微电子机械系统简介
微电子机械系统
微电子机械系统(MEMS)译自: MEMS网站译者:yanghuanyu什么是微电子机械系统(MEMS)？微电子机械系统(Micro-Electro-Mechanical Systems)，是指运用微制造技术在一块普通的硅片基体上制造出，集机械零件、传感器、执行元件及电子元件于一体的系统。
机械及机电的装置制成方式为：应用集成电路制造工艺（如：cmos,bipolar,bicoms工艺）制做电子元件，同时应用相应的微细加工技术对硅晶片进行选择性刻蚀或沉积出新的结构层的方法制造出械零件。
微电子机械系统(MEMS)应用微细加工技术集成硅基微电子元件，它必定给几乎所有产品带来一场革命，它也使得“片式系统（systems-on-a-chip）”变得现实可行。
通过把微电子元件的计算能力和微传感器的感觉能力及微执行元件的控制能力集于一体，微电子机械系统具备了真正的发展细小产品的能力。
微电子机械系统无论是在其被期望运用的领域，还是在设备设计及制造方面，都体现出极大的差异也富有成果。
由于微电子机械技术能将灵敏的感觉和控制功能与微电子元件集成为一体，它极大的拓宽了设计及运用空间。
微电子机械系统(MEMS)的组成部分:图1系统中，集成电路（IC）好比是“大脑”，而微电子机械技术则赋予了它眼睛和手臂，让整个系统能够感觉和调控周围的环境。
在最基本的系统构成中，传感器从环境中感觉到机械的、热的、生物的、化学的、光学及电磁的变化；电子元件对传感器获得的信息进行分析后作出判断，并指挥执行元件作出相应的，或移动或变换姿态或排序或跳跃或过滤的反应，以此来调控周围环境，达到预期的结果或目的。
由于微电子机械系统采用了集成电路批量制造的技术，所以它可以用相对较低的成本把具有超前功能的可靠的复杂的系统置于一个小小的硅片上。
微电子机械系统带给科学和工程新的发现，例如用于DNA放大鉴定的聚合酶链式反应微系统，微机械扫描隧道显微镜（SIMS），检查危险化学品和生物制剂的生物芯片，以及用于high-throughput药物监视和挑选的系统。
微电子机械系统MEMS概述
微电子机械系统MEMS概述微电子机械系统（Micro-electromechanical Systems, MEMS）是一种将电子技术与机械工程相结合的技术领域，通过制造微尺度的电子器件和机械系统，可以实现微小化、集成化和高性能的微型设备。
MEMS用于制造传感器、执行器和微操纵系统等微型装置，已经广泛应用于通信、汽车、医疗、军事和消费电子等领域。
MEMS的核心技术包括微纳加工技术、传感器技术和微机电系统技术。
微纳加工技术是MEMS制造的基础，主要包括光刻、薄膜沉积、离子刻蚀、扩散和薄膜技术等。
这些技术可以制造出微米甚至纳米级别的微型结构和器件。
传感器技术是MEMS的重要应用领域之一，利用微型传感器可以实现对温度、压力、流量、位移、加速度和姿态等物理量的检测和测量。
而微机电系统技术则是将传感器和执行器等微型装置集成在一起，实现自动化控制和微操纵的功能。
MEMS具有以下几个显著的特点：微小化、集成化、多功能和低成本。
微小化可以实现高密度的集成和高灵敏度的检测，同时降低设备的功耗和重量。
而集成化可以将多个功能模块集成在一个芯片上，提高了系统性能和可靠性，同时减少了系统的体积和重量。
多功能则是指MEMS可以同时实现多种功能，如传感、处理和控制等。
此外，由于MEMS采用的是集成化的制造工艺，可以大规模制造，降低了生产成本，为大规模应用提供了可能。
MEMS在各个领域的应用也越来越广泛。
在通信领域，MEMS技术可以制造微型光机械开关，用于光通信网络的光信号调控和光路径选择。
在汽车领域，MEMS技术可以制造出压力传感器、加速度传感器和姿态传感器等，用于车辆的安全控制系统和车载导航系统。
在医疗领域，MEMS技术可以制造出微型生物传感器，用于检测体内的生物信号，如血压、血氧和葡萄糖等。
在军事领域，MEMS技术可以制造微型化的惯性导航系统和气体传感器，应用于导弹制导系统和化学生物探测等。
在消费电子领域，MEMS技术可以制造微型微镜头和投影显示器，应用于智能手机、平板电脑和智能手表等。
