30第5章 微机电系统(MEMS)
微机电系统
微机电系统制造工艺史微机电系统（Micro Electro-Me-chanical Systems，MEMS）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。
微机电系统是微米大小的机械系统，其中也包括不同形状的三维平板印刷产生的系统。
这些系统的大小一般在微米到毫米之间。
在这个大小范围中日常的物理经验往往不适用。
比如由于微机电系统的面积对体积比比一般日常生活中的机械系统要大得多，其表面现象如静电、润湿等比体积现象如惯性或热容量等要重要。
它们一般是由类似于生产半导体的技术如表面微加工、体型微加工等技术制造的。
其中包括更改的硅加工方法如压延、电镀、湿蚀刻、干蚀刻、电火花加工等等。
①微机电系统制造发展历程：19世纪照相制版;1951年显像管遮蔽屏(美国RCA公司)(光学应用);1952年表面微加工专利2749598(美);1954年压阻效应;1962年晶体的异向腐蚀;1963年半导体压力计(日本丰田中央研究所);1967年振动门晶体管(美国Westinghouse公司)(牺牲层腐蚀);1968年阳极键合(美国Mallory公司);1969年基于掺杂浓度的腐蚀;1970年硅微电极(斯坦福大学);1973年内窥镜用硅压力传感器(斯坦福大学);1974年集成气相质谱仪(斯坦福大学);1979年集成压力传感器(密西根大学);1982年LIGA工艺(德国原子力研究所);1986年硅反馈式加速度计(瑞士CSEM);1986年集成流量控制器(日本东北大学);1987年微齿轮等(美国加州大学伯克利分校，贝尔研究所);1987年微静电微马达(加州大学伯克利分校，Yu-Chong Tai，Long-Sheng Fan)。
发展阶段：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。
微机电系统结构
微机电系统结构
微机电系统（MEMS）是一种将微电子技术与机械工程结合的微型系统。
它的结构主要包括以下几个部分：
1.微传感器：这是MEMS的最基本组成部分，用于感知外部信号，如温度、
压力、声音等，并将其转换为可处理的电信号。
2.微执行器：这是MEMS的另一重要组成部分，负责将电能转换为机械能，
以实现驱动、控制等功能。
3.信号处理电路：为了对微传感器采集的信号进行处理，MEMS还包括相应
的信号处理电路，以便对信号进行放大、滤波、模数转换等处理。
4.通信接口：MEMS系统通常还需要一个通信接口，以便将MEMS传感器采
集的数据传输到外部设备或系统中。
5.电源：为使MEMS系统正常工作，通常需要为其提供电源。
这可以是内部
电池，也可以是外部电源。
6.封装：MEMS系统需要进行封装，以保护其内部的微机械结构和电路等免
受外界环境的影响。
封装可以采用各种材料和技术，以满足不同的应用需求。
MEMS系统的结构可以根据需要进行定制，以满足特定的应用需求。
其微型化的特点使得MEMS在许多领域都具有广泛的应用前景，如汽车、医疗、航空航天等。
《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。
微机电系统(mems)工程技术 半导体制造工艺技术
微机电系统(mems)工程技术半导体制造工艺技术微机电系统（MEMS）是一种融合微电子技术、机械工艺和微纳米加工技术的新型技术，具有微小体积、高性能和低功耗等优点，被广泛应用于传感器、执行器、微机械系统等领域。
MEMS制造工艺技术作为其核心技术之一，在MEMS设备的设计、生产和测试过程中起着至关重要的作用。
一、MEMS制造工艺技术的基本原理MEMS制造工艺技术是利用微纳米加工技术对微电子元件进行加工，实现微小尺寸的器件。
其基本原理包括光刻、薄膜沉积、刻蚀、清洗和包装等步骤。
在制造过程中，需要考虑到器件的性能、成本和效率等因素，并采用不同的工艺流程进行处理。
二、MEMS制造工艺技术的工艺流程1.设计阶段：确定MEMS器件的功能和结构，并进行软件仿真和电路设计，制定完整的器件设计方案。
2.掩膜光刻：利用掩膜和紫外光曝光的技术，将器件的图形准确转移到光敏材料上，形成所需的图形。
3.薄膜沉积：采用物理气相沉积、化学气相沉积等技术，在衬底表面沉积一层或多层薄膜，用于制备MEMS器件的功能部件。
4.刻蚀工艺：采用干法或湿法刻蚀技术，将多余的材料去除，形成所需的器件结构。
5.清洗和检测：在制造过程中，需要对器件进行清洗和检测，确保器件的质量和性能。
6.包装封装：将制备好的器件封装在封装体中，保护器件免受外部环境的影响。
三、MEMS制造工艺技术的发展趋势1.纳米加工技术：随着纳米加工技术的发展，MEMS器件的尺寸将进一步减小，性能将得到显著提升。
2.多功能集成：未来的MEMS器件将具有多功能集成的特点，可以同时实现多种功能，提高器件的综合性能。
3.自组装技术：自组装技术的应用将使MEMS制造工艺更加灵活和高效，降低成本，提高生产效率。
