中科院 微电子机械系统设计(MEMS)课件
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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
微电子机械系统(MEMS)
– Patients can distinguish simple items after training
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
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
微光机电系统-课件
– 光通信用波分复用器、光开关、显示器、微型光谱仪、 光学连接器、可调波长滤波器，微光扫描器、微、微 干涉仪、微可变焦透镜、微外腔激光器、斩波器微镜 阵列、透镜阵列、光学探测器、集成光学系统、光学 编码器等。
现阶段MOEMS研究的主要问题
微型化带来的“特殊”理论问题
• 目前，MOEMS基础理论的研究还远远不能满足 人们的需要，成为整个微光机电系统进一步发展 的瓶颈。
惯性力
L4
电磁力
L3
粘性力
L2
弹性力
L2
表面张力
L1
静电力
L0
尺寸效应
尺寸效应
• 1几何结构学中的尺寸效应 ：
– 表面积和体积比的变化，介质不连续性突出
• 2部分力的尺寸效应
– 各种作用力的相对重要性变化，介质连续的宏观概念 不成立，要对力学理论修正。
• 3流体力学中的尺寸效应 • 4热传递中的尺寸效应
• MEMS应用领域不断拓宽。目前，MEMS发展的 一个屏障:
• 输出力矩小
– 而光系统无需力矩输出，由于通过微机电系统技术实 现了可动结构，使得微机电系统技术与微光学相结合 而形成的微光机电系统（MOEMS）受到人们更大的 关注
微光机电系统
MEMS器件非常适合应用于光学领域：
研究内容
• 目前（200• 微型化的构件所产生的效应使其具有自身独特的 性能，导致在各个相关的科学领域都产生了新的 问题。
• MOEMS微小尺寸和微小空间内，许多宏观状态 的物理量都发生了变化，异于传统机械的特点： 呈现了特有的规律和尺寸效应。
尺寸效应
• 指的是当物体尺寸L改变时，种种物理量比例于
• L n 而变化的现象。
• 当系统或器件的尺寸缩小到微观领域时，与尺寸L高次方成 比例的惯性力（ L4）、电磁力（ L3）等的作用相对减小，而 与尺寸L低次方成比例的粘性力（ L2）、弹性力（ L2）、表 面张力（ L1）、静电力（ L0）等的作用相对增强，同时表面 积与体积的比值增大，热传导、化学反应显著加快和表面摩 擦显著增加。
现阶段MOEMS研究的主要问题
微型化带来的“特殊”理论问题
• 目前，MOEMS基础理论的研究还远远不能满足 人们的需要，成为整个微光机电系统进一步发展 的瓶颈。
惯性力
L4
电磁力
L3
粘性力
L2
弹性力
L2
表面张力
L1
静电力
L0
尺寸效应
尺寸效应
• 1几何结构学中的尺寸效应 ：
– 表面积和体积比的变化，介质不连续性突出
• 2部分力的尺寸效应
– 各种作用力的相对重要性变化，介质连续的宏观概念 不成立，要对力学理论修正。
• 3流体力学中的尺寸效应 • 4热传递中的尺寸效应
• MEMS应用领域不断拓宽。目前，MEMS发展的 一个屏障:
• 输出力矩小
– 而光系统无需力矩输出，由于通过微机电系统技术实 现了可动结构，使得微机电系统技术与微光学相结合 而形成的微光机电系统（MOEMS）受到人们更大的 关注
微光机电系统
MEMS器件非常适合应用于光学领域：
研究内容
• 目前（200• 微型化的构件所产生的效应使其具有自身独特的 性能，导致在各个相关的科学领域都产生了新的 问题。
• MOEMS微小尺寸和微小空间内，许多宏观状态 的物理量都发生了变化，异于传统机械的特点： 呈现了特有的规律和尺寸效应。
尺寸效应
• 指的是当物体尺寸L改变时，种种物理量比例于
• L n 而变化的现象。
• 当系统或器件的尺寸缩小到微观领域时，与尺寸L高次方成 比例的惯性力（ L4）、电磁力（ L3）等的作用相对减小，而 与尺寸L低次方成比例的粘性力（ L2）、弹性力（ L2）、表 面张力（ L1）、静电力（ L0）等的作用相对增强，同时表面 积与体积的比值增大，热传导、化学反应显著加快和表面摩 擦显著增加。
