微机电系统(MEMS)的学习(课堂PPT)
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微机电系统MEMS的学习课件
MEMS技术的应用
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
• 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
where λis the wave length of light used to make
image transfer. e.g. UV λ=500nm
2〕Steps: substrate preparation→ thin film addition →cast PR →pre-designed mask →expose in UV light →develop PR in developing solution →Etch the thin film covered with PR in a solution that will attack the thin film but not the PR →remove PR
3. X-Ray lithography
A type of light lithography techniques using short wavelength X-Rays Pros • Fast process • High aspect ratio • Solves depth of focus problem • High resolutions of ~ .5 µm • Reduction in diffraction,
Pros • Computer-controlled beam • No mask is needed • Can produce sub-1 µm features • Diffraction effects are minimized • Electron beam can detect surface features for
6.Thin film addition
• PR Spin on • Thermal oxidation • Thermal evaporation • E-beam evaporation • Sputtering process • CVD <LPCVD,PECVD> • Electroplating
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-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。
*
19
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。
21
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。
微机电系统-MEMS简介_图文.ppt
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
MEMS技术PPT课件
• 应用研究：如何应用这些MEMS系统也是一门非常重要的学问。人们不仅要开 发各种制造MEMS的技术，更重要的是如何将MEMS器件用于实际系统，并从 中受益。
第17页/共67页
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
第42页/共67页
DMD——应用
第43页/共67页
DMD——应用
第44页/共67页
光开关
微机械1X4光开关
微机械1X8光开关
第45页/共67页
光开关
微机械22光开关
微机械2 2光开关
第46页/共67页
光纤固定结构
• V形槽 • 各种卡紧结构
第47页/共67页
光栅及光栅光谱仪
• 原理 • 不同类型的光栅
外腔激光器、光编码器等
第19页/共67页
MEMS的分类
• 真空微电子器件：它是微电子技术、MEMS技术和真空电子学发展的产物，具有极快的开关速度、非常好 的抗辐照能力和极佳的温度特性。主要包括场发射显示器、场发射照明器件、真空微电子毫米波器件、真 空微电子传感器等
• 电力电子器件：包括利用MEMS技术制作的垂直导电型MOS(VMOS)器件、V型槽垂直导电型 MOS(VVMOS)器件等各类高压大电流器件
• 微惯性传Байду номын сангаас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
• 微流量系统和微分析仪可用于微推进、伤员救护 • MEMS系统还可以用于医疗、高密度存储和显示、
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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
第42页/共67页
DMD——应用
第43页/共67页
DMD——应用
第44页/共67页
光开关
微机械1X4光开关
微机械1X8光开关
第45页/共67页
光开关
微机械22光开关
微机械2 2光开关
第46页/共67页
光纤固定结构
• V形槽 • 各种卡紧结构
第47页/共67页
光栅及光栅光谱仪
• 原理 • 不同类型的光栅
外腔激光器、光编码器等
第19页/共67页
MEMS的分类
• 真空微电子器件：它是微电子技术、MEMS技术和真空电子学发展的产物，具有极快的开关速度、非常好 的抗辐照能力和极佳的温度特性。主要包括场发射显示器、场发射照明器件、真空微电子毫米波器件、真 空微电子传感器等
• 电力电子器件：包括利用MEMS技术制作的垂直导电型MOS(VMOS)器件、V型槽垂直导电型 MOS(VVMOS)器件等各类高压大电流器件
• 微惯性传Байду номын сангаас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
• 微流量系统和微分析仪可用于微推进、伤员救护 • MEMS系统还可以用于医疗、高密度存储和显示、
MEMS简介3PPT课件
全球微机电系统市场销售额分析：
✓在全球前30名MEMS公司的榜单中，很多公司受惠于智能手机市场的 蓬勃发展。例如瑞声科技（AAC）凭借MEMS麦克风的强劲增长（2012 年营收增长90%，达到6500万美元），首次挤进全球前30名。 ✓中国驻极体麦克风供应商购买英飞凌（Infineon）的MEMS裸片，然后 自己做封装、测试和销售，并成为苹果iPhone的第二货源。
• 意法半导体于2006 年成为全球首家以200 mm 晶圆生产MEMS 传感 器的厂商；