4.高可靠性设计：随着MEMS器件在汽车、医疗等领域的广泛应用，高可靠性设计将成为MEMS制造工艺技术的重要发展方向。
四、结语MEMS制造工艺技术是一项复杂而重要的工艺技术，对MEMS器件的性能和质量起着决定性的作用。
MEMS 技术_信息技术导论_[共3页]
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5.3 微机电系统（MEMS）传感技术5.3.1 MEMS技术微机电系统（Micro Electro Mechanical Systems，MEMS），从广义上讲是指集微型传感器、微型执行器、信号处理器和控制电路、接口电路、通信系统以及电源于一体的微型机电系统，是一种多学科交叉的前沿性技术，几乎涉及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，是将微电子技术与机械工程融合到一起的一种工业技术，即微米、纳米精度的机械、电子加工技术。
1．MEMS的主要特点（1）微型化。
MEMS的器件体积小、质量轻、功耗低、性能稳定、谐振频率高、响应时间短，具有微米、纳米精度的加工，毫米级的体积。
（2）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，或形成微传感器阵列、微执行器阵列，甚至把多种功能的器件集成在一起，形成复杂的微系统。
即实现微机械、微电子技术集成。
（3）低成本。
用硅微加工工艺在一片硅片上可同时制造成百上千个微型电子机械装置或完整的MEMS器件，生产成本低，生产周期短，性能一致性好，对环境的损害小等。
即通过单硅片批量加工，降低成本。
2．MEMS的发展历程及国内外发展现状（1）MEMS的发展历程2001年6月在德国慕尼黑举行的国际固态传感器与执行器学术会议中，正式提出了微传感器的概念，并兴起了引入微机电系统技术研究微传感器的热潮。
受航空、航天、军事工业等高精尖技术需要驱动，在近20年的发展中，MEMS得到了极好的发展，并正以惊人的速度快速发展。
在技术发展中，由于受多个领域的工业基础限制，目前欧美军事强国发展成果最为突出。
我国随着航空军事工业的推动，也取得了相当好的成果。
MEMS经历了如下5个突破性发展阶段。
第一阶段：20世纪70年代，微机械压力传感器的成功研制；第二阶段：20世纪80年代，硅静电微电动机成功研制；第三阶段：20世纪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；第四阶段：2001年，在航空、航天、军事、汽车、医学等领域得到应用；第五阶段：2010年，在手机、相机等民用领域得到广泛应用。
微机电系统(MEMS)技术介绍
微机电系统（MEMS）技术介绍微机电系统（MEMS），在欧洲也被称为微系统技术，或在日本被称为微机械，是一类器件，其特点是尺寸很小，制造方式特殊。
MEMS是指采用微机械加工技术批量制作的、集微型传感器、微型机构、微型执行器以及信号处理和控制电路、接口、通讯等于一体的微型器件或微型系统。
MEMS 器件的特征长度从1毫米到1微米--1微米可是要比人们头发的直径小很多。
MEMS往往会采用常见的机械零件和工具所对应微观模拟元件，例如它们可能包含通道、孔、悬臂、膜、腔以及其它结构。
然而，MEMS器件加工技术并非机械式。
相反，它们采用类似于集成电路批处理式的微制造技术。
今天很多产品都利用了MEMS技术，如微换热器、喷墨打印头、高清投影仪的微镜阵列、压力传感器以及红外探测器等。
MEMS技术可以用于制造压力传感器、惯性传感器、磁力传感器、温度传感器等微型传感器，这些传感器以及它们的部分信号处理电路都可以在只有几毫米或更小的芯片上实现。
与传统的传感器相比，MEMS传感器不仅体积更小、功耗更低，而且它们往往会比传统传感器更加准确、更加灵敏。
随着人们对海洋观测的需求不断增加和海洋观测技术的不断发展，MEMS技术也在逐渐进入海洋观测技术研究领域。
一、MEMS概念“他们告诉我一种小手指指甲大小的电动机。
他们告诉我，目前市场上有一种装置，通过它你可以在大头针头上写祷文。
但这也没什么；这是最原始的，只是我打算讨论方向上的暂停的一小步。
在其下是一个惊人的小世界。
公元2000年，当他们回顾当前阶段时，他们会想知道为何直到1960年，才有人开始认真地朝这个方向努力。
”——理查德·费曼，《底部仍然存在充足的空间》发表于1959年12月29日于加州理工大学（Caltech）举办的美国物理学会年会。
但我们可能会问：为什么要在这样一个微小尺上生成这些对象？MEMS器件可以完成许多宏观器件同样的任务，同时还有很多独特的优势。
这其中第一个以及最明显的一个优势就是小型化。
微机电系统MEMS简介
陀螺仪
总结词
用于测量或维持方向的传感器
详细描述
陀螺仪是一种基于角动量守恒原理的传感器，用于测量或维持方向。它通过测量物体旋转轴的方向变 化来工作，通常由高速旋转的陀螺仪转子组成。陀螺仪广泛应用于导航、姿态控制、游戏控制等领域 ，如智能手机、无人机和导弹制导系统等。
