MEMS技术(1概述)-王文廉
mems 寻北原理
MEMS 寻北原理一、MEMS技术简介1.1 MEMS的定义和应用领域1.2 MEMS的基本原理和工作方式二、MEMS寻北技术的背景和意义2.1 导航系统的发展和需求2.2 MEMS寻北技术的优势和应用场景三、MEMS寻北原理及其实现方法3.1 MEMS寻北原理的基本概念3.2 MEMS寻北原理的实现方法3.2.1 磁阻式寻北传感器3.2.2 陀螺仪辅助寻北技术3.2.3 光学传感器辅助寻北技术3.2.4 加速度传感器辅助寻北技术四、MEMS寻北技术的性能评估和改进方法4.1 MEMS寻北技术的性能评估指标4.1.1 精度评估指标4.1.2 稳定性评估指标4.1.3 响应时间评估指标4.2 MEMS寻北技术的改进方法4.2.1 传感器优化设计4.2.2 数据融合算法改进4.2.3 系统校准方法改进五、MEMS寻北技术的挑战和发展趋势5.1 MEMS寻北技术面临的挑战5.1.1 环境干扰问题5.1.2 精度和稳定性问题5.1.3 成本和体积问题5.2 MEMS寻北技术的发展趋势5.2.1 多传感器融合技术的应用5.2.2 数据处理算法的改进和优化5.2.3 制造工艺的进一步提升六、结论6.1 MEMS寻北技术的应用前景6.2 未来发展方向和重点参考文献附录：MEMS寻北技术的相关专利和商业产品列表一、MEMS技术简介1.1 MEMS的定义和应用领域MEMS（Micro-Electro-Mechanical Systems）是一种微型电子机械系统，由微小的机械结构、电子元件、传感器和控制电路等组成。
MEMS技术广泛应用于惯性导航系统、生物医学、光学传感、无线通信等领域。
1.2 MEMS的基本原理和工作方式MEMS的基本原理是利用微纳加工技术制造微小的机械结构和电子元件，通过电子和机械的相互作用实现功能。
MEMS器件通常由传感器、执行器和电子控制单元组成，传感器负责感知环境参数，执行器负责对环境进行控制，电子控制单元负责数据处理和控制指令的生成。
mems 寻北原理
mems 寻北原理
摘要：
1.介绍MEMS 技术
2.解读MEMS 寻北原理
3.MEMS 寻北技术的应用
正文：
MEMS（Micro Electro Mechanical Systems，微电子机械系统）技术是一种将微电子技术与机械工程相结合的技术，可以制造出微小的、高精度的、可动的机械结构。
这种技术在许多领域都有广泛的应用，如陀螺仪、加速度计、压力传感器等。
MEMS 寻北原理是基于MEMS 技术的一种定位方法。
其基本原理是利用地球磁场对MEMS 器件的影响，通过检测MEMS 器件的磁场变化，从而确定设备的地理位置。
具体来说，MEMS 寻北原理是利用地球磁场对MEMS 器件中的磁性材料产生磁力，通过检测磁力的大小和方向，可以计算出设备的地理位置。
MEMS 寻北技术在许多领域都有广泛的应用，如导航、定位、遥感等。
例如，在导航系统中，MEMS 寻北技术可以帮助确定车辆的准确位置，从而提高导航的精度和可靠性。
在遥感领域，MEMS 寻北技术可以帮助卫星准确地定位地面目标，从而提高遥感数据的精度和质量。
总的来说，MEMS 寻北原理是一种基于MEMS 技术的定位方法，其基本原理是利用地球磁场对MEMS 器件的影响，通过检测MEMS 器件的磁场变化，从而确定设备的地理位置。
MEMS技术(1概述)-王文廉资料
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2018/11/20
NUC 2012
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MEMS器件和MEMS系统
一只蚂蚁和微齿轮
美国提出的硅固态卫星, 直径仅15cm
NUC 2012
清华一号
(50kg, 0.07m3)
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清华大学联合英国萨瑞大学研制
2018/11/20
第一章微机电系统概述
主要内容：
微机电系统基本概念及特点。
微机电系统的历史、发展与前景。 微机电系统的主要特征。 微机电系统的器件、系统和应用领域。
2018/11/20
NUC 2012
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微观 世界
光学显微镜
电子显镜
2018/11/20
NUC 2012
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微机电系统基本概念及特点
隔膜
2018/11/20
分子的
NUC 2012
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微机电系统基本概念及特点
批量生产
2018/11/20
NUC 2012
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什么是MEMS
微机电系统（Micor Electro —Mechanical Systems, MEMS）是在微电子技术的基础 上发展起来的，融合了硅微加工、LIGA 技术和精密机械加工等多种微加工技术， 并应用现代信息技术构成的微型系统。 它包括感知和控制外界信息(力、热、光、 生、磁、化等)的传感器和执行器，以及 进行信号处理和控制的电路。
