《仪器科学与技术概论》讲座报告之4《MEMS微机电系统》(李宏生)
微机电系统MEMS的学习课件
MEMS技术的应用
空间应用 用作运行参数测量的微加速度计已进行了地面辐照实验,正在进行飞行搭载实验 微陀螺、微推进和微喷管等微系统基础研究 通信方面 光通信正在向有光交换功能的全光通信网络方向发展 无线通信则要求增强功能如联网等和减小功耗.包括美国朗讯公司在内的一些公司和大学正在研究全光通信网用的微系统及无线通信用射频微系统
MEMS技术及其产品的增长速度非常之高,并且目前正处在加速发展时期
MEMS技术
MEMS技术
一般意义上的系统集成芯片 广义上的系统集成芯片
加速度计 压阻式加速度计 电容式加速度计 压电式加速度计
惯性器件
惯性器件
电容式微加速度计
光学MEMS器件
定义 Optical Transducers,MOEMS, Optical MEMS 分类 传统的光传感器、转换器 光传感、成像、发光器件光电子 利用光进行传感的器件 位置传感器、光谱仪、DNA芯片 利用微机械加工方法形成的器件 传统器件的新生命 新型器件
电、光、声、热、磁力等外界信号的采集—各种传感器
执行器、显示器等
信息输入与模/数传输
信息处理
信息输出与数/模转换
信息存储
作 业
1、MEMS工艺与微电 子工 艺技术有哪些区别. 2、列举几种你所知道的 MEMS器件,并简述其 用途.
MEMS的分类
微传感器： 机械类：力学、力矩、加速度、速度、角速度陀螺、位置、流量传感器 磁学类：磁通计、磁场计 热学类：温度计 化学类：气体成分、湿度、PH值和离子浓度传感器 生物学类：DNA芯片
MEMS的分类
微执行器：微马达、微齿轮、微泵、微阀门、微开关、微喷射器、微扬声器、微谐振器等 微型构件：微膜、微梁、微探针、微齿轮、微弹簧、微腔、微沟道、微锥体、微轴、微连杆等 微机械光学器件：微镜阵列、微光扫描器、微光阀、微斩光器、微干涉仪、微光开关、微可变焦透镜、微外腔激光器、光编码器等
《mems微机电系统》PPT课件
大〕，机械性能较好 • 2.存在对硅材料的浪费较大 • 3.与集成电路的兼容性不好
• 根据腐蚀剂的相态，即液相、气相和等离 子态，可以将体型微机械加工的腐蚀方法 划分为三种。采用液相腐蚀剂的腐蚀工艺 往往又称为湿法腐蚀，而采用气相和等离 子态腐蚀剂的腐蚀工艺那么称为干法腐蚀 。
• 多晶硅作为MEMS最常用的构造材料之一 ，它易于用IC技术进展构件制造， 且机械 性能满足要求。用微机械加工制造的典型 多晶硅薄膜的厚度至少大于3 μm。膜更厚 ，其强度和韧性更好。
• 外表微机械加工还采用其它构造材料，以获得可控 的剩余应力值、杨氏模量、薄膜形态、硬度、电导 率和光反射特性。 第一类材料是金属, 包括Al和化 学气相淀积〔CVD〕钨、电镀镍、铜等。特别是Al ，它具有良好的光反射特性，可用于构成微光学系 统的构造〔如Texas Instrument的DMD〕。此时 ，牺牲层材料可以采用气相淀积的有机物，如光刻 胶、聚酰亚胺、 聚对二甲苯等。第二类材料包括 CMOS工艺中制作互连所用的二氧化硅、多晶硅等 。 释放可在CMOS工艺后通过无掩模的干法刻蚀完 成。这些材料的应用可以简化机械构造与电路的集 成， 但机械特性有一定的限制。第三类材料是氮化 硅，这种薄膜的外表比多晶硅外表光滑，可以直接 淀积光发射材料，其张应力可以通过让薄膜富硅化 和在氧化气氛中退火的方法来减小。
一、电子束光刻胶
• 最新的电子束光刻胶开展： • 美国道康宁公司电子部〔Dow Corning
Electronics〕推出的Dow Corning® XR-1541电子束光刻胶。这一新型先进的 旋涂式光刻胶产品系列是以电子束〔 electron beam〕取代传统光源产生微影 图案，可提供图形定义小至6纳米的无掩模 光刻技术能力。
仪器科学与技术概论论文
《仪器科学与技术概论》论文22011127 刘保帅在大一下学期，院系开设了“仪器科学与技术概论”这门课程。
仪器科学与技术概论这门课程主要从MEMS微机电系统，测控技术和国土资源测量，机器人技术与遥感技术，组合导航系统这四个大方向展开。
（一）MEMS微机电系统MEMS微机电系统是一种先进的制造技术平台。
MEMS技术采用了半导体技术中的光刻、腐蚀、薄膜等一系列的现有技术和材料，但是MEMS更侧重于超精密机械加工，并且涉及微电子、材料、力学、化学、机械学诸多学科领域。
它的学科面也扩大到微尺度下的力、电、光、磁、声、表面等物理学的各分支。
