微机电系统技术与智能系统集成99页PPT
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《mems微机电系统》PPT课件
• 特点： • 1.获得的构造的几何尺寸较大〔相应的质量
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。
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。
《微机电系统》PPT课件
2> Commonly used MEMS materials
Category
Material
Property or application
Metal
Au,Al,Cu,Ni,Cr
Conductor
Silicon
Structure, semiconductor
Poly-crystalline silicon Semicondu
1) Thermal oxidation
2) --growSiniOg 2 on Si
3) Dry oxidatioSn:iO2Si2O <1150°C,
4hr>
S 2 iH 2 O （ g ） S2 i 2 O 2H
4) Wet oxidation:
5)
<
800°C~1200°C > d
o.44d Si
3> Sputtering --A momentum-exchange process <not heating> --Low temperature process --We can sputter anything onto substrate
7> Semiconductor Devices Understanding of how the basic devices used ICs operate is useful, because it provides some understanding of the objectives we have for IC technology. The most commonly used IC devices are: 1> PN Diodes 2> Bipolar Junction Transistors 3> MOS Transistors
机电一体化 完整ppt课件
2.机电技术完全融合形成新型机电一体化产品
生产机械中的激光快速成形机；信息机械中的传真机、打印机、复印机；检测机 械中的CT（计算机断层扫描诊断装置）扫描诊断仪、扫描隧道显微镜等。
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7
C650卧式车床外形图 1— 主轴变速箱 2—溜板与刀架 3—尾座 4—床身 5—丝杠
6—光杠 7—溜板箱 8—进给箱 9—挂轮箱
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8
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9
效益分析
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10
第二节 机电一体化构成要素件
11
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12
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13
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14
二、相关技术
1. 机械技术
2.
机电一体化的机械产品与传统的机械产品的
区别在于：机械结构更简单、机械功能更强、性
1 23 4
图7-18 双螺母垫片调隙式结构 1、2-单螺母 3-螺母座 4-调整垫片
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37
(b)螺纹调隙式（图7-20）其中一 个螺母的外端有凸缘而另一个螺母 的外端没有凸缘而制有螺纹，它伸 出套筒外，并用两个圆螺母固定着。 旋转圆螺母时，即可消除间隙，并 产生预拉紧力，调整好后再用另一 个圆螺母把它锁紧。
3）运动平稳，无爬行现象，传动精度高。
4）运动具有可逆性，可以从旋转运动转换为直线运动，也可以从直线运动转换为旋转运 动，即丝杠和螺母都可以作为主动件。
5）磨损小，使用寿命长。
6）制造工艺复杂。滚珠丝杠和螺母等元件的加工精度要求高，表面粗糙度也要求高，故 制造成本高。
7）不能自锁。特别是对于垂直丝杠，由于自重惯力的作用，下降时当传动切断后，不 能立刻停止运动，故常需添加制动装置。
生产机械中的激光快速成形机；信息机械中的传真机、打印机、复印机；检测机 械中的CT（计算机断层扫描诊断装置）扫描诊断仪、扫描隧道显微镜等。
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C650卧式车床外形图 1— 主轴变速箱 2—溜板与刀架 3—尾座 4—床身 5—丝杠
6—光杠 7—溜板箱 8—进给箱 9—挂轮箱
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第二节 机电一体化构成要素件
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二、相关技术
1. 机械技术
2.
