MEMS设计与工艺(1) [兼容模式]
电容式MEMS加速度计的设计与制备技术研究
电容式MEMS加速度计的设计与制备技术研究MEMS（Micro-Electro-Mechanical Systems）是微机电系统的英文缩写，是将微米尺度的机械系统集成到微电子芯片中的一种技术。
MEMS技术被广泛应用于各种领域，包括传感器、生物医学、微电子器件等。
其中，MEMS加速度计是一种常用的MEMS传感器，用于测量物体在三个不同轴向上的加速度，并且可以识别物体的轴向。
电容式MEMS加速度计是MEMS加速度计中一种常用的构型。
它采用了电容原理，通过测量微机械加速度感应器上电容的变化来检测加速度。
电容式MEMS加速度计的设计与制备技术是MEMS技术领域内的热门研究方向。
本文将从几个方面论述电容式MEMS加速度计的设计与制备技术研究进展。
一、基本原理电容原理是电容式MEMS加速度计工作的基本原理。
电容是指两个金属板之间的介质的电容量。
当这两个板移动时，电容量会发生变化。
电容式MEMS加速度计中将一个金属板固定在MEMS芯片上，另一个金属板通过弹簧与芯片相连。
当芯片受到加速度作用时，会使另一个金属板发生相对运动，从而导致电容量的变化。
二、主要结构电容式MEMS加速度计的主要结构包括加速度感应器、电荷放大器、微控制器等。
加速度感应器是电容式MEMS加速度计的核心，在其中电容变化进行检测。
一般情况下，电容式MEMS加速度计中还安装有环境和其他干扰的过滤器以保证测量的准确性。
通过对电容变化进行放大和处理，数据可以传输到微控制器中进行处理和分析。
三、制备材料电容式MEMS加速度计的制备材料主要包括金属材料、绝缘材料、机械支撑材料等。
电容式MEMS加速度计中金属材料一般采用铝、金、铜等。
这些材料的选择主要考虑其机械性能和电学性能。
对于绝缘材料的选择，一般会选择具有较好电介质性能的材料，如氧化硅、氮化硅等。
机械支撑材料则需要具有较好的强度和尺寸稳定性。
四、制备工艺电容式MEMS加速度计的制备工艺一般分为两个部分，即MEMS芯片制备和封装。
mems加速度传感芯片工艺流程设计
一、概述MEMS（Micro-Electro-Mechanical Systems）加速度传感器是一种能够测量物体加速度的微型传感器。
它常用于汽车、智能手机、平板电脑等电子产品中，以实现运动检测、摇晃检测、倾斜检测等功能。
传感器的性能受制于其工艺流程的设计，因此工艺流程的设计对传感器的性能起着至关重要的作用。
二、MEMS加速度传感芯片的工艺流程1. 设计工艺流程在进行MEMS加速度传感芯片的工艺流程设计时，首先需要进行传感器的结构设计。
传感器的结构设计包括传感元件的结构设计和传感元件布局的设计。
确定传感元件的结构形式，通常采用质量悬挂式的结构。
然后确定传感元件的布局，实现传感元件与芯片的最佳结合。
在结构设计的基础上，进行芯片整体布局设计，包括传感元件的位置布局、接口位置等。
2. 制备工艺流程传感器的制备工艺流程主要包括晶圆制备、光刻、腐蚀、镀膜、退火、刻蚀等多个步骤。
在晶圆制备阶段，需要采用高纯度的硅晶圆，并进行雷剪切、沉积氧化层等处理。
在光刻阶段，需要使用掩膜进行光刻图形转移。
在腐蚀阶段，需要进行干法或湿法的腐蚀工艺。
在镀膜阶段，根据传感器的性能要求进行金属或者氧化层的镀膜。
在退火阶段，需要进行恒温加热处理，以使得薄膜材料的应力得到释放。
在刻蚀阶段，需要进行干法或者湿法的刻蚀工艺。
3. 封装工艺流程传感器的封装工艺流程包括晶圆切割、引线焊接、封装固化等步骤。
在晶圆切割阶段，需要将晶圆切割成多个芯片，并进行抛光处理。
在引线焊接阶段，需要将引线焊接到芯片上，并连接到封装的外部引线。
在封装固化阶段，需要进行封装材料的灌封和固化处理。
三、MEMS加速度传感芯片的工艺流程设计原则1. 在工艺流程设计中，应充分考虑传感器的性能需求，尤其是灵敏度、线性度和可靠性等指标。
2. 在制备工艺流程中，应在实验和仿真的基础上，选择适合的晶圆制备、光刻、腐蚀、镀膜、退火、刻蚀等工艺参数，以保证传感器的性能。