MEMS微针课件ppt
某些心血管系统药能够透皮吸收，例如硝酸甘油贴片敷贴
于心前区后能较好地预防心绞痛发作。透皮给药，其吸收
药量与药物接触皮肤面积成正比。药物脂溶性增加可加速
透皮吸收，皮肤角质层湿润时可增加药物的吸收率。用于
敷贴透皮吸收的药物通常要制成缓释剂型，使药物缓慢而
平稳的释放，以达到药效持久发挥之目的。
2021/3/10
2021/3/10
9
研究进展
瑞典皇家研究院的科研人员也提出了一种新的硅微针加工 方法, 其特别吸引人的地方在于微针中空通道的出口设计在 硅微针的侧面, 该设计可极大地提高硅微针的强度, 增大药 物与肌肉组织的接触面, 降低通道阻塞率（左下图）。美国 加利福尼亚大学研究了用于药物传输的斜开口微针阵列 （右下图）。
MEMS微针
（MEMS Microneedle）
2021/3/10
1
MEMS微针
概述 分类 制备工艺 应用
2021/3/10
2
概述
传统给药是通过口服或者静脉注射两种。注射一般是使用 注射器和导管刺破人体皮肤直接将药物送入人体内。
口服由于胃肠等的消化作用，会使药效降低，尤其不适用 于蛋白质、胰岛素、DNA等药物。
注射是非常有效的，但是与此同时，注射也给人体带来疼 痛感、局部皮肤损伤、出血等危害；注射器不洁也会增大 疾病传染的机会。而且注射器注射也需要专业人员，或者 获得专业培训后才能熟练使用。
2021/3/10
3
概述
透皮给药（percutaneous administration ）：指药物涂布 或敷贴于皮肤表面的一种给药方法。除作为皮肤患处的局 部给药以外，还可以作为全身性给药。用于后者时可将药 膏或贴片置于皮肤较薄的部位，如耳后、臂内侧、胸前区、 阴囊等处。此时药物可直接由皮肤角膜层，以及皮肤的附 属结构如毛囊、汗腺导管的开口等透入皮下，进入毛细血 管，经体循环分布于全身。此给药途径具有方便、简单和 药效持久等优点。
30第5章 微机电系统(MEMS)
11
（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
12
通过戴在手腕上的屏幕观察到相关信息。
10
（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。
7
(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）
2
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
3
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
（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
12
通过戴在手腕上的屏幕观察到相关信息。
10
（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。
7
(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）
2
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
3
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
微机械MEMS系统技术与发展动力学PPT文档共84页
微机械MEMS系统技术与发展动力学
56、极端的法规，就是极端的不公。 ——西 塞罗 57、法律一旦成为人们的需要，人们 就不再 配享受 自由了 。—— 毕达哥 拉斯 58、法律规定的惩罚不是为了私人的 利益， 而是为 了公共 的利益 ；一部 分靠有 害的强 制，一 部分靠 榜样的 效力。 ——格 老秀斯 59、假如没有法律他们会更快乐的话 ，那么 法律作 为一件 无用之 物自己 就会消 灭。— —洛克
60、人民的幸福是至高无个的法。— —西塞 罗
61、奢侈是舒适的，否则就不是奢侈 。——CocoCha nel 62、少而好学，如日出之阳；壮而好学 ，如日 中之光 ；志而 好学， 如炳烛 之光。 ——刘 向 63、三军可夺帅也，匹夫不可夺志也。 ——孔 丘 64、人生就是学校。在那里，与其说好 的教师 是幸福 ，不如 说好的 教师是 不幸。 ——海 贝尔 65、接受挑战，就可以享受胜利的喜悦 。