机电一体化的机械产品与传统的机械产品的
区别在于：机械结构更简单、机械功能更强、性
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图7-18 双螺母垫片调隙式结构 1、2-单螺母 3-螺母座 4-调整垫片
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37
(b)螺纹调隙式（图7-20）其中一 个螺母的外端有凸缘而另一个螺母 的外端没有凸缘而制有螺纹，它伸 出套筒外，并用两个圆螺母固定着。 旋转圆螺母时，即可消除间隙，并 产生预拉紧力，调整好后再用另一 个圆螺母把它锁紧。
3）运动平稳，无爬行现象，传动精度高。
4）运动具有可逆性，可以从旋转运动转换为直线运动，也可以从直线运动转换为旋转运 动，即丝杠和螺母都可以作为主动件。
5）磨损小，使用寿命长。
6）制造工艺复杂。滚珠丝杠和螺母等元件的加工精度要求高，表面粗糙度也要求高，故 制造成本高。
7）不能自锁。特别是对于垂直丝杠，由于自重惯力的作用，下降时当传动切断后，不 能立刻停止运动，故常需添加制动装置。
《微机电系统概论》课件
表面微加工技术
表面微加工技术包括物理沉积、化学沉积、电 化学沉积等多种方法，这些方法能够制造出具
有优异性能的薄膜材料。
表面微加工技术的优点在于它可以制造出大面积、高 精度和低成本的微纳器件，因此在微机电系统中得到
了广泛应用。
表面微加工技术是一种制造微机电系统的技术 ，它通过在衬底表面上的薄膜上进行加工，制 造出各种微结构和功能器件。
01
微机电系统的未来 展望
微纳融合技术
总结词
微纳融合技术是微机电系统未来的重 要发展方向，它将微纳尺度下的器件 、电路和系统进行融合，实现更小尺 寸、更高性能的集成。
详细描述
随着微纳技术的不断发展，将微电子 和纳电子进行融合，可以进一步缩小 器件尺寸，提高集成度，降低能耗， 为未来的智能化和微型化提供有力支 持。
01
微机电系统的应用 实例
微型飞行器
总结词
微型飞行器是微机电系统的重要应用之 一，具有体积小、重量轻、灵活性高等 特点。
VS
详细描述
微型飞行器可以在狭小空间内进行飞行和 侦查，广泛应用于军事侦察、环境监测、 灾难救援等领域。其制造需要精密的微加 工技术和先进的控制算法，以确保稳定性 和精度。
微型机器人
总结词
微型机器人是微机电系统的另一重要应用，具有高效、精准、灵活等优点。
详细描述
微型机器人可以执行各种复杂任务，如医疗手术、工业制造、环境治理等。通 过微机电系统技术，可以实现微型机器人的小型化、智能化和自主化，提高工 作效率和精度。
微型医疗器械
总结词
微型医疗器械是微机电系统在医疗领域的应用，具有体积小、操作简便、创伤小 等优点。
自组装和自修复技术
总结词
自组装和自修复技术是实现微机电系统自主适应环境变化的重要手段，通过自组装和自修复，微机电系统能够更 好地适应复杂环境，提高稳定性和可靠性。
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
先进制造技术——微机电系统
德国为代表
主要用于金属微结构器件的形成
LIGA工艺
模具
五、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
微机电系统(MEMS)
Micro-Electro-Mechanical Systems
一、MEMS技术的历史
微系统是从微传感器发展而来的，已有 几次突破性的进展
70年代微机械压力传感器产品问世 80年代末研制出硅静电微马达 90年代喷墨打印头，硬盘读写头、硅加速度
计和数字微镜器件等相继规模化生产 充分展示了微系统技术及其微系统的巨大应
微电子解决电子系统的微型化 非电子系统成为整个系统进一步缩小的关键
控制部分 电子学
机械 部分 传感 执行
微电子学 MEMS
三、MEMS概念
从广义上讲，MEMS是指集微型传感器、微型执行器、 信号处理和控制电路、接口电路、通信系统以及电源于 一体的微型机电系统
非纯电路装置
硅微尖锥 F a b r i c a t i o n
子浓度传感器 生物学类：DNA芯片
电容式微加速度计
微惯性传感器及微型惯性测量组合能应用于制导、卫星 控制、汽车自动驾驶、汽车防撞气囊、汽车防抱死系统
(ABS)、稳定控制和玩具。
2、微马达
旋转马达
静电
线性马达
美国提出的硅固态卫星的概念图，这个卫星除了蓄电池外， 全由硅片构成，直径仅15cm
数字镜面显示（DMD） 可转动的硅微镜
主要用于金属微结构器件的形成
LIGA工艺
模具
五、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
微机电系统(MEMS)
Micro-Electro-Mechanical Systems
一、MEMS技术的历史
微系统是从微传感器发展而来的，已有 几次突破性的进展