3. 在封装工艺流程中，应选择合适的封装材料和封装方式，以满足传感器的使用需求。
微机电系统(mems)工艺基础与应用
微机电系统(mems)工艺基础与应用
微机电系统（MEMS）是指将微型机械元件、微电子元件、微光学元件、微流体元件及其它微加工技术相集成而成的系统。
它既是微电子技术、光学技术、力学技术、材料科学技术的综合，又是精密制造技术、微加工技术与传感器技术的相结合。
本文将对MEMS的工艺基础及其应用进行探讨。
一、MEMS的工艺基础 1.硅微加工技术 MEMS的制造材料主要是硅微电子材料及其它材料，硅微加工技术是MEMS 的核心技术。
硅微加工技术的主要工艺流程包括光刻、蚀刻、金属沉积、制膜、扩散、离子注入等。
2.压力传感器的制造工艺 MEMS的压力传感器主要采用压阻效应制作。
它的基本原理是利用极细硅悬臂梁作为传感器，在外界压力下悬臂梁弯曲，悬臂梁两端的电阻发生变化，进而反映出压力。
二、MEMS的应用 1.生物医学及生物传感技术应用MEMS技术制造的微型传感器，可以在细胞水平上检测微小的信号变化，诊断疾病、研究生物学行为。
2.汽车及工业应用汽车领域是MEMS技术的主要应用领域之一。
MEMS技术应用于汽车系统中，可以制造出精密的安全气囊、一个小孔的喷油嘴、传感器等元件。
3.消费市场在消费市场上，MEMS技术的应用范围同样广泛。
借助MEMS技术，可以生产出更小、更趋近于无形的产品，如MEMS振动器、MEMS加速计、MEMS麦克风。
总之，MEMS技术的应用范围和前景十分广阔，它在不断地为各个领域带来更多革命性的变革和新的想象空间。
同时，要想在MEMS领域取得更为显著的进展，需要更多的前沿科技、人才、资金等方面的支持和加速发展。
MEMS器件原理与制造工艺
MEMS器件原理与制造工艺MEMS（Micro-Electro-Mechanical System）是微电子机械系统的缩写，指的是一类结合了微纳米技术、电子技术和机械技术的微型器件。
MEMS器件包括传感器、执行器以及微型系统等。
本文将介绍MEMS器件的基本原理和制造工艺。
一、MEMS器件的原理MEMS器件的原理基于微纳米加工技术，通过集成微型传感器、执行器和电子元件，实现对微小物理量、力、压力、加速度等的感知、测量和控制。
MEMS器件具有体积小、功耗低、响应速度快等特点，广泛应用于传感器、机械器件和微型系统等领域。
下面将以压力传感器为例，介绍MEMS器件的工作原理。
压力传感器是一种常见的MEMS器件，用于测量流体或气体的压力。
它由微机械薄膜、电桥电路和信号处理电路组成。
当被测介质施加压力时，微机械薄膜会发生微小的形变，形变量与压力成正比。
通过电桥电路测量薄膜的形变，进而获得被测介质的压力信号。
信号处理电路对测得的信号进行放大、滤波和数字化处理，得到最终的压力数值。
二、MEMS器件的制造工艺MEMS器件的制造工艺主要包括悬浮结构制备、薄膜沉积、刻蚀工艺以及封装等环节。
下面将依次介绍这些工艺的基本流程和具体步骤。
1. 悬浮结构制备悬浮结构是MEMS器件的核心部分，它由薄膜材料构成，常用的材料有硅、氮化硅和聚合物等。
悬浮结构的制备通常采用微纳米加工技术，包括光刻、薄膜沉积和刻蚀等步骤。
首先，通过光刻技术在硅片上制作出所需的器件形状和结构图案。
然后，使用薄膜沉积技术在硅片表面沉积薄膜材料。
最后，利用刻蚀技术去除多余的薄膜材料，形成悬浮结构。
2. 薄膜沉积薄膜沉积是MEMS器件制造中的关键步骤，它用于制备悬浮结构和电子元件等。
常用的薄膜沉积技术有物理气相沉积（PVD）、化学气相沉积（CVD）和溅射沉积等。
这些技术能够在硅片表面沉积金属、氧化物和聚合物等不同种类的薄膜材料，以满足不同器件的要求。
3. 刻蚀工艺刻蚀是MEMS器件制造中的重要步骤，用于去除多余的薄膜材料，形成所需的结构和孔洞。
MEMS加工工艺
MEMS技术的加工工艺微机械加工工艺分为硅基加工和非硅基加工。
下面主要介绍体加工工艺、硅表面微机械加工技术、结合加工、逐次加工、另外单独一章介绍LIGA技术。