• IHS iSuppli 的统计数据显示：
a. 2012 年全球MEMS 芯片市场成长约5%，规模达到83 亿美元； b. 意法半导体与博世并列全球第一大MEMS 供应商，其中意法半导体营收年成长率23%
，博世年成长率为8%；
MEMS产业现状 及全球MEMS市场
(1)美国
MEMS的研究在60年代首先从斯坦福大学开始，逐步扩展到佐治亚理 工学院和加利福尼亚大学洛杉矶分校等大学，众多美国大学拥有了 100～150mm晶圆生产线。
(2)法国
法国有关MEMS的研发基地较为集中，主要由国立研究所法国LETI（ Laboratoire dElectronique de Technologie de lInformation，电子和信息 技术实验室）承担。
➢ MEMS与CMOS制程技术的整合
➢ 3D 封装技术在异质整合特性下，可进一步整合模拟RF、数字Logic、 Memory、Sensor、混合讯号、MEMS 等各种组件
MEMS产业现状 及全球MEMS市场
MEMS产业现状 及全球MEMS市场
3.2.3 MEMS晶圆代工厂
• 近几年以来美国也有几家规模较小的晶圆代工厂，持续投入资源用 于MEMS晶圆代工；
✓在全球前30名MEMS公司的榜单中，很多公司受惠于智能手机市场的 蓬勃发展。例如瑞声科技（AAC）凭借MEMS麦克风的强劲增长（2012 年营收增长90%，达到6500万美元），首次挤进全球前30名。 ✓中国驻极体麦克风供应商购买英飞凌（Infineon）的MEMS裸片，然后 自己做封装、测试和销售，并成为苹果iPhone的第二货源。
• 意法半导体于2006 年成为全球首家以200 mm 晶圆生产MEMS 传感 器的厂商；
• IHS iSuppli 的统计数据显示：
a. 2012 年全球MEMS 芯片市场成长约5%，规模达到83 亿美元； b. 意法半导体与博世并列全球第一大MEMS 供应商，其中意法半导体营收年成长率23%
，博世年成长率为8%；
MEMS产业现状 及全球MEMS市场
(1)美国
MEMS的研究在60年代首先从斯坦福大学开始，逐步扩展到佐治亚理 工学院和加利福尼亚大学洛杉矶分校等大学，众多美国大学拥有了 100～150mm晶圆生产线。
(2)法国
法国有关MEMS的研发基地较为集中，主要由国立研究所法国LETI（ Laboratoire dElectronique de Technologie de lInformation，电子和信息 技术实验室）承担。
➢ MEMS与CMOS制程技术的整合
➢ 3D 封装技术在异质整合特性下，可进一步整合模拟RF、数字Logic、 Memory、Sensor、混合讯号、MEMS 等各种组件
MEMS产业现状 及全球MEMS市场
MEMS产业现状 及全球MEMS市场
3.2.3 MEMS晶圆代工厂
• 近几年以来美国也有几家规模较小的晶圆代工厂，持续投入资源用 于MEMS晶圆代工；
《微机电系统》PPT课件 (2)
grams, AFOSR support basic research in materials and MEMS research, DARPA creates MUMPS foundry services with MCNC in 1993, NIST supports commercial foundries for CMOS and MEMS; ➢ In our country, “micron/nanometer manufacture technology national key laboratory” was founded in 1996; ➢ In 1992, Chris Pister (UCLA) creates first micromachined hinge, it’s features open possibilities for pseudo-3D structures and assembly; ➢ In 1992, MCNC starts the Multi User MEMS Process (MUMPS);
➢ In 1969, Westinghouse creates the “Resonant Gate FET” based on new microelectronics fabrication techniques;
➢ In 1970s, Bulk-etched silicon wafers used as pressure sensors;
Definition:
MEMS is the integration of electrical elements, mechanical elements, sensor, actuators on a common silicon substrate through micro fabrication technology. These system can sense, control and actuate on the micro scale, and function individually or in Saernrsoaryssgattohergeinnfeorramtateioenfffreocm ttsheoennvmiraocnrmeontsctharloeug.h
➢ In 1969, Westinghouse creates the “Resonant Gate FET” based on new microelectronics fabrication techniques;
➢ In 1970s, Bulk-etched silicon wafers used as pressure sensors;
Definition:
MEMS is the integration of electrical elements, mechanical elements, sensor, actuators on a common silicon substrate through micro fabrication technology. These system can sense, control and actuate on the micro scale, and function individually or in Saernrsoaryssgattohergeinnfeorramtateioenfffreocm ttsheoennvmiraocnrmeontsctharloeug.h
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光显示、高密度存储、汽车、国防等微 系统
