微纳传感器-MEMS主要技术
微电子机械系统MEMS概述
微电子机械系统MEMS概述微电子机械系统（Micro-electromechanical Systems, MEMS）是一种将电子技术与机械工程相结合的技术领域，通过制造微尺度的电子器件和机械系统，可以实现微小化、集成化和高性能的微型设备。
MEMS用于制造传感器、执行器和微操纵系统等微型装置，已经广泛应用于通信、汽车、医疗、军事和消费电子等领域。
MEMS的核心技术包括微纳加工技术、传感器技术和微机电系统技术。
微纳加工技术是MEMS制造的基础，主要包括光刻、薄膜沉积、离子刻蚀、扩散和薄膜技术等。
这些技术可以制造出微米甚至纳米级别的微型结构和器件。
传感器技术是MEMS的重要应用领域之一，利用微型传感器可以实现对温度、压力、流量、位移、加速度和姿态等物理量的检测和测量。
而微机电系统技术则是将传感器和执行器等微型装置集成在一起，实现自动化控制和微操纵的功能。
MEMS具有以下几个显著的特点：微小化、集成化、多功能和低成本。
微小化可以实现高密度的集成和高灵敏度的检测，同时降低设备的功耗和重量。
而集成化可以将多个功能模块集成在一个芯片上，提高了系统性能和可靠性，同时减少了系统的体积和重量。
多功能则是指MEMS可以同时实现多种功能，如传感、处理和控制等。
此外，由于MEMS采用的是集成化的制造工艺，可以大规模制造，降低了生产成本，为大规模应用提供了可能。
MEMS在各个领域的应用也越来越广泛。
在通信领域，MEMS技术可以制造微型光机械开关，用于光通信网络的光信号调控和光路径选择。
在汽车领域，MEMS技术可以制造出压力传感器、加速度传感器和姿态传感器等，用于车辆的安全控制系统和车载导航系统。
在医疗领域，MEMS技术可以制造出微型生物传感器，用于检测体内的生物信号，如血压、血氧和葡萄糖等。
在军事领域，MEMS技术可以制造微型化的惯性导航系统和气体传感器，应用于导弹制导系统和化学生物探测等。
在消费电子领域，MEMS技术可以制造微型微镜头和投影显示器，应用于智能手机、平板电脑和智能手表等。
MEMS压力传感器的结构与工作原理及应用技术
MEMS压力传感器的结构与工作原理及应用技术MEMS（Micro-Electro-Mechanical Systems，微电子机械系统）压力传感器是一种利用微加工技术制造的微小化压力传感器。
它的结构与工作原理主要有晶体硅薄膜结构、电容式结构和热敏电阻式结构。
一、晶体硅薄膜结构是MEMS压力传感器最常见的结构形式之一、其基本结构包括压阻结构、桥电路和信号处理电路。
压阻结构由压敏电阻、硅晶片、基座和开孔组成。
通过外加压力使压敏电阻发生应变，进而改变电阻值，检测到的变化通过桥电路产生电压信号，经信号处理电路放大、滤波和线性化等处理后，输出与压力成正比的电信号。
二、电容式结构是另一种常见的MEMS压力传感器结构形式。
其基本结构包括电容器和悬梁。
电容器由两个金属电极和介电层构成，当外界施加压力时，悬梁固定端会发生微小变形，从而改变电容值，进而检测到的变化通过信号处理电路放大、滤波和线性化等处理后，输出与压力成正比的电信号。
三、热敏电阻式结构是一种利用热调制技术实现压力测量的MEMS压力传感器结构形式。
其基本结构是热敏电阻和温度传感器。
通过加热热敏电阻，使其温度升高，从而产生温度随压力变化的换算电阻变化。
测量到的电阻变化通过温度传感器转换为电压信号，经信号处理电路放大、滤波和线性化等处理后，输出与压力成正比的电信号。
在工业自动化领域，MEMS压力传感器可以应用于液压系统、气动系统、流量控制、压缩机等设备中，用于监测和控制压力。
在汽车电子领域，MEMS压力传感器可以应用于汽车发动机管理系统、车身悬挂系统、刹车系统等，用于精确测量和控制各个系统的压力。
在医疗器械领域，MEMS压力传感器可以应用于血压监测、呼吸机、心脏起搏器等设备中，用于精确测量患者的生理压力。