下图是微机械加工工艺的流程落图。
（一）体加工工艺体加工工艺包括去加工（腐蚀）、附着加工（镀膜）、改质加工（掺杂）和结合加工（键合）。
主要介绍腐蚀技术。
腐蚀技术主要包括干法腐蚀和湿法腐蚀，也可分为各向同性腐蚀和各向异性腐蚀。
（1）干法腐蚀是气体利用反应性气体或离子流进行的腐蚀。
干法腐蚀可以腐蚀多种金属，也可以刻蚀许多非金属材料；既可以各向同性刻蚀，又可以各向异性刻蚀，是集成电路工艺或MEMS工艺常用设备。
按刻蚀原理分，可分为等离子体刻蚀（PE：Plasma Etching）、反应离子刻蚀（RIE：Reaction Ion Etching）和电感耦合等离子体刻蚀（ICP：Induction Couple Plasma Etching）。
在等离子气体中，可是实现各向同性的等离子腐蚀。
通过离子流腐蚀，可以实现方向性腐蚀。
（2）湿法腐蚀是将与腐蚀的硅片置入具有确定化学成分和固定温度的腐蚀液体里进行的腐蚀。
硅的各向同性腐蚀是在硅的各个腐蚀方向上的腐蚀速度相等。
比如化学抛光等等。
常用的腐蚀液是HF-HNO3腐蚀系统，一般在HF和HNO3中加H2O或者CH3COOH。
与H2O相比，CH3COOH可以在更广泛的范围内稀释而保持HNO3的氧化能力，因此腐蚀液的氧化能力在使用期内相当稳定。
硅的各向异性腐蚀，是指对硅的不同晶面具有不同的腐蚀速率。
比如， {100}/{111}面的腐蚀速率比为100：1。
基于这种腐蚀特性，可在硅衬底上加工出各种各样的微结构。
各向异性腐蚀剂一般分为两类，一类是有机腐蚀剂，包括EPW（乙二胺，邻苯二酸和水）和联胺等。
另一类是无机腐蚀剂，包括碱性腐蚀液，如：KOH，NaOH，LiOH，CsOH和NH4OH等。
在硅的微结构的腐蚀中，不仅可以利用各向异性腐蚀技术控制理想的几何形状，而且还可以采用自停止技术来控制腐蚀的深度。
mems封装的工艺方法
mems封装的工艺方法MEMS（微机电系统）是一种将微观机械与电子技术相结合的先进技术，用于制造各种微型传感器、执行器和微加工器件等。
而MEMS封装则是将制造好的MEMS器件进行保护和连接，以保证器件在实际工作环境中能够正常运行。
在MEMS封装过程中，通常会采用以下工艺方法：1. 清洗与去除表面杂质：在封装之前，必须确保MEMS器件表面干净无杂质。
使用化学清洗方法或等离子体清洗等技术，去除表面的油脂、灰尘和颗粒。
2. 封装材料选择：根据MEMS器件的特性和封装需求，选择适合的封装材料。
常见的封装材料包括塑料、玻璃、金属等。
封装材料应具备良好的热导性、机械稳定性和化学稳定性。
3. 芯片贴合与粘结：将MEMS芯片粘结到封装基底上。
这可以通过微接触技术、金属焊接或UV胶黏剂等方法实现。
贴合过程需要确保芯片位置准确，避免偏移和多余空气气泡产生。
4. 封装结构设计：根据MEMS器件的功能和使用环境，设计合适的封装结构。
封装结构应保护MEMS器件免受外部环境的影响（如温度、湿度、机械冲击等），并提供稳定的电气连接。
5. 密封封装：将MEMS芯片与封装结构完全密封，以避免外部杂质进入。
常见的密封方法包括焊接、粘结和涂覆密封材料等。
6. 引线连接：根据器件的电气连接需求，在封装结构上添加引线。
引线通常采用金属线或导线，通过焊接或金属连接等方式与芯片进行连接。
MEMS封装的工艺方法对于保护和维持MEMS器件的性能至关重要。
通过选择合适的封装材料、精确的贴合和封装结构设计，可以确保MEMS器件在各种复杂环境下的可靠性和稳定性。
这些工艺方法为MEMS器件的广泛应用提供了坚实的基础。
完整版MEMS加工技术及其工艺设备
MEM加工技术及其工艺设备童志义MEMS是微电子技术与机械，光学领域结合而产生的，是20世纪90年代初兴起的新技术，是微电子技术应用的又一次革命性实验。
MEMS很有希望在许多工业领域，包括信息和通讯技术，汽车，测量工具，生物医学，电子等方面成为关键器件，把在Si衬底上的MEMS与IC集成在一起，还可以产生许多新的功能。