10
MEMS技术的应用
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
11
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
用前景
12
MEMS技术
MEMS用批量化的微电子技术制造出尺寸 与集成电路大小相当的非电子系统，实现 电子系统和非电子系统的一体化集成
➢从根本上解决信息系统的微型化问题 ➢实现许多以前无法实现的功能
今天的MEMS与40年前的集成电路类似， MEMS对未来的社会发展将会产生什么影 响目前还难以预料，但它是21世纪初一个 新的产业增长点，则是无可质疑的
20
从底层向上
MEMS制造工艺
大机械制造小机械，小机械制造微机械
➢日本为代表
LIGA工艺
➢Lithograpie(光刻)、Galvanoformung(电铸) Abformung(塑铸)
➢德国为代表
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
21
LIGA工艺
22
硅MEMS工艺
化学腐蚀 高深宽比深槽刻蚀 键合
17
MEMS的分类
真空微电子器件：它是微电子技术、 MEMS技术和真空电子学发展的产物， 具有极快的开关速度、非常好的抗辐照 能力和极佳的温度特性。主要包括场发 射显示器、场发射照明器件、真空微电 子毫米波器件、真空微电子传感器等
电力电子器件：包括利用MEMS技术制 作的垂直导电型MOS(VMOS)器件、V型 槽垂直导电型MOS(VVMOS)器件等各类 高压大电流器件
➢ 微流量系统和微分析仪可用于微推进、伤员救护 ➢ MEMS系统还可以用于医疗、高密度存储和显示、
光谱分析、信息采集等等
➢ 已经制造出尖端直径为5m的可以夹起一个红细胞 的微型镊子，可以在磁场中飞行的象蝴蝶大小的飞 机等
8
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
子浓度传感器 ➢生物学类：DNA芯片
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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
9
MEMS技术的应用
在生物医学方面，将光、机、电、液、 生化等部件集成在一起，构成一个微型 芯片实验室，用于临床医学检测，为医 生甚至家庭提供简单、廉价、准确和快 捷的检测手段
微电子学 MEMS
3
4
MEMS技术
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
MEMS技术是一种多学科交叉的前沿性领域，它几乎涉 及到自然及工程科学的所有领域，如电子、机械、光学、 物理学、化学、生物医学、材料科学、能源科学等
MEMS将会带动一个充满活力的产业迅速成长
➢ 不是钢铁、汽车、微电子，而是微系统
6
ADI公司 生产的微 加速度机 MEMS芯 片
7
MEMS技术的应用
MEMS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
➢ 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
5
MEMS — 微小型、智能、集成、高可靠
MEMS是人类科技发展过程一次重大的技术整合
➢ 微电子技术、精密加工技术、传感器技术、执行器技术
微小型化、智能化、集成化、高可靠性
MEMS能够完成真正意义上的微小型系统集成
➢ 在芯片上实现了力、热、磁、化学到电的转变
MEMS极大地改善了人类生活的质量
➢ 大批量、低成本的传感器生产方式给人们更多的保护
微机电系统
Micro-ElectroMechanical Systems
1
引言
信息系统微型化
➢系统体积大大减小 ➢性能、可靠性大幅度上升 ➢功耗和价格大幅度降低
信息系统的目标：微型化和集成化
➢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
2
控制部分 电子学
机械 部分 传感 执行
应用研究：如何应用这些MEMS系统也是 一门非常重要的学问。人们不仅要开发各 种制造MEMS的技术，更重要的是如何将 MEMS器件用于实际系统，并从中受益。
15
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
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研究领域
理论基础：随着MEMS尺寸的缩小，有些宏观 的物理特性发生了改变，很多原来的理论基础 都会发生变化，如力的尺寸效应、微结构的表 面效应、微观摩擦机理等等，
➢ 微动力学 ➢ 微流体力学 ➢ 微热力学 ➢ 微摩擦学 ➢ 微光学 ➢ 微结构学
14
研究领域
技术基础：设计、工艺加工(高深宽比多层 微结构)、微装配工艺、微系统的测量等。
18
MEMS制造工艺
19
MEMS
从顶层向下
大机器加工 小机器，小 机器加工微 机器
用微电子加 工技术
MEMS系统
X光铸模+压 塑技术
(LIGA) 微系统
微机械
国防、航空航天、生物医学、环境 监控、汽车都有广泛应用。
2000年有120-140亿美元市场
相关市场达1000亿美元
2年后市场将迅速成长
分子和原子级加工
23
体硅工艺
24
表面牺牲层工艺
表面牺牲层与 CMOS工艺集成
➢ 结构单独制造，灵活性较大 ➢ 灵敏度高、寄生小、体积小 ➢ 简化封装和组装，可靠性高 ➢ 加工工艺复杂，成品率较低 ➢ 工艺兼容的材料种类较少
10
MEMS技术的应用
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
11
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
用前景
12
MEMS技术
MEMS用批量化的微电子技术制造出尺寸 与集成电路大小相当的非电子系统，实现 电子系统和非电子系统的一体化集成
➢从根本上解决信息系统的微型化问题 ➢实现许多以前无法实现的功能
今天的MEMS与40年前的集成电路类似， MEMS对未来的社会发展将会产生什么影 响目前还难以预料，但它是21世纪初一个 新的产业增长点，则是无可质疑的
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从底层向上
MEMS制造工艺
大机械制造小机械，小机械制造微机械
➢日本为代表
LIGA工艺
➢Lithograpie(光刻)、Galvanoformung(电铸) Abformung(塑铸)
