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。
微型机电系统技术及应用研究
微型机电系统技术及应用研究一、微型机电系统技术的概述微型机电系统（MEMS）是一种结合微电子技术和机械工程学的新型领域，其通过微型化的设计和制造技术，将传统机械结构和微电子器件相结合，形成了微小的机电一体化系统。
微型机电系统技术是一门综合性技术，涵盖了微电子、纳米技术、微流体技术、光学技术、机电一体化技术等多个学科的知识。
它主要应用于机械传感器、微型电子器件、模拟信号处理器、微型加速度计等领域。
二、微型机电系统技术的工艺流程（一）MEMS芯片的设计MEMS芯片的设计过程是从需求分析、系统设计、器件设计、工艺设计、布图设计等方面入手进行的。
需要建立实体模型、分析模型，进行仿真和测试，并不断优化和改进设计。
（二）MEMS芯片的制造MEMS芯片的制造过程一般包括深度反相模法、LIGA工艺、光刻、涂覆、光阻显影、等离子刻蚀、熔合碳化硅、薄膜沉积、蚀刻等多个步骤。
（三）MEMS芯片的封装MEMS芯片的封装是保护器件、连接器件与外部电路的必要措施。
封装过程可以分为晶圆封装和单晶封装两种方式，包括封装底座、焊接、固定器件等多个步骤。
三、微型机电系统技术的应用研究（一）机械传感器微型机械传感器是MEMS技术应用最为广泛的领域，目前已广泛用于医疗、环境、军事、交通等领域。
例如，在医疗领域中，MEMS传感器可用于实时监测病人的脉搏、血压和呼吸等生命体征，为医护人员提供即时的信息。
（二）微型电子器件微型电子器件是MEMS技术的另一个重要应用方向，包括MEMS振荡器、MEMS电容器等。
这些器件的微型化和集成化将会使一些电子设备大幅度缩小，例如手机和手表等。
（三）模拟信号处理器模拟信号处理器是利用MEMS技术构建的一种新型信号处理器，可以将模拟信号进行转换、增强和分析等处理，广泛应用于工业自动化、环境监测、生命科学等领域。
（四）微型加速度计微型加速度计是MEMS技术在工业领域中的应用之一，可以实现对工业设备振动、冲击等数据的监测和控制，对于提高设备的精度和可靠性有非常重要的作用。
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。
微机电系统及微细加工技术
微机电系统及微细加工技术微机电系统（Micro-Electro-Mechanical Systems，MEMS）是一种将微米尺度的机械结构、电子元器件和微处理器集成在一起的技术。
它利用微细加工技术来制造微小的机械设备和传感器，以实现对物理量、化学量和生物量的检测、测量和控制。
微机电系统的核心是微细加工技术，它是一种将传统的集成电路制造技术与微机械加工技术相结合的新技术。
通过微细加工技术，可以在硅基材料上制造出微小的机械结构和电子元器件，从而实现微机电系统的功能。
微机电系统的制造过程包括多个步骤，其中最关键的是光刻、薄膜沉积和蚀刻。
光刻是将光敏树脂涂覆在硅基材料上，并利用光刻机将图形投射到光敏树脂上，然后利用化学蚀刻将暴露在光下的部分去除，形成所需的结构。
薄膜沉积是将金属或者绝缘材料沉积在硅基材料上，用于制作电极、传感器等部件。
蚀刻是通过化学反应将硅基材料腐蚀，从而形成微小的结构。
微机电系统具有多种应用领域。
在生物医学领域，微机电系统可以用于制造微型传感器，实现对生物体内生理参数的监测。
在环境监测领域，微机电系统可以用于制造微型气体传感器，实现对空气中有害气体的检测。
在信息技术领域，微机电系统可以用于制造微型显示器和微摄像头，实现信息显示和图像采集。
此外，微机电系统还可以应用于汽车行业、航空航天领域和工业控制领域等。
微机电系统在实际应用中面临着一些挑战。
首先，微机电系统的制造过程非常复杂，需要高度精确的设备和工艺控制，制造成本较高。
其次，微机电系统的性能和可靠性受到环境和温度的影响，需要进行合理的封装和温度补偿。
最后，微机电系统的集成度和功耗也是一个挑战，需要在保证性能的同时尽量减小尺寸和功耗。
微机电系统是一种基于微细加工技术的新型集成技术，具有广泛的应用前景。
随着微细加工技术的不断发展和改进，微机电系统将在多个领域发挥重要作用，为人们的生活和工作带来更多便利和创新。
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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微机电系统复习资料
第一章绪论
一、MEMS：特征尺寸在1um~1mm范围内的机械叫做微型机械。