但是制造MEMS的加工技术主要有三种，第一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；第二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；第三种是以德国为代表的LIGA （德文Lithograpie—光刻，Galvanoformung —电铸的A bformung-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。
其中硅加工技术与传统的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。
随着电子，机械产品微小化的发展趋势，未来10年，微机械Mier omachine 与微机电MEMS产业将逐渐取代半导体产业成为主流产业，为此，日本，美国一些著名企业均开始加强其MEMS组件/模块制造能力。
当前，微机械与MEMS产业已被日本政府列入未来10年保持日本竞争力的产业，虽然目前MEMS组件/模块市场主要集中在一些特殊应用领域，但未来的5〜10年内，MEMS组件/模块市场规模将扩大到目前的3倍，ME MS相关系统市场将增长10倍（见表1），因此，掌握组件/模块技术将有利于未来在MEMS市场取得主动权。
微系统的增长包括微电子机械和最近对半导体产业设备和工艺开发具有重大影响的纳米技术。
光学式电子束直写光刻与湿法蚀刻硅工艺的结合，促进了早期的MEMS技术的发展。
最近，随着感应耦合等离子体刻蚀系统在深度垂直侧壁结构的应用使MEMS在单晶硅的开发成为可能。
电容式MEMS传感器的设计与制备技术
电容式MEMS传感器的设计与制备技术一、背景介绍MEMS（Micro-Electro-Mechanical System，微电子机械系统）传感器是一种具有微米级别尺寸的微机电系统（Micro-electromechanical systems），它是结合微机电技术和传感器技术而发展出来的一种重要的传感器。
MEMS传感器可用于从基本的加速度、角速度、压力和温度等到其他环境作为输入信号发生了变化的感知应用场合，而且它在健康监测、汽车安全、、智能家居等领域的应用十分广泛。
电容式MEMS传感器是MEMS传感器领域中一种很重要的传感器。
它发挥着重要作用在压力、湿度和其他环境界面的应用中。
本文将着重介绍电容式MEMS传感器的设计与制备技术。
二、电容式MEMS传感器原理电容式MEMS传感器是基于一个微式电容被设计而成的。
其工作原理是利用自身的结构产生电容，通过电容的变化判断测量对象的特征，例如质量、压力、湿度等。
电容式MEMS传感器主要通过测量微小电容变化而实现信号分析，其核心是感应电极与测试电极。
本文主要介绍两种常见的电容式MEMS传感器：压力式和湿度式。
1. 压力式对于压力式MEMS传感器，当压力作用于感应电极时，感应电极会移动变化，进而改变电容器内部的电容，从而记录测量对象的压力。
通常电容式MEMS传感器采用双平行板电容器，其中一个电极为感应电极，另一个电极是实际测量压力的电极。
2. 湿度式湿度式电容式MEMS传感器也是用类似的原理。
电容器中充满了水或气体，搭载了感应电极和测试电极。
当环境的湿度变化时，气体中的水分改变了电容器中气体的数量和场强与测试电极的距离，造成电容变化。
三、电容式MEMS传感器的设计成功的设计电容式MEMS传感器是非常重要的。
设计需要考虑传感器的应用环境、精度和稳定性等。
1. 设计过程和步骤要设计一个电容式MEMS传感器，需要语言硬件、软件工具平台和仿真工具。
设计过程包括以下步骤：（1）确定测量量：选择测量量并确定传感器的参数。
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课程的基本目的
了解MEMS的发展前沿知识 培养对MEMS的兴趣 掌握MEMS工艺的基本流程 掌握MEMS设计的基本过程 掌握mems机电及其耦合分析的基本理论 掌握机电结构微器件的性能分析方法
Why-
Fabrication process?