56、极端的法规，就是极端的不公。 ——西 塞罗 57、法律一旦成为人们的需要，人们 就不再 配享受 自由了 。—— 毕达哥 拉斯 58、法律规定的惩罚不是为了私人的 利益， 而是为 了公共 的利益 ；一部 分靠有 害的强 制，一 部分靠 榜样的 效力。 ——格 老秀斯 59、假如没有法律他们会更快乐的话 ，那么 法律作 为一件 无用之 物自己 就会消 灭。— —洛克
60、人民的幸福是至高无个的法。— —西塞 罗
61、奢侈是舒适的，否则就不是奢侈 。——CocoCha nel 62、少而好学，如日出之阳；壮而好学 ，如日 中之光 ；志而 好学， 如炳烛 之光。 ——刘 向 63、三军可夺帅也，匹夫不可夺志也。 ——孔 丘 64、人生就是学校。在那里，与其说好 的教师 是幸福 ，不如 说好的 教师是 不幸。 ——海 贝尔 65、接受挑战，就可以享受胜利的喜悦 。
机械测试方法与微机电系统课件
从八十年代以来，美国政府机构把MEMS作为 科技发展的三大重点之一，先后得到了NASA、 DARPA、国家科学基金会等数亿美元的资助。1994 年发布的《美国国防部技术计划》报告也将微机电 系统列为关键技术项目。
主要内容
MEMS典型器件及系统 MEMS加工技术 MEMS基础性研究
MEMS典型器件及系统
50Hz正弦信号波形
➢传感器选择 ➢多路模拟开关 ➢A/D转换器 ➢D/A转换器 ➢取样保持电路
传感器选择
基本参数指标
量程指标： 量程范围、过载能力等 灵敏度指标： 灵敏度、分辨力、满量程 输出等 精度有关指标： 精度、误差、线性、滞后 、重复性、灵敏度误差、 稳定性 动态性能指标： 固定频率、阻尼比、时间 常数、频率响应范围、频 率特性、临界频率、临界 速度、稳定时间等
障时间、率 及 波 形 等 ）
保险期、、 功 率 、 各 项
疲劳性 分 布 参 数 值 、
能、绝 电 压 范 围 与 稳
缘电阻、定度等
耐压及 外形尺寸、重
抗飞弧 量 、 壳 体 材 质
等
、结构特点等
安装方式、馈
线电缆等
电感传感器 应变传感器
电容传感器
光电传感器
温度传感器 磁敏传感器
压电传感器 其他传感器 多传感器融合 检测电路
度、加速度等；
电参数： 表明机器工作负荷状况的参数，电流、
电压、功率等；
工艺参数：表明加工工艺条件的有关参数，如加
工对象的加工量、温度、几何形状等。
信号的分类
信号：反映被测系统的状态
及特性。通过研究信号的内在 的规律，可充分认识被测系统 的相互关系 。
静态信号:指
幅值不随时间变 化或变化极缓慢 的信号。
主要内容
MEMS典型器件及系统 MEMS加工技术 MEMS基础性研究
MEMS典型器件及系统
50Hz正弦信号波形
➢传感器选择 ➢多路模拟开关 ➢A/D转换器 ➢D/A转换器 ➢取样保持电路
传感器选择
基本参数指标
量程指标： 量程范围、过载能力等 灵敏度指标： 灵敏度、分辨力、满量程 输出等 精度有关指标： 精度、误差、线性、滞后 、重复性、灵敏度误差、 稳定性 动态性能指标： 固定频率、阻尼比、时间 常数、频率响应范围、频 率特性、临界频率、临界 速度、稳定时间等
障时间、率 及 波 形 等 ）
保险期、、 功 率 、 各 项
疲劳性 分 布 参 数 值 、
能、绝 电 压 范 围 与 稳
缘电阻、定度等
耐压及 外形尺寸、重
抗飞弧 量 、 壳 体 材 质
等
、结构特点等
安装方式、馈
线电缆等
电感传感器 应变传感器
电容传感器
光电传感器
温度传感器 磁敏传感器
压电传感器 其他传感器 多传感器融合 检测电路
度、加速度等；
电参数： 表明机器工作负荷状况的参数，电流、
电压、功率等；
工艺参数：表明加工工艺条件的有关参数，如加
工对象的加工量、温度、几何形状等。
信号的分类
信号：反映被测系统的状态
及特性。通过研究信号的内在 的规律，可充分认识被测系统 的相互关系 。
静态信号:指
幅值不随时间变 化或变化极缓慢 的信号。
MEMS课件第二章new2
v l t
其中：
l——加热元件与热敏元件间的距离 t——热的传播时间
热式微型流量传感器例
利用体硅腐蚀工艺制作制作了V形槽 热隔离结构，利用氮化硅进行热绝缘。
热式微型流量传感器的特点