微机电系统技术基础
王文廉
课程内容
微机电系统概述 微系统的工作原理 用于MEMS和微系统的材料 微系统加工工艺 传感器、致动器 微制造综述 微系统设计
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第一章微机电系统概述
主要内容：
mems 寻北原理
MEMS（微机电系统）陀螺仪可以用于寻北原理，其工作原理是利用陀螺效应来检测地球的自转角速度，从而确定设备的真北方向。
MEMS陀螺仪由微加工制成，通常包括一个旋转的质量块和一个固定的基座。
当陀螺仪旋转时，由于旋转惯性力的作用，质量块将产生一个旋转角速度。
由于旋转的角速度是地球自转的一部分，因此可以通过检测旋转的角速度来确定设备的真北方向。
具体来说，MEMS陀螺仪可以通过检测旋转的角速度来计算设备当前的位置和方向。
当设备处于静止状态时，旋转的角速度为零，因此可以确定设备的初始位置。
当设备开始移动时，旋转的角速度将发生变化，因此可以通过检测角速度的变化来确定设备的方向。
通过这种方式，可以实现对设备的精确定位和导航。
总之，MEMS陀螺仪可以通过检测旋转的角速度来确定设备的真北方向，从而实现对设备的精确定位和导航。
和微系统概述
二第、一微个机丰电收发的展季史节
3.丰收的季节 （20世纪80年代末，90年代初）
1987年，微机电研究真正兴起
标志：加州大学伯克利分校研制成功 了直径为10μm的硅微马达。
1988年，伯克利分校科研人员为 直径约120μm的静电马达通电并 成功使其运转。
MEMS
机械系统和传感系统缩小 后与控制系统平衡的MEMS
一、MEMS的定义及组成
4.MEMS的组成
1.追溯
二、微机电发展史
“如果有一天可以按照 人们的意志安排一个个 原子，那将会产生什么 样的奇迹呢？”
1959年量子物理学家理查德·费曼 在加州理工学院演讲
推荐书：
《别逗了，费曼先生：怪才历险记 》
因为惯性质量小，小的系统比大的系统移动更迅速 小器件的小尺寸所面临的热变形和振动问题会更小 小系统除了具有更精确的性能外，它们的小尺寸也使得它们
更适合应用在药品和手术中
三、MEMS的特点
2.制造材料性能稳定
主要材料：硅 优 点：强度、硬度、杨氏模量：与铁相当
密度：近似铝 热传导率：接近钼和钨
发生在20世纪90年代的故事
1.微创手术
如胆结石手术、心脏搭桥手术、肿瘤切除手术等。 能够减轻病人的痛苦。
监视器
腹腔插入腹腔镜、手术工具、摄像头等
遥控操作
发生在2发0世生纪在9200年世纪代9的0年故代事的故事
2.汽车中气囊
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。
发生在20发世生纪在902年0世代纪的9故0年事代的故事
二、微机电发展史
2.三十年的积累 （20世纪50年代末到20世纪80年代末）
MEMS微传感器的工作原理1
MEMS微传感器的工作原理1MEMS微传感器的工作原理1MEMS（Micro-Electro-Mechanical System）微传感器是一种利用微纳米加工技术制造而成的具有微机械结构和电子集成功能的传感器。
其工作原理主要由微机械结构和电子部分组成，通过电磁、热、压电等方式进行传感和信号处理。
首先，MEMS微传感器通过微纳米加工技术制造出微机械结构，这些结构通常由微梁、微桥、微膜等组成。
其中最常见的微梁结构，通过悬臂梁或压电材料的屈曲变形，实现对外部物理量的测量。
例如，用金属薄膜制成的微梁，通过激光刻蚀等技术加工形成悬臂结构，当外部施加力量时，微梁发生弯曲，产生电磁信号或光信号，从而实现测量。
其次，MEMS微传感器中的微机械结构通常与电子部分集成在一起，电子部分包括传感电路、信号处理电路和输出电路等，用于接收、放大、滤波和解码传感器的信号。
传感电路是将微机械结构产生的信息转化为电信号的部分，对于不同的传感器结构和测量物理量有不同的设计和实现方法。
信号处理电路用于对传感电路输出的微弱信号进行放大、滤波、去噪等处理，以提高传感器的灵敏度和抗干扰能力。
输出电路则将信号处理后的电信号转化为输出信号，可以是电压信号、电流信号、数字信号或无线通信信号，根据不同的应用场景和需求选择相应的输出方式。
另外，MEMS微传感器还可根据所测量的物理量的不同，采用不同的工作原理，常见的工作原理有压电、热敏、电容、光电等。
例如，压电MEMS微传感器利用压电材料的结构变形而产生电荷信号，通过测量电荷信号的大小来确定外部物理量的大小。
热敏MEMS微传感器利用热敏效应，测量物体的温度变化。
电容MEMS微传感器则通过改变微机械结构的电容值，测量介质的相对介电常数变化，从而实现对压力、加速度、湿度等物理量的测量。
光电MEMS微传感器则利用光电效应，通过测量光的散射、吸收或反射来获得外部环境的信息。
总之，MEMS微传感器的工作原理是基于微纳米加工技术制造微机械结构，并将其与电子部分集成，通过微机械结构对外部物理量的感应和电子部分的信号处理，实现对物理量的测量和输入输出信号的转化。
MEMS技术(3 微系统的工作原理2-微执行器)
静电尺蠖执行器工作原理
1.6 静电微夹具