压力传感器
总结词
用于测量流体或气体压力的传感器
MEMS市场应用领域
消费电子
汽车电子
医疗健康
工业自动化
MEMS传感器在消费电子产品 中的应用广泛，如智能手机、 平板电脑、可穿戴设备等。这 些设备中的传感器用于运动检 测、加速度计、陀螺仪、气压 计等。
随着汽车智能化的发展， MEMS传感器在汽车领域的应 用也越来越广泛，如车辆稳定 性控制、安全气囊、发动机控 制等。
MEMS材料
单晶硅
单晶硅是MEMS制造中最常用的材料 之一，具有高强度、高刚度和良好的 化学稳定性。
多晶硅
多晶硅在MEMS制造中常用于制造柔 性结构，具有较好的塑性和韧性。
玻璃
玻璃在MEMS制造中常用于制造光学 器件，具有较高的透光性和稳定性。
聚合物
聚合物在MEMS制造中常用于制造生 物传感器和柔性器件，具有较好的生 物相容性和可塑性。
集成化
未来的MEMS系统将更加集 成化，能够将多个MEMS器 件集成在一个芯片上，实现 更高效、更低成本的应用。
03
CATALOGUE
MEMS传感器与器件
加速度传感器
总结词
用于测量 物体运动状态的传感器
详细描述
加速度传感器是一种常用的MEMS传感器，主要用于测量物体运动状态的加速度。它通常由质量块和弹性支撑结 构组成，通过测量质量块因加速度产生的惯性力来计算加速度值。加速度传感器广泛应用于汽车安全气囊系统、 手机和平板电脑的姿态控制、运动检测等领域。
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。
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
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（3）美国“龙眼”微型无人飞机 2003年，美伊战争中正式使用，是一款全自
动、可返回、手 持发射的微型飞机。飞行重量2.3kg，锂电池供 76km/h的时速飞 行1小时。噪声低于42-45分贝，15装并发射，可
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通过戴在手腕上的屏幕观察到相关信息。
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（2）以色列 “云雀” 微型侦察无人飞机
机长1.1m，翼展1.5m，重6kg，作战半径10km，持 续飞行时间 90min。
该机为便携式、电驱动的战术巡逻型监视侦察平台, 全系统包括无人机、两个发射筒、一个膝上任务控制台,
可由两名士兵携带。系统可重复使用，可在开阔地、 城市战的环境、封闭的环境，或从机动地面平台上发射。
有必要对微动力学、微流体力学、微热力学、微 摩擦学、微光学、微结构学进行深入的研究。
这方面的研究虽然受到重视，但难度较大，往往 需要多学科的学者进行基础研究。
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(2)技术基础 MEMS的技术基础可分为以下几个方面: ① 设计与仿真技术 ② 材料与加工技术 ③ 封装与装配技术 ④ 测量与测试技术 ⑤ 集成与系统技术
微电子概论
肖国玲 主编
第5章 微机电系统 （MEMS）
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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
卫星通过向太空发射带电粒子束，或者仅靠一个放 射性同位素放射带电粒子的方式，“洛伦兹力”与其飞 行方向形成一定的垂直角度，作用到此卫星上，从而 推动此卫星飞行。
洛伦兹力：运动电荷在磁场中所受到的力称为洛伦兹力，即磁场对运动电荷的作用力。洛伦
兹力的公式为F=QvB。荷兰物理学家洛伦兹首先提出了运动电荷产生磁场和磁场对运动电荷有作
微电子学
MEMS
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MEMS：Micro Electromechanical System
微电子机械系统： 集微型传感器、执行器以及信号处理和控
制电路、接口电路、通信和电源于一体的微型 机电系统。
MEMS特点: 微型化，智能化，多功能，高集成度，适
于大批量生产。
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MEMS技术通过系统的微型化和集成化，探索具有
新原理、新功能的元件和系统。 MEMS 技术是多学科交叉的前沿性研究领域，几乎
涉及到自然及工程科学的所有领域。如：电子、机械、 物理学、化学、生物医学、材料科学、能源科学等。
研究内容可归纳为以下 3 个基本方面。
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(1)理论基础