优点：尺寸小，响应快 ，灵敏度高。 缺点： 功耗较大，特别是用于液体时。 热飞行时间式与热线式相比，测量精度 更高、线性度更好、功耗更小，还可只 用一个检测元件。
机械式微型流量传感器
工作原理：流体流动时产生的粘滞力 或流道进出口之间的压力差，带动机 械结构运动或变形，通过压阻效应或 电容变化等，感知流体的流动速度。
其主要结构：一个可动膜或阀片，加 上其上的压敏电阻或电容测量感应件。
基于粘滞力的机械式微型流量传感器
基于粘滞力流量传感器的基本公式
平行于流动方向的粘滞力FD：
微型振动陀螺例（1）
美国Draper实验室研制的音叉式线振动 陀螺。体硅工艺制作。平板电容检测。
微型振动陀螺例（2）
清华研制的振动陀螺 利用体硅、键合工艺，平板
电容检测。
微型振动陀螺例（3）
加州大学伯克利分校研制的Z轴角速度陀螺 仪。利用表面工艺制作。叉指电容检测。
微型振动陀螺例（4）
美国HRL研制的隧道效应角速度陀螺。利 用表面工艺制作。
热电偶原理的微温度传感器的 一个严重的缺点是：输出信号 的大小会随着线和节点的尺寸 的减小而降低。所以，单独的 热电偶并不是理想的微温度传 感器。
微热电堆是小型化热传感的更 理想的解决方案。热电堆同样 有冷接点和热接点，但它们是 用热电偶平行排列并且串联电 压输出。这种排列如图2.14中。 热电堆导线的材料和热电偶是 一样的—铜/铜镍合金(T型)，铬 合金/氧化铝(K型)等
振动陀螺的基本公式
其中：
l——加热元件与热敏元件间的距离 t——热的传播时间
热式微型流量传感器例
利用体硅腐蚀工艺制作制作了V形槽 热隔离结构，利用氮化硅进行热绝缘。
热式微型流量传感器的特点
优点：尺寸小，响应快 ，灵敏度高。 缺点： 功耗较大，特别是用于液体时。 热飞行时间式与热线式相比，测量精度 更高、线性度更好、功耗更小，还可只 用一个检测元件。
机械式微型流量传感器
工作原理：流体流动时产生的粘滞力 或流道进出口之间的压力差，带动机 械结构运动或变形，通过压阻效应或 电容变化等，感知流体的流动速度。
其主要结构：一个可动膜或阀片，加 上其上的压敏电阻或电容测量感应件。
基于粘滞力的机械式微型流量传感器
基于粘滞力流量传感器的基本公式
平行于流动方向的粘滞力FD：
微型振动陀螺例（1）
美国Draper实验室研制的音叉式线振动 陀螺。体硅工艺制作。平板电容检测。
微型振动陀螺例（2）
清华研制的振动陀螺 利用体硅、键合工艺，平板
电容检测。
微型振动陀螺例（3）
加州大学伯克利分校研制的Z轴角速度陀螺 仪。利用表面工艺制作。叉指电容检测。
微型振动陀螺例（4）
美国HRL研制的隧道效应角速度陀螺。利 用表面工艺制作。
热电偶原理的微温度传感器的 一个严重的缺点是：输出信号 的大小会随着线和节点的尺寸 的减小而降低。所以，单独的 热电偶并不是理想的微温度传 感器。
微热电堆是小型化热传感的更 理想的解决方案。热电堆同样 有冷接点和热接点，但它们是 用热电偶平行排列并且串联电 压输出。这种排列如图2.14中。 热电堆导线的材料和热电偶是 一样的—铜/铜镍合金(T型)，铬 合金/氧化铝(K型)等
振动陀螺的基本公式
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MEMS may involve large arrays of microfabricated elements
DNA array, infrared imaging devices, both reflective and refractive projection displays
Examples of MEMS Devices
inkjet-printer cartridges accelerometers Microengines inertial sensors micromirrors, optical scanners fluid pumps, chemical, pressure and flow
sensors. Biosensors
Density (and performance, broadly defined) of digital integrated circuits increases by a factor of two every year.