三个特征：微型化（主要体现在体积、重量、耗能、惯性），集成化（体现在将不同功能、敏感、执行元素集成在一起），可批量生产
（特征尺寸、孔腔、沟道、悬臂梁）。
二、代表性器件：数字胃镜（DMD），喷墨打印机的喷头（销量最高），微
静电电机，机械陀螺仪（用于导航）。
三、与微电子产业相比的特征：1、三维可动装置2、多功能（生物、化学、
电能……）
、涉及的材料多4、封装和自组装工艺5、生产工艺和制造技术（制造技
术主要有体微加工技术、表面微加工技术和LIGA，其中LIGA上课没讲）
第二章
一、微型化的标度：表面积/体积比，主要考虑其比值缩小带来的影响，主
要体现在表面力、摩擦力占的主导作用。
二、应力（单位是Pa,压强）、应变
弹性模量=应力/应变
梁发生最大弯曲处：扰度、粘附
数测量：1，几何特征（大小）：光学显微镜（光学），台阶仪（机械），扫描电子显微镜（SEM，电学）
2，表面形貌：探针技术（机械探针和光学探针），
SEM，原子力显微镜（AFM）
3，应力和应变的测量：1），硅片弯曲，传统的，测
整个硅片，精度低，不可以测弹性模量2），X射线
衍射法（XRD），拉曼光谱法，测量简单，设备昂
贵，精度低3）加载变形和谐振频率法，光路复
杂、精度高、可以测弹性模量
第三章工作原理和敏感材料
一、压阻敏感（应变系数，变阻器）
常见压阻材料（三类）：金属应变器（受温度影响小），单晶硅（涉及掺杂），多晶硅（应变系数小于单晶硅，衬底多）
二、压电效应：
定义：在机械压力作用下会产生电荷和电压
起因：晶体中离子电荷的位移变化引起的极化
代表性材料：石英，钛酸钡（BaTiO3），PET
机电耦合性系数：
三、热敏感：喷墨头，热电偶（测温，自供电，不需外接电源），串联形成
热电堆（用于测温），热电阻器（用作加热装置），两种加热材料：铂（金属材料），多晶硅（半导体材料）
四、静电敏感（代表器件：微静电电机）
静电敏感相比于与静电执行的优点：
1，结构简单，只需两个导电表面2，功耗低，依赖于电压差而非电流3.，响应快，转换速度由充放电时间决定。
充放电时间——
平板电容，叉指电容（IDT）
第四章
一、掺杂
两种工艺：
扩散：固溶度——掺杂物在材料中不改变其晶体结构的最大浓度
离子注入：加速离子穿入硅片，晶格碰撞，随机过程
二、等离子体（由电子、离子、带电粒子组成，对外呈中性）
特征：高密度
产生条件：真空
三种应用： 1）制备方面：辅助不同工艺，沉积材料
2）掺杂：辅助不同工艺对基底材料掺杂
3）刻蚀、微加工或移除基底材料
三、材料：1）衬底材料：硅——机械性能、高温稳定，用110面晶向，
较易加工
石英——透光性好，耐高温
硅化物——二氧化硅或氮化硅，用来绝缘或作掩模板
玻璃——廉价
GaAs——电子迁移率高
2）导电材料应用：作金属跟半导体的欧姆接触
集成电路布线（铝、铜）
3）介质材料：
两类导电类型：电子性导电（导带中电子，空间限制电流，热电子）
离子性导电
四：薄膜制备方法：
物理气象淀积PVD：固态→气态→固态沉积
化学气象淀积（CVD）：蒸发，三要素：真空、高温、蒸发源。
溅射：溅射率，平均一个离子轰出的离子数。
溅射率取决于原子序数、加速电压、入射方向真空：磁场（射频、磁控）
在真空下，加磁场（射频磁场）等制备前面三种材料。
化学汽相淀积CVD优点：低温，难溶物质，纯度高，致密性好
第五章制造工艺
一、光刻：图形复制技术
1）光源：汞灯，准分子激光，电子束，X射线
光刻胶：正胶，聚合物发生裂解，曝光部分可以洗掉，分辨率高，粘附性差
负胶，聚合物发生交联，未曝光部分可以洗掉，速度高，
粘附性好，成本低，分辨率低
二、体微加工技术：沿厚度方向对基底或衬底进行刻蚀，形成三维结构
湿法刻蚀：同向刻蚀：HAD——HF+HNO3+CH3COOH，刻蚀硅、铝较快
异向刻蚀： KOH——表面光滑，但引入钾离子污染
EDP——与掺杂浓度有关，用于刻蚀铝
TMAH——无污染，无金属离子，但表面粗糙
干法刻蚀：等离子体，不受晶向影响，问题——刻蚀剂受阻，生成物不易挥发
DRIE（深反应离子刻蚀）：适应于垂直壁，深槽刻蚀，具有高深
宽比
三、表面微加工技术：制备附着于衬底表面的薄膜来形成微结构。
组成：绝缘部分，微结构部分（要求机械性能好，残余应力小，缺陷少，黏附），牺牲层部分——与IC工艺兼容，容易去除
四、其他微加工技术
化学机械抛光（CMP）：氧化物→KOH （磨料：铜、钨）键合技术（SOI）：将两层或多层硅片叠放在一起形成整体
三种键合方法：
1) 利用粘合剂：环氧树脂
2) 共晶键合（金属原子扩散到硅材料中，形成共晶）
3) 阳极键合（Na+,O2-迁移）
4) 硅融合→水合作用形成O-H键
题型：选择、判断、简答
选择、判断加起来占到近60分。