在消费电子领域，MEMS压力传感器可以应用于智能手机、平板电脑、手表等设备中，用于实现触摸屏、步数计、海拔计等功能。
总之，MEMS压力传感器以其微小化、高精度、低成本的特点，广泛应用于各个行业和领域，提供了可靠的压力测量和控制解决方案。
研究生mems传感器方向
研究生mems传感器方向MEMS（Micro-Electro-Mechanical Systems）传感器是一种集成了机械和电子组件的微型传感器。
它可以通过微加工技术将微结构和微电子技术相结合，制造出体积小、功耗低、性能优越的传感器。
MEMS传感器广泛应用于移动设备、汽车、医疗领域、工业自动化等领域，具有重要的研究和应用价值。
MEMS传感器在研究方向上包括以下几个方面：1. MEMS传感器的设计与制造技术：MEMS传感器的设计与制造技术是研究领域的核心，包括微纳加工技术、材料选择、结构优化、封装技术等。
例如，微纳加工技术可以通过光刻、薄膜沉积、化学蚀刻等工艺来制造微结构。
材料选择可以根据传感器的工作环境和要求来选择合适的材料，如硅、玻璃、金属等。
结构优化可以通过仿真和实验的方法来改善传感器的性能和灵敏度。
封装技术可以提高MEMS传感器的可靠性和稳定性。
2. MEMS传感器的工作原理和性能研究：MEMS传感器的工作原理和性能研究是研究领域的重要内容，包括传感机制、灵敏度、响应速度、功耗等。
例如，加速度计是一种常见的MEMS传感器，它可以通过测量物体的加速度来实现姿态识别和运动检测。
传感机制可以通过建立模型和实验验证来研究。
灵敏度可以通过改变结构参数和优化设计来提高。
响应速度可以通过改变传感器的电路和信号处理算法来提高。
功耗可以通过使用低功耗技术和优化电路设计来降低。
3. MEMS传感器在应用领域的研究：MEMS传感器在移动设备、汽车、医疗领域、工业自动化等领域中有广泛的应用，因此在这些领域中对传感器的研究也是重要的方向。
例如，MEMS加速度计在移动设备中用于姿态识别和手势控制；MEMS惯性导航系统在汽车中用于导航和安全控制；MEMS压力传感器在医疗领域中用于血压监测和人体参数检测；MEMS流量传感器在工业自动化中用于流体控制和检测等。
对于这些应用领域，研究可以包括传感器性能和系统集成等方面。
以上是MEMS传感器方向的一些研究内容。
MEMS传感器
通过加速度传感器将胎儿心率转换成模拟电压信号，经前置放大用的仪器放大器实现差值放大。然后进行滤 波等一系列中间信号处理，用A/D转换器将模拟电压信号转换成数字信号。通过光隔离器件输入到单片机进行分 析处理，最后输出处理结果。
应用
Байду номын сангаас
1.应用于医疗
MEMS传感器应用于无创胎心检测，检测胎儿心率是一项技术性很强的工作，由于胎儿心率很快，在每分钟 l20～160次之间，用传统的听诊器甚至只有放大作用的超声多普勒仪，用人工计数很难测量准确。而具有数字显 示功能的超声多普勒胎心监护仪，价格昂贵，仅为少数大医院使用，在中、小型医院及广大的农村地区无法普及。 此外，超声振动波作用于胎儿，会对胎儿产生很大的不利作用。尽管检测剂量很低，也属于有损探测范畴，不适 于经常性、重复性的检查及家庭使用。
分类
1、MEMS气体流量传感器：高精度，检测流量范围广，适用于各种需求的流量计测。 2、MEMS压力传感器：性能偏差小的MEMS压力传感器。 3、MEMS非接触温度传感器：对静止人体也能检测，高灵敏度的人体感应传感器。 4、MEMS开关：高频，小型，长寿命的MEMS开关。
总结
中国在 MEMS 传感器领域的研究较晚，但已经成为不可或缺的力量，中国的部分专利权的创新主体协同格局 前提下，加大政府科技资金投入不但可以消解技术创新发展中的资金阻滞，又有助于引导企业或单位技术创新意 识，从而提高我国创新驱动效率，促进经济快速而稳健的发展 。
(1)将敏感元件与信号处理、校准、补偿、微控制器等进行单片集成，研制智能化的压力传感器。
MEMS传感器技术.