MEMS涉及电子、机械、材料、制造、信息与自动控制、物理、化学和生物等多种学科，并集约了当今科学技术发展的许多尖端成果，具有多学科交叉的特点。
MEMS学科的特点主要表现为以下几个方面：微型化，MEMS器件体积小、重量轻、耗能低、惯性小、谐振频率高、响应时间短；以硅为主要材料，机械电器性能优良；可以进行批量生产，批量生产可大大降低生产成本；集成化，可以把不同功能、不同敏感方向或致动方向的多个传感器或执行器集成于一体，从而形成复杂的微系统。
MEMS技术的目标是通过系统的微型化、集成化来探索具有新原理、新功能的元和系统。
ＭＥＭＳ技术开辟了一个全新的领域和产业。
在航空、航天、汽车、生物医学、环境监控、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。
（二）测控技术和国土资源测量技术GPS定位技术以其精度高、速度快、费用省、操作简便等优良特性被广泛应用于地籍控制测量中。
应用GPS卫星定位技术建立的控制网叫GPS控制网(简称GPS网)。
GPS系统包括三大部分：空间部分——GPS卫星星座；地面控制部分——地面监控系统；用户设备部分——GPS信号接收机。
应用GPS进行地籍控制测量，点与点之间不要求互相通视。
由于GPS技术具有布点灵活、天候观测、观测及计算速度快、精度高等优点，使GPS技术在国内各省市的城镇地籍控制测量中得以广泛应用。
微机电系统精品PPT课件
3、MEMS的发展
✓20世纪60年代-，集成电路制造工艺，CD目前已达45nm， 在1mm2内有若干个G以上容量的单元电路 ✓体微加工、深槽加工技术发展，形成MEMS制造技术。典 型代表： 德国LIGA 技术
MEMS发展的重要标志
• 制作水平方面——微马达（静电） • 应用水平方面——Lab-on-a-Chip、微飞行器、微机器人
阻量 ＝势能变化 / 速度、电流或流量的变化 容量 ＝质量或位移变化/ 势能变化 惯量 ＝势能变化/ 流量（速度或电流）每秒的变化
三、MEMS的制造方法概述
MEMS与IC工艺追求不同 • 从二维到“假三维” 、 “真三维” • 以IC平台发展起来为主，非IC工艺日渐丰富
1、在IC加工平台上发展的工艺
第一章 微机电系统（MEMS）概论
内容提要
✓ MEMS的基本概念，与宏观机电系统的对比特征 ✓ MEMS技术的发展过程与大致技术现状 ✓ MEMS典型产品的应用
一、MEMS的形成与发展
1、MEMS的形成基础
学科交叉的产物
机械电子学——机械学、电子学、计算机技术交叉 MEMS——机/电/磁 /光/声/热/液/气/生/化等多学科交叉
写在最后
成功的基础在于好的学习习惯
The foundation of success lies in good habits
21
谢谢大家
与机械电子学的关系
• 不是简单的提升 • 基本组成相同
2、MEMS的特点
MEMS的内涵
•“微” ——尺度效应的作用 •“机电”——拓展向更多物理量的融合 •“系统”——水平、实际应用现状
MEMS的特点
•以实现新功能、特殊性能为前沿目标 •微米量级空间里实现机电功能，提升已有性能（包括微型化、 集成化、高可靠性等） •采用微加工，形成类似IC的批量制造、低成本、低消耗特征
微机电系统的研究与应用
微机电系统的研究与应用微机电系统（MEMS）是一种高度集成的微小机械和电子元件技术，是微纳制造技术和微电子技术在一起的产物。
MEMS具有多种优点，如体积小、功耗低、成本低、可扩展性强等等，在很多应用领域都有广泛的应用。
本文将介绍MEMS的研究与应用，并探讨其未来的发展前景。
一、MEMS的研究MEMS的研究始于20世纪60年代的加利福尼亚大学伯克利分校。
随着纳米技术的快速发展，MEMS的研究和应用进入了高速发展的阶段。
目前，MEMS领域的研究主要分为三个层面：设计、制造和系统级集成。
1. 设计层面MEMS的设计可以使用多种软件工具，如CAD软件、仿真软件等。
其中，CAD软件包括自动化设计程序和虚拟原型软件，可以帮助MEMS设计师更轻松地创建MEMS结构的物理模型。
仿真软件可以帮助设计师进行操作和测试，以确保设计符合要求。
2. 制造层面MEMS的制造是一种高度技术化的过程，主要包括：CMOS制程、LIGA制程、SOI制程、PDMS制程等。
其中，CMOS制程被广泛应用于MEMS传感器和微型执行器的生产线中。
3. 系统级集成层面MEMS系统级集成是MEMS工业的一个研究重点。
它是将MEMS技术应用到实际系统中的过程，通常包括电路设计、机械部件设计、软件开发等一系列工作。