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Ink Jet printers
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驱动轴 连接梁 感应区 静电驱动电容检测微陀螺仪 感应轴
CMOS压阻式微加速度计
ADXL-202E的集成芯片电路版图
驱动梳齿
IC Sensors研制的CMOS压阻式微加速度计，量程为±500g。 双轴数字输出加速度计ADXL-202E量程是 2g带宽可以通过外 界电容从0.01Hz调到5kHz，噪声指数是 0.5 mg/ Hz ,能同时测量 动态和静态加速度，且采用了脉冲调制占空比输出，可以直 接进入单片机处理，或者通过滤波器转换成模拟量.
机械、电子、光单片集成 独特的空间和波长可调性 高效率的光装配和改进的对准精度 小型化（创伤小和生物体的尺寸匹配） 物理尺寸小、创伤小的医疗器件多功能集成 减少样品、试剂用量及相应的成本 并行和组合分析的可能性 小型化、自动化、便携式 固态RF集成电路器件所不具备的特性 有源、无源器件与电路的直接集成 尺寸减小带来的独特物理性质（如极低的质量和超高 的谐振频率）在某些检测实例中得到了极高的灵敏度 和选择性
MEMS Actuator MEMS Structural Material
Accelerometers for Airbag Deployment Gyroscopes for Electronic Stability Pressure Sensors for Oil, Tires, Intake manifold, etc
MEMS的发展史（续1）
80年代后期： LPCVD、RIE、 Lithography
Polysilicon Surface Micromaching 技术的发展 – Polysilicon Cantilevers and Flexures (Howe UCB) – Polysilicon Micromotors (UCB, MIT) – Accelerometer (Analog Devices) – Integration of Ferromagnetic Materials with MEMS
TNI公司的四自由度微镜与集成电路 德国Campus Micro Technologies GmbH压阻式流量传感器
热流式微型流量传感器实例
朗讯公司238 238 光交叉连接器结构图
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香港科技大学研制的微管道
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典型MEMS器件—硅微惯性传感器
典型MEMS器件——光开关
体积小、重量轻、 波长透明、插损和 串扰小、开关时间 短、功耗小、成本 低
ipad integrated Accelerometers, 3-axis gyroscopes, 3-axis digital compass, microhphone
DLP Projector with a single DMD chip
Inertial Measurement Unit
MEMS Mass Data Storage
Whip Antenna MEMS-Based Power Generation & Energy Conversion
Accelerometers & Gyroscopes for imaging stabilization
Wii MotionPlus using multi-axis MEMS gyroscopes
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连接质量块
音叉式微陀螺阵列结构
伯克利的振动轮式微陀螺仪
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接触孔 多晶硅压阻 喷镀金属 0.5 ZnO 0.5Al
1薄膜层 2绝缘层
二氧化硅
硼掺杂薄膜
低应力SixNy 5mm
Si
350
压电式微麦克风结构 差分电容式微麦克风 压阻式微传声器 压电式微麦克风的照片
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双轴倾斜微镜结构
Stress analysis?
