微机电系统-MEMS简介_图文

分析和遗传诊断 ,利用微加工技术制造各种微泵、微阀、微摄子、微沟槽、
微器皿和微流量计的器件适合于操作生物细胞和生物大分子。所以,微机械
在现代医疗技术中的应用潜力巨大,为人类最后征服各种绝症延长寿命带来
了希望。
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OMOM智能胶囊消化道内窥镜系统
• 金山科技集团研制的胶囊内镜
“胶囊内镜”是集图像处理、信息通讯、光电工程、生物医 学等多学科技术为一体的典型的微机电系统（MEMS） 高科技产品，由智能胶囊、图像记录仪、手持无线监视 仪、影像分析处理软件等组成。
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微射流MEMS技术应用于糖尿病治疗.
这个一次性胰岛素注射泵融合了Debiotech的胰岛素输注系统技术和ST的微射流 MEMS芯片的量产能力。纳米泵的尺寸只有现有胰岛素泵的四分之一. 微射流技术还能 更好地控制胰岛素液的注射量，更精确地模仿胰岛自然分泌胰岛素的过程，同时还能检 测泵可能发生的故障，更好地保护患者的安全。 成本非常低廉。
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MEMS定义
早在二十世纪六十年代，在硅集成电路制造技术发 明不久，研究人员就想利用这些制造技术和利用硅很好 的机械特性，制造微型机械部件，如微传感器、微执行 器等。如果把微电子器件同微机械部件做在同一块硅片 上，就是微机电系统——MEMS: Microelectromechanical System。
胆固醇,可探测和清除人体内的癌细胞 ,进行视网膜开刀时 ,大夫可将遥控机
器人放入眼球内,在细胞操作、细胞融合、精细外科、血管、肠道内自动送
药等方面应用甚广。
MEMS的微小可进入很小的器官和组织和能自动地进行细微精确的操作的特
点 ,可大大提高介入治疗的精度 ,直接进入相应病变地进行工作 ,降低手术风
险。同微电子,集成电路,IC,工艺,设计,器件,封装,测试,MEMS时,可进行基因
的是“体硅加工”技术。
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20世纪80年代：
“表面微加工”技术在加速度计、压力传感器和其 他微电子机械结构制作中得到了应用。
20世纪80年代后期：
MEMS在世界范围内受到了广泛重视，在美国、欧洲和 亚洲，投入的研究资金和研究人员都以令人惊讶的速 度在大幅增长。MEMS正在处于蓬勃发展的关键时期， 不断地有新型器件和新型技术给予报道，人们见证了 基于MEMS技术的喷墨打印头、压力传感器、流量计、 加速度计、陀螺仪、非冷却红外成像仪和光学投影仪 等设备的不断开发和产业化的进程。（如同IC）
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在汽车上的应用
MEMS传感器及其组成的微型惯性测量组合在汽车自动 驾驶、汽车防撞气囊、汽车防抱死系统（ABS）、减震 系统、防盗系统等。GPS定位系统。
*在汽车里作为加速表来控制碰撞时安全气囊防护系统 的施用 * 在汽车里作为陀螺来测定汽车倾斜，控制动态稳定 控制系统 * 在轮胎里作为压力传感器。
工作时间：8小时左右 视 角 度：140度 视 距：3cm 分 辨 力：0.1mm 体 积：13mm ×27.9mm 重 量：<6g 外 壳：无毒耐酸耐碱高分子材料
图象记录仪
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影像工作站
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OMOM胶囊内镜的工作原理是：患者像服药一样用水将智 能胶囊吞下后，它即随着胃肠肌肉的运动节奏沿着胃→十 二指肠→空肠与回肠→结肠→直肠的方向运行，同时对经 过的腔段连续摄像，并以数字信号传输图像给病人体外携 带的图像记录仪进行存储记录，工作时间达6～8小时，在 智能胶囊吞服8～72小时后就会随粪便排出体外。医生通过 影像工作站分析图像记录仪所记录的图像就可以了解病人 整个消化道的情况，从而对病情做出诊断。
• 硅微机械加工工艺：体硅工艺和表面牺牲层工艺 –美国为代表
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Materials
• 硅基材料
单晶硅，多晶硅，非晶硅，二氧化硅，氮化硅，碳 化硅，SOI(Silicon On Insulator)。
• 聚合物材料 光刻胶，聚二甲硅氧烷
• 其他材料 砷化镓，石英，玻璃，钻石，金属。
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Technologies
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世界上第一个微静电马达
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MEMS的发展过程
20世纪60年代 ：
采用将传感器和电子线路集成在一个芯片上的设计思 想来制作集成传感器 。 20世纪60年代后期：
硅刻蚀技术用于制作能将压力转换为电信号的应变 薄膜结构。
20世纪70年代 ：
人们使用硅各向异性选择性腐蚀制作薄膜，掺杂以
及基于电化学的腐蚀停刻技术也出现了，随之而来
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MEMS的发展过程的重要历史事件
1939年 P-N结半导体 (W. Schottky) 1948年 晶体管 (J. Bardeen, W.H. Brattain, W. Shockley) 1954年 半导体压阻效应 (C.S. Smith) 1958年 集成电路（IC） (J.S. Kilby) 1959年 “There is plenty of room at the bottom” (R. Feynman) 1962年 硅集成压力驱动器 (O.N. Tufte, P.W. Chapman, D. Long) 1965年 表面微机械加速度计 (H.C. Nathanson, R.A. Wichstrom) 1967年 硅各向异性深度刻蚀 (H.A. Waggener) 1973年 微型离子敏场效应管 (Tohoku University) 1977年 电容式硅压力传感器 (Stanford)
1993年 数字微镜显示器件 (Texas Instruments)
1994年 商业化表面微机械加速度计 (Analog Devices)
* 1999年 光网络开关阵列 (Lucent)
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MEMS的应用领域
由于MEMS器件和系统具有体积小、重量 轻、功耗小、成本低、可靠性高、性能优异、 功能强大、可以批量生产等传统传感器无法比 拟的优点，因此在航空、航天、汽车、生物医 学、环境监测、军事以及几乎人们接触到的所 有领域中都有着十分广阔的应用前景。
1985年 LIGA工艺 (W. Ehrfeld et al.)