Kim等(1990，1992)演示了一种多晶硅静电 微爪，它仅需20V驱动电压就能获得10微米 位移量。它由一个7×5毫米的硅片，一个 位于硅衬底上的1.5 毫米长的硼掺杂支撑悬 臂梁（从硅片上伸出来）以及一个400微米 长的从支撑悬臂梁末端伸出的多晶硅悬伸 抓手组成。
微机械波形管执行器
表面微机械“波 形管”执行器， 这种执行器带有 一个环形的折叠 状薄膜结构，相 对于简单的薄膜， 这种结构可以得 到更大的偏移。
变相的热执行器包括加热时相态可 变的材料，这样体积发生膨胀从而 产生压力以及机械载荷。 例如，可以通过加热将水从液态转 变为气态，产生的气泡可以用作驱 动力。
1 1 r 0 AV 2 W CV 2 2 2 x
dW 1 r o AV 2 F dx 2 x2
Comb Drives
These are particularly popular with surface micromachined devices.
They consist of many interdigitated fingers. When a voltage is applied an attractive force is developed between the fingers, which move together. The increase in capacitance is proportional to the number of fingers; so to generate large forces, large numbers of fingers are required.
静电激励已经被用于实现旋转马达结构。 基本思路是制做一个能自由转动的中间转子， 四周布以电容极板，以合适的相位驱动，就 可使转子转动。 获得相对高的速度是可能的，最近在这种结 构的建模与设计方面已做了一些工作。可惜 的是，这些马达仅是许多流行出版物的广告 题材，几乎没有实际的应用。
mems光开关的工作原理及应用
MEMS光开关的工作原理及应用1. 简介MEMS光开关是一种基于微机电系统（MEMS）技术的光学元件，常用于光纤通信和光学网络中。
它具有微小尺寸、低功耗、快速响应和高可靠性等优点，因此在通信领域得到广泛应用。
2. 工作原理MEMS光开关的工作原理基于光学的电光效应和MEMS技术的微加工制造。
下面将详细介绍其工作原理。
2.1 光学的电光效应光学的电光效应是指一些材料在电场的作用下会发生光学性质发生改变的现象。
其中最常用的光学的电光效应是Pockels效应。
Pockels效应是指在一些特定晶体材料中，当施加电场时，其光学折射率将会发生改变，从而实现光信号的调控。
2.2 MEMS技术的应用于光开关MEMS技术通过精密的微加工工艺，制造出微小的机械元件，将其应用于光学领域。
MEMS光开关利用微机电系统中的微机械执行机构，通过对电光效应材料施加电场调控光信号的传输路径。
3. MEMS光开关的结构MEMS光开关的结构主要包括以下几个部分：3.1 光学通道光学通道是指光信号的传输路径，通常通过光纤或波导实现。
在MEMS光开关中，光学通道的连接状态可以通过机械运动来切换，从而实现光信号的调控。
3.2 电光效应材料电光效应材料是实现MEMS光开关工作的关键材料。
常用的电光效应材料包括锂钽酸铌（LiNbO3）、锂钕酸铌（LiNdO3）等。
这些材料在施加电场时可以改变光的折射率，从而控制光信号的传输。
3.3 微机械执行机构微机械执行机构是MEMS光开关的核心部件，它通过微小的机械运动实现光学通道的切换。
常见的执行机构包括微镜、微电机、微弹簧等，它们可以控制光学通道的连接状态。
4. MEMS光开关的应用MEMS光开关在通信领域具有广泛的应用，主要应用于光网络、光纤通信设备和光学传感器等方面。
以下是其常见的应用场景。
4.1 光纤通信在光纤通信中，MEMS光开关可以用于实现光路的切换和光信号的调控，从而提高通信网络的可靠性和灵活性。
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光学显微镜
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微机电系统基本概念及特点
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微机电系统基本概念及特点
批量生产
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什么是MEMS
微机电系统（Micor Electro —Mechanical Systems, MEMS）是在微电子技术的基础 上发展起来的，融合了硅微加工、LIGA 技术和精密机械加工等多种微加工技术， 并应用现代信息技术构成的微型系统。 它包括感知和控制外界信息(力、热、光、 生、磁、化等)的传感器和执行器，以及 进行信号处理和控制的电路。
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MEMS发展历史回顾
1750s：第一个静电发电机由本杰明.富兰克林和安 德鲁 戈登发明； 1822年 发现了半导体硅； 1927年：申请了场效应晶体管的专利 1947年：发明锗晶体管--技术基础 1954年：Smith, C.S., “在锗和硅中的压电效 应” ，Physical Review, 94.1, April 1954.