70年代微机械压力传感器产品问世 80年代末研制出硅静电微马达 90年代喷墨打印头，硬盘读写头、硅加速度
计和数字微镜器件等相继规模化生产 充分展示了微系统技术及其微系统的巨大应
微电子解决电子系统的微型化 非电子系统成为整个系统进一步缩小的关键
控制部分 电子学
机械 部分 传感 执行
微电子学 MEMS
三、MEMS概念
从广义上讲，MEMS是指集微型传感器、微型执行器、 信号处理和控制电路、接口电路、通信系统以及电源于 一体的微型机电系统
非纯电路装置
硅微尖锥 F a b r i c a t i o n
子浓度传感器 生物学类：DNA芯片
电容式微加速度计
微惯性传感器及微型惯性测量组合能应用于制导、卫星 控制、汽车自动驾驶、汽车防撞气囊、汽车防抱死系统
(ABS)、稳定控制和玩具。
2、微马达
旋转马达
静电
线性马达
美国提出的硅固态卫星的概念图，这个卫星除了蓄电池外， 全由硅片构成，直径仅15cm
数字镜面显示（DMD） 可转动的硅微镜
微机电系统技术与智能系统集成
安全气囊 工作范围0-±50g 安装位置：汽车发生碰撞时受到挤压的部位/非挤 压的区域 悬挂系统 测量范围为0-2g。 暴露恶劣环境中，需复杂封装，价格高于安全气囊的 加速度计 防锁定制动系统（anti-lock braking system） 用于中档和高档的汽车
三、MEMS在生化、医学上的应用
微型加速度传感器在侵彻武器引信中的应用
侵彻武器概念与作用 美国在90年代初期开始研究硬目标灵巧引信（ETSF） 要求 •大量程、高g值——测量量程在几万g到十几万g •很好的抗过载能力——硅材料内部缺陷少 典型产品
美国ENDEVCO公司，90年代，20万g，压阻式加速度微 传感器，7270A
发展方向——血管内手术、颅内手术及细胞手术
MEMS Examples
BoschMAP engine control pressure sensor
Motorola airbag accelerometer
Ford ISAAC two-chip accelerometer
MEMS with rotary bearing surfaces and interlocking gears (Sandia National Laboratories)
World’s smallest helicopter is constructed from parts made using LIGA process. With a length of 24 millimeters and a weight of 0.4 grams the helicopter takes off at 40,000 rpm. With a diameter of only 1.9 millimeters the electromagnetic motors can reach an incredible revolution speed of nearly half a million rpm on the one hand, and a considerable torque of 7.5 µ Nm on the other hand.
三、MEMS在生化、医学上的应用
微型加速度传感器在侵彻武器引信中的应用
侵彻武器概念与作用 美国在90年代初期开始研究硬目标灵巧引信（ETSF） 要求 •大量程、高g值——测量量程在几万g到十几万g •很好的抗过载能力——硅材料内部缺陷少 典型产品
美国ENDEVCO公司，90年代，20万g，压阻式加速度微 传感器，7270A
发展方向——血管内手术、颅内手术及细胞手术
MEMS Examples
BoschMAP engine control pressure sensor
Motorola airbag accelerometer
Ford ISAAC two-chip accelerometer
MEMS with rotary bearing surfaces and interlocking gears (Sandia National Laboratories)
World’s smallest helicopter is constructed from parts made using LIGA process. With a length of 24 millimeters and a weight of 0.4 grams the helicopter takes off at 40,000 rpm. With a diameter of only 1.9 millimeters the electromagnetic motors can reach an incredible revolution speed of nearly half a million rpm on the one hand, and a considerable torque of 7.5 µ Nm on the other hand.