Moore’s Law
Moore’s Law
In the 1990s the number of transistors on microprocessors continued to double nearly every 18 months. The rate of change followed an early prediction made by American semiconductor pioneer Gordon Moore. In 1965 Moore predicted that the number of transistors on a computer chip would double every year, a prediction that has come to be known as Moore’s Law. In the mid-1990s chips included the Intel Pentium Pro, containing 5.5 million transistors; the UltraSparc-II, by Sun Microsystems, containing 5.4 million transistors; the PowerPC620, developed jointly by Apple, IBM, and Motorola, containing 7 million transistors; and the Digital Equipment Corporation's Alpha 21164A, containing 9.3 million transistors. By the end of the decade microprocessors contained many millions of transistors, transferred 64 bits of data at once, and performed billions of instructions per second.
Dimensional Ranges
1 mm < L < 300 mm lateral dimensions
Surface micromachined structures … “classic MEMS”
300 mm < L < 3 mm
Bulk silicon/wafer bonded structures … still call them MEMS and cover them in this course
Energy density scaling for this type of motor indicated performance degradation as dimensions were reduced …
Materials incompatibility with Stanford’s Microelectronics Lab research focus on electronic devices became a major issue
Other Batch Fabrication
Processes
Historically, there aren't that many examples outside of chemical processes
However, that’s changing:
Soft (rubber-stamp) lithography Parallel assembly processes enable low-cost
Planar IC Technology
Harvey Nathanson and William Newell, got a surface-micromachined resonant gate transistor,
(Westinghouse, 1965)
The device operates a high-Q electromechanical filter
What are the Goals of this Course?
Accessible to a broad audience minimal prerequisites
Design emphasis exposure to the techniques useful in analytical design of structures,transducers, and process flows
on Thursdays and due the following Thursday at the class beginning Exam: (TBA) Office Hours: (TBA) Credit breakdown (approximate)
10% homework 30% final Project 60% final exam
3. Lateral dimensions defined by photolithography, a
process derived from offset printing Result: CMOS integrated circuits became the
ultimate “enabling technology” by circa 1980 Moore’s Law
Perspective on MEMS research and commercialization circa
Course Mechanics
Lectures: Monday, Wednesday 10:00-12:00 Homework: bi-weekly assignments distributed
10 nm < L < 1 mm Nano electromechanical systems … NEMS
Batch Fabrication Technology
Planar integrated circuit technology 1958 -
1. Thin-film deposition and etching 2. Modification of the top few mm of the substrate
Did Harvey hear about Richard Feynman’s talk in 1959? I don’t think so …
Planar IC Technology
Planar IC Technology
Why Didn’t MEMS Take Off
in 1965?
Resonant gate transistor was a poor on-chip frequency reference metals have a high temperature sensitivity and don’t have a sharp resonance (low-Q) … specific application didn't “fly”
In 1968, Robert Newcomb (Stanford, now Maryland)proposed and attempted to fabricate a surface micromachined electromagnetic motor after seeing the Westinghouse work
Textsbook: 1. Stephen D. Senturia, Microsystem Design,
Kluwer Academic Press, 2001 2. Course Reader (Selected Reference Papers)
Part 1
Introduction to MEMS
Lecture Outline
Today’s Lecture
What is MEMS Historical tour of MEMS MEMS and nanotechnology
MEMS Defined
Micro ElectroMechanical Systems
What is MEMS
Introduction to MEMS Spring 2012
Weidong Yi
Design, Analysis , Fabrication
Course Overview
Part 1 Introduction to MEMS Part 2 Microfabrication Fundamentals Part 3 Microsystem Fabrication Processes Part 4 Mechanics, and Transduction Part 5 Electronic Interface Design Principles Part 6 MEMS Design Case Studies
DNA array, infrared imaging devices, both reflective and refractive projection displays
Examples of MEMS Devices
inkjet-printer cartridges accelerometers Microengines inertial sensors micromirrors, optical scanners fluid pumps, chemical, pressure and flow
sensors. Biosensors
Density (and performance, broadly defined) of digital integrated circuits increases by a factor of two every year.