MEMS传感器技术一．概述MEMS（微机电系统）就是在一个硅基板上集成了机械和电子元器件的微小机构。
在代工厂中，通过对电子部分使用半导体工艺和对机械部分使用微机械工艺将其或者直接蚀刻到一片晶圆中，或者增加新的结构层来制作MEMS产品。
作为纳米科技的一个分支，MEMS被称为电子产品设计中的“明星”。
MEMS传感器已经存在几十年了，并成功的渗透到一些大规模应用的市场，如医疗压力传感器和安全汽囊加速度计等。
尽管取得了这些成功，但MEMS传感器很大程度上还是局限于这些零散的应用。
受到汽车电子和消费类电子市场的驱动，这种状况在下一个十年中有望得到改变。
MEMS传感器正在当今的两大热门产品中起到不可或缺的作用。
使用测量物理运动从而提供运动感知能力的MEMS加速度计，任天堂公司的Wii无线游戏机允许使用者通过运动和点击互相沟通和在屏幕上处理一些需求，其原理是将运动（例如挥舞胳膊模仿网球球拍的运动）转化为屏幕上的游戏行为。
在2006年5月，任天堂和ADI宣布将ADI的ADXL330 iMEMS 加速度计整合到任天堂的Wii游戏控制台中。
加速度计帮助任天堂把视频游戏提升到一个新的水平。
这种产品的全球销售量预计将在2007年底前达到一千万台，任天堂目前正在开足马力以满足汹涌而来的需求。
MEMS加速度计——数年来被用于汽车中起到模拟安全气囊展开动作的传感器的作用——同样被用于苹果公司的iPhone中，通过对旋转时运动的感知，iPhone可以自动地改变其显示格式，以便消费者能够以合适的水平和垂直视角看到完整的页面或者数字图片。
当然iPhone并不是第一个采用加速度计来提升用户体验的手机，但是，正是iPhone把MEMS带到了大众消费品中。
然而，MEMS传感器在诸如医疗保健、航空航天和工业等市场也找到了用武之地。
根据预测，下一个十年的关键推动力正是汽车和消费类电子市场。
当供应商努力取得在消费类电子市场中的主导地位时，一场激烈的争夺战已经在进行之中了。
mems传感器的工作原理及应用
MEMS传感器的工作原理及应用1. 什么是MEMS传感器MEMS传感器（Microelectromechanical Systems Sensors）是一种集成微纳制造技术与传感器技术于一体的传感器。
它由微机电系统（Microelectromechanical Systems，简称MEMS）技术制造而成，具有微秒级响应速度、微米级灵敏度和微瓦级功耗的特点。
2. MEMS传感器的工作原理MEMS传感器利用微机电系统技术将传感元件制造在芯片上，通过检测物理量的变化来获得所需的信号。
下面介绍几种常见的MEMS传感器及其工作原理：2.1 加速度传感器加速度传感器是一种常见的MEMS传感器，能够检测物体在三个方向上的加速度变化。
其工作原理基于牛顿第二定律，利用质量块与弹簧系统的运动来检测加速度变化。
•工作原理：1.加速度传感器内部包含一个质量块，可通过弹簧固定在一个外壳上。
2.当传感器受到加速度作用时，质量块与外壳之间产生相对位移。
3.基于压电效应或电容变化等原理，测量相对位移，并将其转化为电信号输出。
2.2 压力传感器压力传感器是一种常用的MEMS传感器，可用于测量气体或液体的压力变化。
其工作原理基于压电效应或电阻变化来检测压力变化。
•工作原理：1.压力传感器内部设计有感应膜，通常采用金属或半导体材料制成。
2.当传感器受到压力作用时，感应膜产生弯曲。
3.基于压电效应或电阻变化等原理，测量感应膜的变化，并将其转化为电信号输出。
2.3 温度传感器温度传感器是一种广泛应用于工业和消费电子等领域的MEMS传感器，可测量物体的温度变化。
其工作原理基于热敏材料的电阻特性来检测温度变化。
•工作原理：1.温度传感器内部包含一个热敏元件，通常采用电阻器或热敏电阻器制成。
2.当传感器受到温度变化影响时，热敏元件的电阻值会发生变化。
3.通过测量热敏元件的电阻值变化，并将其转化为温度值输出。
3. MEMS传感器的应用MEMS传感器在各个领域都有广泛的应用，下面列举几个常见的应用领域：3.1 汽车行业•制动系统：MEMS加速度传感器可用于检测车辆的加速度变化，实现主动安全功能。
MEMS技术
MEMS技术
三、MEMS微传感器的研究现状与发展方向
MEMS未来的发展趋势为微细化、集成化、多元化与产业化四方面。
1．微机械压力传感器
分类：压阻式和电容式两类。 结构：圆形、方形、矩形、E形等多种结构。
发展方向:
1）智能化
2）低量程
3）拓宽温度范围
4）开发谐振式微机械压力传感器
2．微加速度传感器
分类：压阻式、电容式、力平衡式和谐振式。
第二轮商业化出现在20世纪90年代，主要围绕着PC和信息技术的 兴起。
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 相关机器而成为光纤通信的补充。
目前MEMS产业呈现的新趋势是产品应用的扩展，其开始向工业、 医疗、测试仪器等新领域扩张。推动第四轮商业化的其他应用包括一 些面向射频无源元件、在硅片上制作的音频、生物和神经元探针，以 及所谓的“片上实验室”，生化药品开发系统和微型药品输送系统的 静态和移动器件。
图4-14 微气敏传感器
MEMS技术
6．微机械温度传感器
微机械传感器与传统的传感器相比，具有体积小、重量轻的特 点，其固有热容量仅为10-8～10-15J/K，使其在温度测量方面具 有传统温度传感器不可比拟的优势。