《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。
基于微电子机械系统(MEMS)的封装技术
封装材料对MEMS性能的影响
封装材料的热学特性与散热效率
1.材料的导热系数、热膨胀系数等热学参数对MEMS器件散热 性能的影响 2.热管理技术在封装材料中的应用及其优缺点 3.新型高效散热封装材料的研发趋势
封装材料的电学特性与电磁兼容性
1.材料的介电常数、电阻率等电学参数对MEMS器件电磁兼容 性的影响 2.EM干扰抑制技术在封装材料中的应用及其效果 3.低介电常数、低损耗因数的新型封装材料的研究进展
▪ 微电子机械系统(MEMS)封装材料的多 样化趋势
1.MEMS封装材料的选择对器件的性能和可靠性至关重要。传 统的封装材料主要是金属和陶瓷，但这些材料的性能和成本限 制了它们在某些应用中的使用。 2.随着新型材料的发展，如聚合物、硅基材料等，研究人员正 在探索更多的封装材料选择。这些新材料具有良好的电绝缘性 、耐高温性和化学稳定性等优点，可以用于制造更加先进和可 靠的封装结构。 3.未来，随着材料科学的进步，研究人员将继续寻找更多具有 优异性能和经济性的封装材料，以满足不同应用场景的需求。
MEMS封装应用实例及前景展望
▪ MEMS封装在消费电子产品中的应用
1.消费电子产品中广泛应用了微电子机械系统(MEMS)，例如手机、平板电脑和可穿戴设备等 。 2.MEMS封装在消费电子产品中的主要挑战包括小型化、降低成本、提高性能和增强可靠性 等。 3.许多消费电子产品已经成功地采用了MEMS封装技术，如智能手机的加速计、陀螺仪和麦 克风等。
基于微电子机械系统(MEMS)的封装技术
常见MEMS封装技术类型
常见MEMS封装技术类型
▪ 【硅通孔(TSV)封装技术】：
1.硅通孔封装是一种通过在硅片上形成垂直的导电通道来实现 多芯片堆叠的技术，可以提高集成度和系统性能。 2.TSV封装技术的主要优点包括减小封装尺寸、降低寄生电容 、提高信号传输速度等，适用于高密度、高性能的MEMS器件 封装。 3.当前TSV封装技术的研究重点在于优化工艺流程、提高良率 以及解决热管理等问题，未来将朝着更高密度、更小型化的方 向发展。 【倒装芯片封装技术】：
微电子机械系统MEMS概述
MEMS概述孙舒畅生物与农业工程学院45090120一，MEMS的含义MEMS是英文Micro Electro Mechanical systems的缩写，即微电子机械系统。
微电子机械系统(MEMS)技术是建立在微米/纳米技术（micro/nanotechnology）基础上的21世纪前沿技术，是指对微米/纳米材料进行设计、加工、制造、测量和控制的技术。
它可将机械构件、光学系统、驱动部件、电控系统集成为一个整体单元的微型系统。
这种微电子机械系统不仅能够采集、处理与发送信息或指令，还能够按照所获取的信息自主地或根据外部的指令采取行动。
它用微电子技术和微加工技术(包括硅体微加工、硅表面微加工、LIGA和晶片键合等技术)相结合的制造工艺，制造出各种性能优异、价格低廉、微型化的传感器、执行器、驱动器和微系统。
二，MEMS的特点1）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。
2）以硅为主要材料，机械电器性能优良：硅的强度、硬度和杨氏模量与铁相当，密度类似铝，热传导率接近钼和钨。
3）批量生产：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机电装置或完整的MEMS。
批量生产可大大降低生产成本。
4）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。
微传感器、微执行器和微电子器件的集成可制造出可靠性、稳定性很高的MEMS。
5）多学科交叉：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。
MEMS发展的目标在于，通过微型化、集成化来探索新原理、新功能的元件和系统，开辟一个新技术领域和产业。