1986年 硅键合技术 (M. Shimbo)
1987年 微型齿轮 (UC Berkeley)
1988年 压力传感器的批量生产 (Nova Sensor)
1988年 微静电电机 (UC Berkeley)
1992年 体硅加工工艺 (SCREAM process, Cornell)
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1979年 集成化气体色谱仪 (C.S. Terry, J.H. Jerman, J.B.Angell)
1981年 水晶微机械 (Yokogawa Electric)
1982年“Silicon as a mechanical material” (K. Petersen)
1983年 集成化压力传感器 (Honeywell)
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微电子机械系统是以微电子、微机械及材料科学为基础， 研究、设计和制造具有特定功能的微型装置（包括微结构器件 、微传感器、微执行器和微系统等方面）的一门科学。
• 1959年就有科学家提出微型机械的设想，但直到1962年 才出现属于微机械范畴的产品—硅微型压力传感器。其 后尺寸为50～500微米的齿轮、齿轮泵、气动蜗轮及联 接件等微型机构相继问世。而1987年由华裔留美学生冯 龙生等人研制出转子直径为60微米和100微米的硅微型 静电电机，显示出利用硅微加工工艺制作微小可动结构 并与集成电路兼容制造微小系统的潜力，在国际上引起 轰动，科幻小说中描述把自己变成小昆虫钻到别人的居 室或心脏中去的场景将要成为现实展现在人们面前。同 时，也标志着微电子机械系统(MEMS)的诞生。
由于MEMS是微电子同微机械的结合，如果把微 电子电路比作人的大脑，微机械比作人的五官（传感 器）和手脚（执行器），两者的紧密结合，就是一个 功能齐全而强大的微系统。
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图1微机电系统的组成框图
微机电系统的组成框图如图1所示，它是将微机械、信息输 入的微型传感器、控制器、模拟或数字信号处理器、输出信号 接口、致动器(驱动器)、电源等都微型化并集成在一起，成为 一个微机电系统。微机电系统内部可分成几个独立的功能单元 ，同时又集成为一个统一的系统。
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国外MEMS 技术在引信中的应用
• MEMS 技术在精确打击弹药引信中的应用
美国FMU2159/ B 硬目标侵彻灵巧引信及加速度计
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采用MEMS 技术的弹道修正引信
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装有弹道修正引信的MK64 制导炮弹
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单兵20 mm 高 爆榴弹微机电引信
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航空航天的应用
在 1995年的国际会议上已有人正式提出研制全硅卫星的概念 。即整个卫星由硅太阳能电池板、硅导航模块、硅通信模块等 组合而成 ,这样 ,可使整个卫星的质量缩小到以 kg计算 ,从而使 卫星的成本大幅度降低 。
胰岛素注射泵疗法或者连续皮下注射胰岛素（CSII）可以替代一天必须输注几次的 单次胰岛素注射法，这种疗法越来越被人们看好。按照CSII治疗方法，糖尿病患者连接 一个可编程的注射泵，注射泵与一个贮液器相连，胰岛素就从这个贮液器输注到人体皮 下组织内，在一天的输液过程中，可根据病人的情况设定液量。
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仿学中的应用（仿生纤毛）
地下水流微传感器
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MEMS器件根据其特性分成微传感器、微执 行器、微结构器件、微机械光学器件等。
微传感器
机械类 磁学类
力学 力矩 速度
加速度
位置
流量 角速度(陀螺)
化学类 气体成分 湿度
生物类 PH值
离子浓度
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微执行器 马达 齿轮 开关 扬声器微结构器件 薄膜微腔来自*12*