connect to the accelerator design
课程简介
1、概述 2、基础知识 3、MEMS工艺 4、MEMS设计方法 5、器件的设计实例
第一章 微机电系统概述
微机电系统基本概念 微机电系统的发展史 MEMS的本质特征 微机电系统实例 MESM工艺简介 MEMS与微电子 MEMS技术的应用\市场 微机电系统的相关资讯
MEMS的基本特点
起源于硅 IC工艺 尺寸在 ~1um----几 mm 含有可动部件（actuators）/传感器/相关 系统 主要工艺借鉴IC 能与 IC 集成 封装相对复杂
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小汽车 和米粒
Mini Car and Rice
-- Toyota
微型 机器人 Micro Robot --US
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典型MEMS器件——微流体器件
双金属膜 入口阀 泵腔 硅 硅 出口 阀
典型MEMS器件——微型喷
扭矩和力的输出能力 行程 动态响应速度和带宽 材料来源及加工的难易 程度 功耗和功率效率 位移与驱动的线性度 交叉灵敏度和环境稳定 性 芯片占用面积
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微机电系统的实例
MEMS 研究发展史 —— 器 件 及 应 用 实 例
研究领域
光MEMS
技术驱动
MEMS in China
Begin from 90s, Tsinghua Univ. More than 100 groups in China now Research area: Micro sensor, micro actuator, silicon fabrication, Microsystem etc. Fabrication Centers: 13Institute, Peking Univ., Tsinghua Univ, Shanhai Jiaotong Univ., Shanghai Microsystem institute etc.
热偶温度传感器——温度电压 压敏电阻——应力电阻 谐振器——应力谐振频率电容 传感器通常有两类：
物理传感器——加速度、压力、位置、温度、流速、辐射 化学/生物类传感器——化学物质、化学浓度、生物分子等
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器件:传感器与执行器——能量域与换能器
传感器最重要的一些特性指标
New Needs
☆ Standardization, CAD, Foundries
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获得2000年Nobel物理奖
第一个晶体管（ NPN Ge ） 1947年12月23日 W. Schokley J. Bardeen W. Brattain
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1958年第一块集成电路：TI公司的Kilby，12个器件，Ge晶片 18
器件：传感器与执行器_能量域和换能器
换能器——可以实现信号由一种能 量转变为另一种能量的器件或装置 加速度传感器
机械能电能
化学能
辐射能
磁能
气体传感器
化学能电能
温度传感器
热能电能
机械能
热能 电能
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器件:传感器与执行器——能量域与换能器
传感器的两个基本功能：
可以转换不同能域的激励信号 可以将激励信号转换成电能 例如：
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20世纪90年代速发展
气囊微加速度计的集成电路版图
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90年代末：Sandia实验室5层多晶硅技术代表最高水平
2000年底：MEMS Si宣布研制成功与标准 CMOS兼容的加速度计—— ——最新动向
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灵敏度 线性度 响应特性——精度、分辨率 信噪比 动态范围 带宽 串扰与干扰 漂移 可靠性 成本
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器件:传感器与执行器——执行器
执行器通常是将非机械能转换为机械能
驱动方式 基本过程
静电驱动 磁驱动 热双层片驱动 压电驱动
电场作用于感应电荷或永久电荷 时产生力 磁畴与外部磁力线作用产生力矩 和力 由于温度变化使得至少两种材料 产生不同体积的膨胀 加电场后材料的尺寸改变
Mechanical Material”
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MEMS的发展史（续2）
90年代 MEMS的发展的黄金时代 政府/商业机构强力支持 新产品不断涌现 汽车用集成惯性传感器ADXL系列 /AD DMD/TI 光MEMS 生物MEMS 微流控器件 RF MEMS NEMS
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MEMS设计与工艺
石云波 先进制造中心402，3557569（O） shiyunbo@
在本课程之前
电子基础 力学基础 大学物理/数学 ANSYS仿真
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1.1 MEMS基本概念
What？
– Other names: Microsystems (Europe), – Micromachines (Japan)
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MEMS 系统
MEMS的尺度
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人造的微小世界
微型车床 Micro LatheJapan 微型 飞行器