MEMS可以完成大尺寸机电系统所不能完成的任务，也可嵌入大尺寸系统中，把自动化、智能化和可靠性水平提高到一个新的水平。
微电子机械系统(MEMS)
Small high-resolution electrodes that
– do not degrade when passing high current levels in saline – high-density hermetic packaging – fully integrated electronics including power supplies – bidirectional high-rate data telemetry
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
力 传 光 声 感 温度 化学 其它 感测量 器
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。 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。
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
衬底 掩膜 胶 金属 铸塑 材料
硅MEMS工艺
化学腐蚀 高深宽比深槽刻蚀 键合
体硅工艺
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。
*
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
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微电子机械系统
陈迪
微电子机械系统（Micro Electro Mechanical System）简称MEMS，是集微型机构、微型传感器、微型执行器以及信号处理控制电路、接口、电源等于一体的机械装置。
它将自然界各种物理量，如声、光、压力、加速度、温度以及生物、化学物质的浓度信息转化为电信号，并将电信号送入微处理器得到指令，指令被随即发送到微执行器上，对自然界的变化做出相应反应。
MEMS的特点是体积小、重量轻、能耗低、可靠性高和可批量制造。
微电子机械系统技术
微电子机械系统技术在欧洲也称为微系统技术（Microsystem Technology，MST），是近年来飞速发展的一门高新技术，它综合集成了微电子工艺和其他微加工工艺，加工制造各种微型传感器和微型执行器，并将其综合集成。
微电子机械系统技术包含了材料、设计与模拟、加工制造、封装、测试五个方面。
MEMS的材料包括导体、半导体和绝缘材料几类。
根据不同的使用环境，MEMS材料要求耐高温、耐低温、耐腐蚀和耐辐射。
在微传感器和微执行器的制造中，MEMS需要使用具有各种功能的材料，如压电材料、压阻材料、磁性材料和形状记忆合金等。
MEMS设计与模拟技术包括了专用集成电路（application specific integrated circuit，ASIC）设计、机械微结构设计、加工工艺流程设计、掩模板设计，以及微传感器和微执行器结构参数优化与性能模拟等。
MEMS加工技术主要分为硅微加工技术和非硅微加工技术两类。
MEMS硅微加工技术应用了微电子常规工艺，包括氧化、薄膜制备、光刻、刻蚀、电镀、离子注入等。
MEMS技术与微电子技术的区别是，前者可以制造悬空或可活动的微结构，以及具有高深宽比的三维立体微结构，它主要采用硅表面工艺和体硅工艺技术（包括牺牲层工艺，湿法、干法各向同性和各向异性刻蚀工艺以及键合工艺等）来实现。
非硅MEMS微加工技术包括LIGA、激光、电火花等微加工技术。
LIGA技术是Lithographie、Galvanoformung和Abformung三个德语单词的缩写，该技术包含了同步辐射X射线光刻、微电铸和微复制三个工艺步骤，能制备高深宽比聚合物和金属微结构，并能采用微复制工艺进行批量生产。