精品课件-机电一体化导论第10章 微机电系统技术
23
图10.6 微流量化学分析系统原理结构 24
• 10.5.4 在信息科学方面的应用 • 信息本身没有质量和尺寸，但信息存储、交换、操作及传输
过程中外接的微型化、低功率的MEMS器件却是不可或缺的基 础件，如计算机系统中的微机械存储器、激光扫描器、磁盘 和磁头及打印头等，它们不仅具备信息交换和存储的能力， 同时也有助于改进信息的敏感度及显示的密度和品质。 • 射频(RF)MEMS器件，包括RF微机械开关、微机械谐振器、微 机械可调电容器、微机械电感器和滤波器、微机械天线以及 雷达系统用的RF器件等
5
• 人们泛称的是微机械电子系统（Microelectro-mechanical Systems，MEMS）。它是以微传感器、微执行器以及驱动和 控制电路为基本元器件组成的、自动性能高的、可以活动和 控制的、机电合一的微机械装置。其基本特点是体积小、质 量轻、功耗低。
• 传统（宏观）机械的最小构成单元通常是毫米量级，而微机 械的最小零件尺寸要下降3～6个数量级，即进入到微米和纳 米的尺度范畴。
19
• 微机电系统也推动了无人驾驶 微 型 飞 机 的 实 现 。 图 l0.4 给 出 的是利用微、纳米制造技术制 造出来的微型飞机样机。可以 放在手掌上的这种微型飞机的 翼展仅有 15 cm，靠体积仅有 纽扣大小（直径<1cm）的涡轮 喷气发动机或微型马达来驱动, 这种微型飞机可用于常规军用 侦察机监观不到的巷道和阴山 背地的地方侦察，搜集情报。
8
• 10.2.2 微机电系统分类 • （1）传感MEMS技术是指用微电子微机械加工出来的、用敏
感元件如电容、压电、压阻、热电耦、谐振、隧道电流等来 感受转换电信号的器件和系统。它包括速度、压力、湿度、 加速度、气体、磁、光、声、生物、化学等各种传感器, 按 种类分主要有: 面阵触觉传感器、谐振力敏感传感器、微型 加速度传感器、真空微电子传感器等。 • （2）生物MEMS技术是用MEMS技术制造的化学/生物微型分析 和检测芯片或仪器, 有一种在衬底上制造出的微型驱动泵、 微控制阀、通道网络、样品处理器、混合池、计量、增扩器、 反应器、分离器以及检测器等元器件并集成为多功能芯片。
图10.6 微流量化学分析系统原理结构 24
• 10.5.4 在信息科学方面的应用 • 信息本身没有质量和尺寸，但信息存储、交换、操作及传输
过程中外接的微型化、低功率的MEMS器件却是不可或缺的基 础件，如计算机系统中的微机械存储器、激光扫描器、磁盘 和磁头及打印头等，它们不仅具备信息交换和存储的能力， 同时也有助于改进信息的敏感度及显示的密度和品质。 • 射频(RF)MEMS器件，包括RF微机械开关、微机械谐振器、微 机械可调电容器、微机械电感器和滤波器、微机械天线以及 雷达系统用的RF器件等
5
• 人们泛称的是微机械电子系统（Microelectro-mechanical Systems，MEMS）。它是以微传感器、微执行器以及驱动和 控制电路为基本元器件组成的、自动性能高的、可以活动和 控制的、机电合一的微机械装置。其基本特点是体积小、质 量轻、功耗低。
• 传统（宏观）机械的最小构成单元通常是毫米量级，而微机 械的最小零件尺寸要下降3～6个数量级，即进入到微米和纳 米的尺度范畴。
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• 微机电系统也推动了无人驾驶 微 型 飞 机 的 实 现 。 图 l0.4 给 出 的是利用微、纳米制造技术制 造出来的微型飞机样机。可以 放在手掌上的这种微型飞机的 翼展仅有 15 cm，靠体积仅有 纽扣大小（直径<1cm）的涡轮 喷气发动机或微型马达来驱动, 这种微型飞机可用于常规军用 侦察机监观不到的巷道和阴山 背地的地方侦察，搜集情报。
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• 10.2.2 微机电系统分类 • （1）传感MEMS技术是指用微电子微机械加工出来的、用敏
感元件如电容、压电、压阻、热电耦、谐振、隧道电流等来 感受转换电信号的器件和系统。它包括速度、压力、湿度、 加速度、气体、磁、光、声、生物、化学等各种传感器, 按 种类分主要有: 面阵触觉传感器、谐振力敏感传感器、微型 加速度传感器、真空微电子传感器等。 • （2）生物MEMS技术是用MEMS技术制造的化学/生物微型分析 和检测芯片或仪器, 有一种在衬底上制造出的微型驱动泵、 微控制阀、通道网络、样品处理器、混合池、计量、增扩器、 反应器、分离器以及检测器等元器件并集成为多功能芯片。