物联网
MEMS技术
图4-13 质量流量传感器
MEMS技术
5．微气敏传感器
气敏传感器的工作原理是声表面波器件的波速和频率会随外界环 境的变化而发生漂移。气敏传感器就是利用这种性能在压电晶体表 面涂覆一层选择性吸附某气体的气敏薄膜，当该气敏薄膜与待测气 体相互作用（化学作用、生物作用或物理吸附），使得气敏薄膜的 膜层质量和导电率发生变化，引起 压电晶体的声表面波频发生 漂移；气体浓度不同，膜层 质量和导电率变化程度亦 不同，即引起声表面 波频率的变化也不 同。通过测量声表 面波频率的变化就 可以准确地反映气 体浓度的变化。
压力传感器MEMS简介演示
，且制造工艺复杂。
03
压电式
利用压电晶体感受压力，将压力转化为电压或电荷变化，输出电信号。
具有灵敏度高、响应速度快、体积小等优点，但易受温度和湿度影响，
且制造工艺复杂。
压力传感器的应用场景
工业控制
用于生产过程中的压力控制、 气体分析等。
汽车电子
用于汽车发动机控制、刹车系 统等。
医疗设备
用于血压、呼吸等生理参数的 监测。
谐振式MEMS压力传感器
利用谐振腔的谐振频率变化感应压力，具有高精 度和稳定性好的特点，适用于高端应用和工业过 程控制。
MEMS压力传感器制造工艺流程
制造工艺流程
MEMS压力传感器制造涉及微机械 加工、微电子加工、光电子加工等技 术，包括硅片加工、薄膜加工、掺杂 、光刻、腐蚀等工艺步骤。
制造材料
MEMS压力传感器制造常用的材料包 括单晶硅、多晶硅、玻璃、聚酰亚胺 等，不同材料适用于不同的应用场景 和性能要求。
医疗压力传感器应用案例
总结词
医疗领域是MEMS压力传感器的另一个重要应用领域，主要 用于监测血压、呼吸和内压等。
详细描述
在医疗领域，MEMS压力传感器主要用于监测人体的生理参 数，如血压、呼吸和内压等。这些传感器能够实时监测患者 的生理状态，为医生提供准确的数据参考，有助于诊断和治 疗。
工业过程控制压力传感器应用案例
总结词
工业过程控制是MEMS压力传感器的另一个应用领域，主要用于控制和监测工业生产过程中的各种气体和液体压 力。
详细描述
在工业过程控制中，MEMS压力传感器主要用于检测和控制各种气体和液体的压力，如空气、燃气、蒸汽、水等 。这些传感器能够实时监测压力变化，确保工业生产过程的稳定性和安全性。
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2.1 MEMS常用材料
在众多材料中，由于硅具有良好的 机械性能和其他材料不可比拟的优秀品 质，使其应用极为广泛，已经形成了 MEMS中的一个重要的分支，即硅基 MEMS。
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第二讲 MEMS主要技术
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2.2 硅微系统加工技术
1、体硅微机械加工技术 2、表面微机械加工技术 3、LIGA技术
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第二讲 MEMS主要技术
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第二讲 MEMS主要技术
Deposit Mechanical Film 2013-9-13 第二讲 MEMS主要技术 41
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第二讲 MEMS主要技术
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Micromotor
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第二讲 MEMS主要技术
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微机械典型工艺 (体、面工艺)
Bulk Micromachining Surface Micromachining
第二讲 MEMS主要技术
2.2 硅微系统加工技术
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第二讲 MEMS主要技术
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2.2 硅微系统加工技术
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第二讲 MEMS主要技术
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LIGA Process
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Outline of the micromolding process using LIGA technology. (a) Photoresist patterning (b) electroplating of metal (c) resist removal (d) molded plastic components.