➢德国为代表
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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LIGA工艺
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硅MEMS工艺
化学腐蚀 高深宽比深槽刻蚀 键合
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MEMS的分类
真空微电子器件：它是微电子技术、 MEMS技术和真空电子学发展的产物， 具有极快的开关速度、非常好的抗辐照 能力和极佳的温度特性。主要包括场发 射显示器、场发射照明器件、真空微电 子毫米波器件、真空微电子传感器等
电力电子器件：包括利用MEMS技术制 作的垂直导电型MOS(VMOS)器件、V型 槽垂直导电型MOS(VVMOS)器件等各类 高压大电流器件
➢ 微流量系统和微分析仪可用于微推进、伤员救护 ➢ MEMS系统还可以用于医疗、高密度存储和显示、
光谱分析、信息采集等等
➢ 已经制造出尖端直径为5m的可以夹起一个红细胞 的微型镊子，可以在磁场中飞行的象蝴蝶大小的飞 机等
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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
子浓度传感器 ➢生物学类：DNA芯片
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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
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MEMS技术的应用
在生物医学方面，将光、机、电、液、 生化等部件集成在一起，构成一个微型 芯片实验室，用于临床医学检测，为医 生甚至家庭提供简单、廉价、准确和快 捷的检测手段
微电子学 MEMS
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MEMS技术
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
MEMS技术是一种多学科交叉的前沿性领域，它几乎涉 及到自然及工程科学的所有领域，如电子、机械、光学、 物理学、化学、生物医学、材料科学、能源科学等
MEMS将会带动一个充满活力的产业迅速成长
➢ 不是钢铁、汽车、微电子，而是微系统
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ADI公司 生产的微 加速度机 MEMS芯 片
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MEMS技术的应用
MEMS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
➢ 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
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MEMS — 微小型、智能、集成、高可靠
MEMS是人类科技发展过程一次重大的技术整合
➢ 微电子技术、精密加工技术、传感器技术、执行器技术
微小型化、智能化、集成化、高可靠性
MEMS能够完成真正意义上的微小型系统集成
➢ 在芯片上实现了力、热、磁、化学到电的转变
MEMS极大地改善了人类生活的质量
➢ 大批量、低成本的传感器生产方式给人们更多的保护
微机电系统
Micro-ElectroMechanical Systems
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引言
信息系统微型化
➢系统体积大大减小 ➢性能、可靠性大幅度上升 ➢功耗和价格大幅度降低
信息系统的目标：微型化和集成化
➢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
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控制部分 电子学
机械 部分 传感 执行
应用研究：如何应用这些MEMS系统也是 一门非常重要的学问。人们不仅要开发各 种制造MEMS的技术，更重要的是如何将 MEMS器件用于实际系统，并从中受益。
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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
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研究领域
理论基础：随着MEMS尺寸的缩小，有些宏观 的物理特性发生了改变，很多原来的理论基础 都会发生变化，如力的尺寸效应、微结构的表 面效应、微观摩擦机理等等，
➢ 微动力学 ➢ 微流体力学 ➢ 微热力学 ➢ 微摩擦学 ➢ 微光学 ➢ 微结构学
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研究领域
技术基础：设计、工艺加工(高深宽比多层 微结构)、微装配工艺、微系统的测量等。
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MEMS制造工艺
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MEMS
从顶层向下
大机器加工 小机器，小 机器加工微 机器
用微电子加 工技术
MEMS系统
X光铸模+压 塑技术
(LIGA) 微系统
微机械
国防、航空航天、生物医学、环境 监控、汽车都有广泛应用。
2000年有120-140亿美元市场
相关市场达1000亿美元
2年后市场将迅速成长
分子和原子级加工
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体硅工艺
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表面牺牲层工艺
表面牺牲层与 CMOS工艺集成
➢ 结构单独制造，灵活性较大 ➢ 灵敏度高、寄生小、体积小 ➢ 简化封装和组装，可靠性高 ➢ 加工工艺复杂，成品率较低 ➢ 工艺兼容的材料种类较少