在当前 MEMS 所能达到的尺度下，宏观世界基本 的物理规律仍然起作用，但尺寸缩小会使得许多物理 现象与宏观世界有很大区别，许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。
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(3)应用研究
最重要的是将MEMS技术与航空航天、信息通 信、生物化学、医疗、自动控制、消费电子以及 兵器等应用领域相结合,制作出符合各领域要求 的微传感器、微执行器、微结构等MEMS器件与系 统。
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代表性的微飞行器 （1）美国“银狐”微型无人飞机
机长1.8m，翼展2.5m，重8.6kg，120km/h的速度可 持续飞行4-6h。 机身用玻璃纤维制做，使用标准飞行发 动机，利用机腹着陆。机翼为可拆卸式，可分解装在一 个大高尔夫球袋内。飞机配带微型摄像机和全球定位系 统，已装备在美国海军陆战队。
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（2）“翅果”
美国海军设计的转换式微型无人机。 采用一对单桨叶翼片，固定在两个共轴传动轴根上。 低速飞行时，驱动翼片由反向对转桨叶产生升力； 固定翼飞行时，两个翼片互相相对而停，变成停转桨翼。
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（3） “昆虫机”
乔治亚理工研究院和剑桥大学研制的“昆虫机” 。 使用基于往复化学肌肉的动力装置，把化学能变 为动能。“昆虫机”重量为50克。 演示机翼拍打频率 为10Hz，1立方厘米燃料可以推动100克的昆虫机飞行32 秒。
计划制造一台在100公里高度上每个像素的分辨率为7米、具 有飞行功能的微型相机。使用2000×2000像素的低噪声CCD阵列， 探测器阵列面积可缩减至1.2平方厘米，集成到一个图像处理圆片 上，重量可小于1公斤。
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美国提出不用燃料的微型卫星
由美国宇航局投资的一个项目正在开发一种微型卫 星，将由地球磁场来驱动其推进系统。
飞行航时为20～60分钟，距离大于5千米。巡航速度为每小 时56千米，高度为15--90米。提供识别一般人大小目标的图像。 通过无线电通信把信息传送地面控制板。
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（7）铅笔大小的美国“黑寡妇”微型机
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形状各异的微型机
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神奇的扑翼机
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（1）“微型蝙蝠”
加州理工学院研制的微型扑翼机，电池为动力。 钛合金骨架蒙以聚合物薄膜构成机翼，包括电池、直流支 流变流器、减速器、扑动传动机构的轻型动力传输系统。 飞行航时已达5至20秒。
用力的观点，为纪念他，人们称这种力为洛伦兹力。
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“航天清华一号”微小卫星
“航天清华一号”微小卫星是具有遥感、通信、 无线电信号分析和科学实验载荷的微小型航天器。重 量轻(50公斤），2000年6月在俄罗斯成功发射运行。
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（4）哈佛大学的“机器苍蝇”
具有和苍蝇相同的主要飞行结构，重约43毫克，直径5－10毫 米，身体用纸一样薄的不锈钢制成，翅膀用聚酯树脂做成，由太阳 能电池驱动，微型压电石英驱动器以每秒180次的频率扇动它的4只 小翅膀。
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美国宇航公司纳米技术的专家们认为，用ＭＥＭＳ技术使现 有卫星分系统和部件微型化，即可研制有较强功能的微型卫星。
(4)美国”黄蜂”微型飞行器
翼展38cm，燃料充足时140g，每次飞行15min。地面通过无 线电控制其节流阀、方向舵、飞行高低和飞行速度，用燃料电池 作动力。
由地面的无线电控制装置进行调节。黄蜂增强型可携带一台 简单自动驾驶仪和一台彩色摄像机。
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（5）美国 “微星”无人机
设计重量100克，总电功耗是15瓦。机身重为7克，电子组件 重量6克，照相机/镜头总重4克，电动机及其螺旋桨的共重为20 克。