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Plasma Etchers
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离子刻蚀包括：等离子体刻蚀、 反应离子刻蚀 基本步骤： 1 刻蚀用气体在足够强的电场下被电离， 产生离子、电子及游离原子（又称游离 基）等刻蚀类物质。 2 刻蚀类物质穿过气体层，扩散在被蚀刻 晶片（薄膜）的表面，并被表面吸收。 3 随后，产生化学反应蚀刻，如同离子轰 击。反应生成的挥发性化合物由真空泵 抽出腔外。
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Lithography and LIGA
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体硅微机械腐蚀形成悬台结构
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2.2 硅微系统加工技术
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2.2 硅微系统加工技术
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2.2 硅微系统加工技术
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Wet etch
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各向同性与各向异性腐蚀方法结合
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腐蚀速率 各向异性腐蚀速率不仅与硅晶体晶向有 关，还受腐蚀剂种类和其成分配比、掺 杂原子浓度及温度等因素影响
在湿法蚀刻中，腐蚀液浓度梯度由溶剂 的标定浓度C0、硅表面的溶剂浓度CS 和 溶液深度d (从硅表面到均匀溶液的距离) 决定 . 对溶液进行搅拌和减小d,可以提 高腐蚀速率。
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表面微机械加工
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The Fabrication of MEMS Devices
Deposit Mechanical Film
Bare Silicon Wafer
Pattern Mechanical Film
Surface Micromachining Fabrication Cycle
Release Structure Deposit Sacrificial Film
Pattern Sacrificial Film
Pattern Mechanical Film
2013-9-13 第二讲 MEMS主要技术 17
各向异性腐蚀 和 各向同性腐蚀示意图
mask
An-isotropic
Isotropic
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2.2 硅微系统加工技术
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2.2 硅微系统加工技术
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湿法蚀刻
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各向异性腐蚀 和 各向同性腐蚀
各向异性腐蚀— 当对晶体进行腐蚀时，某些晶面的腐蚀速率 比其他晶面快的多。 如在各项异性腐蚀剂中，（111）晶面的腐 蚀速率就要比（100）晶面和（110）晶面慢得 多。一般而言，腐蚀速率（100）/（111）面 大约400：1，而（110）面的腐蚀速率则介于 二者之间。腐蚀速率较快的晶面，其腐蚀速度 能达到每小时几十微米。 各向同性腐蚀— 腐蚀速率在晶体的各个方向上都是相同的。
2.1 MEMS常用材料
MEMS所用材料可分为：结构 材料、导电材料、压电材料、绝缘材 料(二氧化硅)和记忆材料(氮化钛)。 其中结构材料又包括单晶硅、多晶硅、 碳化硅、氮化硅、硅锗合金、镍、金、 铝；导电材料包括金、铝、铜；压电 材料有铅锆钛合金和石英晶体等。
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第二讲 MEMS主要技术
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第二讲 MEMS主要技术
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2.2 硅微系统加工技术
1.体硅微机械加工 （Silicon Bulk Micromachining）
定义：以硅材料为加工对象，通过各种刻蚀 （Etching）方法有选择的去除其部分材料， 得到所需微细结构. 这种技术在微机械制造中应用最早，主要通过 光刻和化学蚀刻等方法在硅基体上得到一些沟 槽、凸台、悬台、悬臂梁等，是制作各类微传 感器、微制动器的基础技术。
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第二讲 MEMS主要技术
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LIGA 加工工艺
-- 3D 微结构制作技术
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第二讲 MEMS主要技术
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3d photonic crystal fabricated by LIGA
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THE KEY TECHNOLOGY FOR MEMS
Prof. HU Ming
Email: huming@
第二讲 MEMS主要技术
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MEMS常用材料 硅微系统加工技术 LIGA加工工艺 其它微加工技术 MEMS封装和互联
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第二讲 MEMS主要技术
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LIGA Characteristics:
High Accuracy
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High Aspect Ratio
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Any Lateral Shape
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第二讲 MEMS主要技术
Wafer Surface Cantilevers
Cavity
Nozzle
Bridge
Trench
Membrane
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第二讲 MEMS主要技术
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第二讲 MEMS主要技术
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2.2 硅微系统加工技术
体硅微机械加工
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2.2 硅微系统加工技术
体硅微机械加工
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2.2 硅微系统加工技术
体硅微机械加工
200mm
100mm
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第二讲 MEMS主要技术
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DRIE
DRIE: deep reactive ion etch