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图 伯克利分校研制的微电机
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MEMS的发展
硅微传感器阶段 1963年日本丰田研究中心制作出硅微压力 传感器。 1982年美国IBM和UCBerkeley研制了集成电 容式加速度计。 硅微致动器阶段 1987年UCBerkeley研制出转子直径为 60~120m的硅微静电电机。
传感器市场化阶段
1993年美国Analog Devices开始生产集成加 速度传感器，开始在汽车行业大量应用。
系统研究阶段
20世纪90年代末，开始微型飞行器、微型 卫星、微型机器人等研究。
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国内MEMS的发展
20世纪90年代初清华大学等高校开始研究。 目前有100个左右的研究小组从事本领域研究 研究主要领域包括硅微传感器、硅微致动器、 硅微加工技术、微系统等领域。 主要加工基地有信息产业部电子13所，北大 微电子所，清华大学微电子所，上海交通大 学和上海冶金所等。
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MEMS发展历史回顾
应变仪
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MEMS发展历史回顾
1958年：硅应变仪得到商业应用； 1959年：Feynman的报告“There is plenty of room at the bottom”. 1961年：第一个硅压力传感器研制成功
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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
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从国际上开发MEMS的情况看，美国侧重在微 电子技术的基础上，通过微芯片取得制造工艺 的突破；日本则侧重从机械加工工艺实现微机 械的制造，强调通过非光刻的传统机械线实现 机械微型化，是一条用大机器制造小机器，用 小机器造微机器的途径；德国的特色是在LIGA 工艺的应用上取得进展。这些国家的加工工艺 各有特色，但均取得显著成效。 总体来看，目前美国和日本处于微米/纳米技术 技术领先地位。我们应在利用国外各种微加工 工艺的基础上努力创新。
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什么是微型机电系统
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
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MEMS发展历史回顾
1967年：发明了表面微机械加 工技术； 1970年：第一个硅微加速度计 演示成功； 1977年：第一个整体式电容式 压力传感器； 1988年：美国加州大学伯克利 分校研制的静电微电机，标志 着MEMS时代的到来； 1995年：开始了Bio-MEMS的研 究；
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MEMS中的核心元件一般包含两类：一个传 感或致动元件和一个信号传输单元。下图说 明了在传感器中两类元件的功能关系。
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说明了致动元件和信号传输单元之间的功能关 系。传输单元将输入能量转换成为传感器的电 压等形式，执行致动元件的功能。
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MEMS的产业化及市场前景
估计2000年MEMS的市场为470亿美圆
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当前市场上存在的MEMS产品
喷墨打印头 汽车安全气囊用加速度传感器 游戏杆用加速度传感器 压力传感器 微型控制阀 微型磁强计
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微机电系统技术基础
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课程内容
微机电系统概述 微系统的工作原理 用于MEMS和微系统的材料 微系统加工工艺 传感器、致动器 微制造综述 微系统设计
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第一章微机电系统概述
主要内容：
微机电系统基本概念及特点。
微机电系统的历史、发展与前景。 微机电系统的主要特征。 微机电系统的器件、系统和应用领域。
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MEMS下一步的主要研究内容
光学MEMS（Optical MEMS） 生物MEMS（Bio-MEMS） 量子加密和计算（Quantum encrypting and computing）
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第一章微机电系统概述
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2013-5-S系统
一只蚂蚁和微齿轮
美国提出的硅固态卫星, 直径仅15cm
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清华一号
(50kg, 0.07m3)
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清华大学联合英国萨瑞大学研制
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第一章微机电系统概述
主要内容：
微机电系统基本概念及特点。
微机电系统的历史、发展与前景。 微机电系统的主要特征。 微机电系统的器件、系统和应用领域。