在这个层面上，集成MEMS 系统通常需要多学科合作，涉及到电子、机械、计算机等多个领域。
二、MEMS的应用MEMS的应用非常广泛，以下是几个常见的领域：1. 生物医学MEMS技术在生物医学领域具有重要的应用价值。
例如，MEMS传感器可以用来监测生命体征、检测血糖、血压等。
微流体芯片可以用来进行药物筛选、细胞培养、DNA芯片检测等。
2. 工业自动化MEMS技术在工业自动化中发挥着越来越重要的作用。
例如，MEMS传感器和微型执行器可以用来进行无线控制、智能油田开发、智能物流等。
3. 环境检测MEMS技术可以用来检测环境，例如检测空气污染物、水质、土壤质量等。
MEMS技术 第四讲 电子零件原理(2)
W q, g V q Feg
Note: we assume that the plates are supported elastically ,so they don’t collapse .
Charge-Control Case (cont.)
q2 q2 g W dg ' 2 A 2 A 0
100V 40 106 m 2.5V m
Is this real?
xmin 40 pm
World Record Capacitive
Position-Sense Resolution*
Analog Devices ADRS-150 vibratory rate gyroscope John Geen ,Steve Sherman, John Chang, and Steve Lewis, IEEE J. Solid-State Circuits, 37, Dec. 2002, 1860-1866 Full scale Corillis-induced displacement=20Å Sense capacitance≈ 1000fF
vout
Improved Capacitive Divider (cont.)
zref z x cref 1 c 1 x ˆ ˆ ˆ g0 g0 x V V 1 1 V z z x cref c x g0 g0 x ref ˆ ˆ x V x distortion V no offset! 2 g0 2 g0 x
利用泰勒级数展开，由麦克劳林公式可得
略除高阶无穷小项，得
这时传感器的灵敏度和非线性误差分别为：
微机电系统在机械传感器中的应用及进展
微机电系统在机械传感器中的应用及进展微机电系统（MEMS）是一种基于微纳技术的集成系统，它将微电子技术、微机械技术和传感器技术相结合，可以制造出微小而高性能的传感器与执行器。
在现代科技发展的背景下，微机电系统在机械传感器方面的应用及进展逐渐受到关注。
本文将就微机电系统在机械传感器中的应用及进展进行探讨。
一、微机电系统的基本原理微机电系统是利用微纳米加工技术将微电子电路和微机械系统集成在一起，实现功能精细、体积微小的系统。
其基本原理包括两个方面：1. 微电子技术：微电子技术是MEMS中的核心，它利用半导体材料和集成电路技术，将传感器与执行器制造在微小的芯片上，实现高精度和高灵敏度的测量与控制。
2. 微机械技术：微机械技术是MEMS中的关键，它利用光刻、腐蚀、薄膜制备等工艺，制造出微小而复杂的结构，如微悬臂梁、微压力传感器等。
这些微结构能够实现物理量与电信号的相互转化。
二、微机电系统在机械传感器中的应用微机电系统在机械传感器领域有着广泛的应用，主要体现在以下几个方面：1. 加速度传感器：MEMS加速度传感器是微机电系统最成功的应用之一。
它可以测量物体的加速度，并通过微电子电路将加速度转化为电信号。
在汽车安全气囊、智能手机、运动监测等领域中得到了广泛应用。
2. 压力传感器：MEMS压力传感器是另一个重要的应用领域。
通过微压力传感结构的变形，可以测量介质的压力。
MEMS压力传感器在汽车制动系统、工业自动化等领域中有着广泛的应用。
3. 温度传感器：MEMS温度传感器可以测量环境温度，并通过微电子电路将温度转化为电信号。
它在智能家居、医疗设备等领域中得到了广泛应用。
4. 气体传感器：MEMS气体传感器可以测量环境中特定气体的浓度。
它在环境监测、工业安全等领域中发挥着重要作用。
三、微机电系统在机械传感器中的进展随着科技的发展，微机电系统在机械传感器中也取得了不断的进展。
以下是一些进展的方向：1. 尺寸缩小：借助于微纳加工技术的不断进步，MEMS传感器的尺寸可以做到越来越小。
《微机电系统》课件 (2)
6. MEMS在生命科学中的应用