Moore’s Law
Moore’s Law
In the 1990s the number of transistors on microprocessors continued to double nearly every 18 months. The rate of change followed an early prediction made by American semiconductor pioneer Gordon Moore. In 1965 Moore predicted that the number of transistors on a computer chip would double every year, a prediction that has come to be known as Moore’s Law. In the mid-1990s chips included the Intel Pentium Pro, containing 5.5 million transistors; the UltraSparc-II, by Sun Microsystems, containing 5.4 million transistors; the PowerPC620, developed jointly by Apple, IBM, and Motorola, containing 7 million transistors; and the Digital Equipment Corporation's Alpha 21164A, containing 9.3 million transistors. By the end of the decade microprocessors contained many millions of transistors, transferred 64 bits of data at once, and performed billions of instructions per second.
Dimensional Ranges
1 mm < L < 300 mm lateral dimensions
Surface micromachined structures … “classic MEMS”
300 mm < L < 3 mm
Bulk silicon/wafer bonded structures … still call them MEMS and cover them in this course
Energy density scaling for this type of motor indicated performance degradation as dimensions were reduced …
Materials incompatibility with Stanford’s Microelectronics Lab research focus on electronic devices became a major issue
Other Batch Fabrication
Processes
Historically, there aren't that many examples outside of chemical processes
However, that’s changing:
Soft (rubber-stamp) lithography Parallel assembly processes enable low-cost
Planar IC Technology
Harvey Nathanson and William Newell, got a surface-micromachined resonant gate transistor,
(Westinghouse, 1965)
The device operates a high-Q electromechanical filter
What are the Goals of this Course?
Accessible to a broad audience minimal prerequisites
Design emphasis exposure to the techniques useful in analytical design of structures,transducers, and process flows
on Thursdays and due the following Thursday at the class beginning Exam: (TBA) Office Hours: (TBA) Credit breakdown (approximate)
10% homework 30% final Project 60% final exam
3. Lateral dimensions defined by photolithography, a
process derived from offset printing Result: CMOS integrated circuits became the
ultimate “enabling technology” by circa 1980 Moore’s Law
Perspective on MEMS research and commercialization circa
Course Mechanics
Lectures: Monday, Wednesday 10:00-12:00 Homework: bi-weekly assignments distributed
10 nm < L < 1 mm Nano electromechanical systems … NEMS
Batch Fabrication Technology
Planar integrated circuit technology 1958 -
1. Thin-film deposition and etching 2. Modification of the top few mm of the substrate
Did Harvey hear about Richard Feynman’s talk in 1959? I don’t think so …
Planar IC Technology
Planar IC Technology
Why Didn’t MEMS Take Off
in 1965?
Resonant gate transistor was a poor on-chip frequency reference metals have a high temperature sensitivity and don’t have a sharp resonance (low-Q) … specific application didn't “fly”
In 1968, Robert Newcomb (Stanford, now Maryland)proposed and attempted to fabricate a surface micromachined electromagnetic motor after seeing the Westinghouse work
Textsbook: 1. Stephen D. Senturia, Microsystem Design,
Kluwer Academic Press, 2001 2. Course Reader (Selected Reference Papers)
Part 1
Introduction to MEMS
Lecture Outline
Today’s Lecture
What is MEMS Historical tour of MEMS MEMS and nanotechnology
MEMS Defined
Micro ElectroMechanical Systems
What is MEMS
Introduction to MEMS Spring 2012
Weidong Yi
Design, Analysis , Fabrication
Course Overview
Part 1 Introduction to MEMS Part 2 Microfabrication Fundamentals Part 3 Microsystem Fabrication Processes Part 4 Mechanics, and Transduction Part 5 Electronic Interface Design Principles Part 6 MEMS Design Case Studies