger, U. Drechsler, U. Dürig, W. Häberle, M. Lutwyche, H. Rothuizen, R. Stutz, R. Widmer, G. Binnig, H. Rohrer, P. Vettiger, VLSI-NEMS chip for parallel AFM data storage, Sensors and Actuators A: Physical, Volume 80, Issue 2, 10 March 2000, Pages 100-107, ISSN 0924-4247, VLSI-NEMS chip for parallel AFM data storage. 2. M. Despont, J. Brugger, U. Drechsler, U. Dürig, W. Häberle, M. Lutwyche, H. Rothuizen, R. Stutz, R. Widmer, G. Binnig, H. Rohrer, P. Vettiger, VLSI-NEMS chip for AFM data storage, Technical Digest 12th IEEE Int. Micro Electro Mechanical Systems Conf. MEMS '99, Orlando, FL, January 1999, IEEE, Piscataway, 1999, pp. 564–569. 3. 知乎：https:///p/21314713 4. 爱奇艺：/
谢谢您的聆听！
8B-712小组-微机电系统-机械制造技术
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微机电系统
目录
Contents
01
Part One
1-1 微机电系统
MEMS利用集成电路（IC）制造技术和微加工技 术把微结构、微传感器、微执行器等制造在一 块或多块芯片上的微型集成系统。具有微型化、 集成化、智能化、成本低、性能高、可以大批 量生产等优点。应用领域极为广泛，目前已成 功地应用于汽车、电子和军事等行业。
传感器
信号处 理
执行器
1-2 组成部分
1-3 加工实例
左图实 例为 MEMS芯 片
02
Part Two
2-1 概述
MEMS可以革命性地影响几乎所有类别
的产品。它用微加工技术将各种产品整 合到基于硅的微电子芯片上
2-2 集成电路制造 集成电路基 本制造技术， 如图
硅片
薄膜制备
掩膜制 造
光 刻 刻 蚀 测 试 切 割 封 装
微镜的SEM示意图
4-4 能量采集 MEMS应用的另外一个领域就是做能量采集 （energy harvesting）,通过把周围的能量收集并转 化为电能从而达到代替电池的终极目标。
4-4 能量采集
我的老师帝国理工 Andrew Holmes教授就 做过一个只有一个硬 币大小的风力发电机， 制造方式就和加工 MEMS一模一样。如图。
把自动化、智能化和可靠性水平提高到一个新的水平。21世纪
MEMS将逐步从实验室走向实用化，对工农业、信息、环境、生
物工程、医疗、空间技术、国防和科学发展产生重大影响。
4-2 喷墨打印机喷头
一种设计精巧的打印喷如下 图所示。两个不同大小的加 热元件产生大小不一的气泡 从而将墨水喷出。
图4.2 为喷墨打印机喷头
3-2 图片欣赏
图 测力装置
图 神经接口芯片
3-2 图片欣赏
图 线性执行器
图 静电马达芯片
04
Part Four
4-1 总述
MEMS发展的目标在于，通过微型化、集成化来探索新原理、
新功能的元件和系统，开辟一个新技术领域和产业。MEMS可以
完成大尺寸机电系统所不能完成的任务，也可嵌入大尺寸系统中，
作者：大团子一号 链接： https:///que stion/19612486/answer/139 745132 来源：知乎
4-5 医疗诊断
目前微机电系统还远未成熟，新技术将层出不穷，
新的系统将不断涌现，可以预计不久的将来微机电
系统将大量应用于医疗诊断和治疗，例如毫米量级
3-1 工艺特征
4）集成化：可以把不同功能、不同敏感方向或致动方向的多个传感器或 执行器集成于一体，或形成微传感器阵列、微执行器阵列，甚至把多种功 能的器件集成在一起，形成复杂的微系统。微传感器、微执行器和微电子 器件的集成可制造出可靠性、稳定性很高的MEMS。
5）多学科交叉：MEMS涉及电子、机械、材料、制造、信息与自动控制、 物理、化学和生物等多种学科，并集约了当今科学技术发展的许多尖端成 果。