MEMS在生命科学领域具有广泛的应用前景。本节将介绍MEMS在医疗领域、 生物检测和环境检测中的应用案例，以及相关的技术发展和挑战。
7. MEMS未来的发展趋势
MEMS技术正在不断发展，为各行各业带来了巨大的影响。本节将回顾MEMS技术的发展历程，并展望未来的 发展方向和市场前景分析。
2. MEMS制造工艺
MEMS制造工艺包括生产MEMS器件所需的工艺流程和技术。本节将介绍常用 的MEMS加工工艺，以及在MEMS制造过程中可能面临的问题和解决方案。
3. MEMS传感器
MEMS传感器是一种将感知物理量转换为电信号的器件。本节将介绍MEMS传感器的基本原理，并重点讨论 MEMS压力传感器、加速度传感器、陀螺仪和微波传感器。
4. MEMS执行器
MEMS执行器是一种能够执行特定任务的器件。本节将介绍MEMS执行器的基本原理，并重点讨论MEMS振动器、 阀门和显示器。
5. MEMS系统集成
MEMS系统集成是将多个MEMS器件和其他电子元器件组合成一个整体系统的 过程。本节将介绍MEMS系统的集成方法、设计要点和未来发展趋势。
微机电系统 PPT课件 (2)
本课件将介绍微机电系统（MEMS）的概述、应用领域、制造工艺、传感器与 执行器、系统集成、在生命科学中的应用、未来发展趋势等内容。
1. 简介
微机电系统（MEMS）是一种将微电子技术与机械工程相结合的多学科交叉领域。本节将概述MEMS的定义、 发展历程和重要性，为后续内容打下基础。
8. 总结
本课件综合介绍了MEMS的概述、制造工艺、传感器与执行器、系统集成、在生命科学中的应用以及未来的发 展趋势。同时探讨了MEMS对未来的影响，以及提高MEMS技术研究和应用水平的挑战与机遇。
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《仪器科学与技术概论》讲座报告之四《MEMS微机电系统》
讲座人：李宏生教授时间：2011·8
姓名：学长学号：22009xxx
在短学期的《仪器科学与技术概论》课中，我们学院的李宏生教授给我们上了一堂关于微机电系统的讲座，让我们受益匪浅。
相比较于我们平时上的专业课，短学期的这一系列讲座更加直观，上起来很轻松，并且能获取到更新更快的知识，李宏生教授的这个微机电系统的讲座则从历史、现状和发展趋势等多个角度让我们了解了这门先进的技术，并想我们介绍了我院在此方面的诸多成就和如今国际上的先进技术，开拓了同学们的视野。
这个讲座主要介绍了四个方面的信息：微型仪器的概述、微型仪器的发展历程与应用领域、微型仪器的相关研究领域、微型仪器的发展趋势。
仪器是集传感器技术、计算机技术、电子技术、现代光学技术和精密机械等多种高新技术于一身的产品。
现代仪器的发展趋向：智能化、微型化、集成化、网络化。
并且利用诸如现代微型制造技术、纳米技术、计算机技术、测控技术、微电子技术、微动力学原理、仿生学原理以及新材料等高新技术的微型仪器已成为现代仪器发展的主流方向之一。
值得注意的是，微型仪器属于微机电系统的范畴。
接着，李老师重点向我们介绍了MEMS.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。
主要由微传感器,微执行器,微电路和电源等组成。
它通常具有获取,处理与控制信息及致动等功能。
相对于常规机电系统而言,MEMS具有体积小,质量轻,能耗低,响应快,智能化和可大批量生产（因而成本低）等特点。
经过了近半个世纪的发展，MEMS已经在生物医学、军事、汽车、通讯领域都有广泛的用途。
了解了MEMS的用途后，我们就进行相关领域的研究，包括了解MEMS的基本特征、学习MEMS动力学、了解微系统材料，微细加工技术主要指高深度比多层微结构的硅表面加工和体加工技术，利用X 射线光刻、电铸的LIGA 和利用紫外线的准LIGA 加工技术；微结构特种精密加工技术包括微火花加工、能束加工、立体光刻成形加工；特殊材料特别是功能材料微结构的加工技术；多种加工方法的结合；微系统的集成技术；微细加工新工艺探索等。
进而了解相关技术，如MEMS设计技术、机械技术、微加工技术、测控技、封装技术等。
最后，李宏生教授向我们介绍了MEMS的广阔前景，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。
看了李教授PPT里展示的体积很小，但功能强大的微机电系统，同学们都赞叹不已——一个小小的器件里竟有这么多文章，而且精度极高。
听了这堂讲座，同学们不仅学习了MEMS一些入门知识，更是被李教授的激情演讲激发了学习兴趣！。