由于同步辐射光源和X光掩模板成本较高，所以近年来不采用同步辐射光源的准LIGA技术发展迅速，如采用SU8紫外厚光刻胶的UV-LIGA技术，采用激光微加工的Laser-LIGA技术和采用硅深刻蚀工艺的DEM技术等。
由日本开发的精密机械微加工技术由于不能批量生产而最终未能产业化。
MEMS加工制造需要较大的设备投入，目前我国已在部分大学和研究所设立了MEMS 微加工基地，为我国MEMS的研究和产业化提供加工服务。
我国主要的MEMS加工基地有：中科院上海微系统所，设备齐全、管理完善，可提供各种体硅工艺代工及MEMS封测服务；北京大学微电子所，在国内最早提供MEMS代工服务，尤其擅长表面微机械的加工制造；中电集团十三所，设备齐全，具有多种器件结构一站式加工经验；中电集团二十四所，具有多年模拟IC生产和MEMS工艺开发经验，擅长MEMS与电路的集成制作；中电集团五十五所，擅长制作射频微电子机械系统（RF MEMS）和表面波器件；上海交通大学微纳科技研究院，主要进行非硅MEMS工艺的研发。
MEMS封装技术的目的是建立微传感器和微执行器与专用集成电路的连接，并减少外部环境对微传感器和微执行器工作的影响。
MEMS封装技术包括倒焊装、重布线、密封封装和真空封装等。
MEMS测试技术主要是对微传感器和微执行器的性能，如微结构力学性能、MEMS器件的光学性能、电学性能、以及量程、分辨率、响应频率等进行测试。
可靠性测试是MEMS 产品进入市场的前提，其内容包括了高低温、使用环境、振动、疲劳、使用寿命等方面的测试。
微电子机械系统应用
MEMS用于取代现有仪器或系统中的元器件，最终发展方向是取代现有大系统的集成微光机电系统（Micro Optical Electro Mechanical System，MOEMS）。
MEMS目前主要应用在微机械元器件制造、信息、汽车工业、生物医学工程、航空航天、国防军事等多个领域。
微机械元器件制造领域
MEMS技术可加工制造各种微机械元器件，如微马达、微镊子、微齿轮、微开关、微电感、微透镜阵列、微射流器件等，它可使现有仪器设备体积更小、重量更轻、能耗更低、可靠性更高。
信息领域
信息领域中，许多器件如硬盘、光盘读写头、喷墨打印头，光开关、光衰减器、光滤波器、射频开关、射频移相器、数字微镜器件（digital mirror device，DMD）、蜂窝电话元器件等都已采用MEMS技术制造。
汽车工业
汽车上用于保护驾驶员安全的安全气囊是最成熟的MEMS系统，它由微加速度传感器、微阀门、气体发生器和气囊组成。
当汽车发生碰撞时，微加速度传感器如检测到一个大于30g的负加速度，就会打开微阀门，使两种化学物质发生反应生成气体充入气囊，从而保护驾驶员和乘客的安全。
此外，汽车上的压力传感器、废气传感器、碰撞传感器、电喷控制、空气流量传感器和陀螺等也应用了MEMS技术。
生物医学工程
MEMS技术还可用于制造药物输出系统，如微泵、微阀、药物喷雾器等。
同时，血压传感器、血糖分析传感器、生物芯片、心脏起搏器和植入式微系统等均在研发中。
航空航天领域
在航空航天领域，MEMS技术在微陀螺、微加速度计、用于姿态控制的微推进系统、微机械红外非制冷成像系统、微飞行器和微（纳、皮）卫星等仪器中也有所应用。
国防军事领域
MEMS技术在国防军事领域也得到了广泛的应用，用于构建化学武器识别系统、武器安全引爆系统、敌我识别系统、用于地雷探索的磁强传感器，智能炮弹、导弹和微型侦察机等。
微电子机械系统的市场
市场上，常见的微电子机械系统的产品有喷墨打印头、微光机电系统、压力传感器、陀螺、微流体、加速度计、射频微电子机械系统和硅麦克风等，它们的年增长率基本达到两位数。
其中，喷墨打印头和数字微镜器件是目前采用MEMS技术制造的、销售额最高的器件；射频微电子机械系统和用于给药的微流体芯片则是年增长率最快的两个产品。
200７年，MEMS器件的产值为７１亿美元，MEMS系统的产值为５００亿美元，预计到201２年，MEMS器件的产值将达１５５亿美元，MEMS系统的产值将达１０３０亿美元。
随着纳米技术的迅猛发展，微电子机械系统也将向着纳电子机械系统（Nano Electro
Mechanical System，NEMS）发展。