电科专业--微电子机械系统 第一章 总论
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。
电路系统 第一章
第一章电子系统设计概论信息的电子化处理在科学技术的发展中占有重要的地位，在各学科的研究与应用开发中，电子信息处理都是不可缺少的基本手段。
由于电子技术的不断发展，现代电子系统所采用的技术越来越先进，功能越来越强、结构越来越复杂。
因而对电子系统的设计人员提出了更高的要求。
作为一个高素质的设计人员应具备扎实的基础知识和开阔的思路，具有发现问题、提出问题、解决问题的能力。
本章从系统设计的角度，提出了设计现代电子系统需解决的几个问题，讲述的要点为：现代电子系统的特征电子系统的构成与实现电子系统的设计方法与设计流程系统设计人员应具备的素质1.1 概述1.1.1问题的提出人类已进入了信息时代，信息在科学技术的发展中占有重要的地位。
由于电子技术和计算机技术的发展，使信息的电子化处理成为可能。
在各学科的研究与应用开发中，电子信息处理是不可缺少的基本手段。
各种信号（振动、压力、温度、湿度、光、生物电、气体浓度等）都可转换为电信号，并利用电子信息科学的方法对其进行处理。
由于电子技术的迅速发展，电子系统的应用领域日益扩大，除了传统的应用领域，如工业自动控制、通信系统、计算机系统、电子测量系统外，医疗电子、信息家电、汽车电子等已成为新的经济增长点。
这些应用系统在功能与结构上具有高度的综合性、层次性和复杂性。
设计高性能、高可靠性的电子系统已成为电子设计人员必须掌握的一门技术，而在设计的过程中，如何缩短设计周期、降低设计成本已成为衡量设计人员能力的标准之一。
电子系统指由电子元件或部件组成的，能产生、传输、处理电信号及信息的系统。
电子系统的设计可从基本的电子电路、信息处理方法与技术以及设计方法三个方面考虑。
在电子系统的方案制定之后，必须采用具体的电路和器件实施方案，电路与器件是构成系统的基本要素，基本电路与器件包括了模拟电路、数字电路以及微控制器。
电子信息科学与技术、集成电路技术、计算机技术的迅速发展，模拟电子向数字电子、固定的数字硬件向可编程的数字硬件转移，使数字器件及微控制器更受到人们的重视，并导致电子信息系统的实现方法有了重大进展，可编程逻辑器件、数字信号处理芯片、嵌入式处理器等新的器件构成系统的方法正逐步取代由分立元件、单元电路组合成信息系统的方法。
微机电系统概论
美国：微型机电系统
MEMS:
Micro electro mechanical system
日本：微机械
Micro
machine system
欧洲：微系统
Micro
微尺寸效应的影响
1、微尺寸效应对于元器件间的作用力的影响
随着尺寸的减小，与尺寸3次方成比例的像惯性力、 体积力及电磁力等的作用将明显减弱；而与尺寸2次方 成比例的像粘性力、表面力、静电力及摩擦力等的作用 则明显增强，并成为影响微机械性能的主要因素。 在微机械设计中，多利用静电力驱动。 在微机械中，又由于表面积与体积之比相对增大，使 热传导的速度也相对增加。 研究微机械中的摩擦、磨损的特性与机理是该领域的 主要课题之一。
To
In
Technology & Engineering
(low cost) (new applications)
Batch
fabrications Small size Performance (improvement)
质谱仪（Mass spectrograph）
惯性测量系统
什么是微机电系统
光 声 压力 温度 化学 其它 能量 传 感 器 模 拟 信 号 处 理 器 数 字 信 号 处 理 器 模 拟 信 号 处 理 器 执 行 器 信息 其它 信息处理单元 运动
感测量 通讯/接口单元
控制量
光/电/磁
机械与机电系统；宏观机电系统与微机电系统 微机电系统： 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、可以活动和控制的、机 电合一的微机械装置。 特点： 1、学科交叉（力学、机械、电学、光学、电磁 学、生物、化学等学科）2、微型化、集成化和 智能化；3、低成本批量化；4、应用广泛（军民 两用）5、高新技术。
先进制造技术——微机电系统
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
精选东南大学电子信息工程之微机学第1章12学时资料
教学参考书:
郁慧娣，微机系统及其接口技术， 东南大学出版社
吴宁，80X86/Pentium微型计算机原理及应用， 电子工业出版社；
戴梅萼,微型计算机技术及应用， 清华大学出版社
张怀莲,IBM-PC宏汇编语言程序设计， 电子工业出版社
8
第1章 微机系统概述
教学重点
微处理器的发展简史 微型计算机的系统组成 IBM PC系列机的主机板
3
课程 特点
先修课程
数字逻辑
提供硬件基础
计算机组成原理
确立计算机部件功能 掌握计算机工作原理
汇编语言程序设计
建立必备软件基础 掌握指令系统、程序格式
4
先修 课程
课程主要内容
第一章（6学时） 概念与基本知识
第二、三章 （12学时） 指令与汇编程序设计
中断系统 定时/计数器
并行接口 串行接口
DMA
第四章（4学时） 半导体存储器
时钟48.发28生4 器I/O通道
62线的IBM PC总线
扬声器 接口
键盘 接口
系统 配置 开关
21
存储空间的分配
000000H 0A0000H 0C0000H 0E0000H 0F0000H 100000H
FE0000H
FFFFFFH
系统RAM
640KB 显示RAM
常规内存：1MB
128KB
扩展ROM
微机系统及其接口技术
教材：微型机算机系统原理及应用，第2版 出版：清华大学出版社，2005 编者：杨素行 主讲：王学香 单位：电子科学与工程学院ASIC工程中心
四牌楼校区逸夫馆北五楼
电话：83793265 ext. 8506 E-Mail: wxx@
大连理工大学,机械工程学院,机械电子学第一章 概述
1.3
典型的机电一体化产品
数控机床
机器人
FANUC伺服电机生产线机器人 Honda发布的ASIMO
工 业 机 器 人
服 务 和 娱 乐 机 器 人
水 下 机 器 人
军 事 机 器 人
iRobot生产的PackBot，投 入美国对伊朗及阿富汗战争
日本研制的鱿鱼 状水下机器人
第一章
概述
1 简介
机械电子（亦称机电一体化）一词最早 由日本安川（YASKAWA）公司的工程师于 1969年首次使用。
Mechatronics mechanical electronic
The International Federation for the Theory of Machines and Mechanism (IFToMM)：
“Mechatronics is the synergistic combination of precision mechanical engineering, electronic control, and systems thinking in design of products and manufacturing processes”
机电一体化是指在设计机械产品和生产过程的初 始化阶段就考虑将精密机械技术和电子控制系统有机 地结合。
1.1
机电一体化系统的主要构成
动力源
传感部件
计算机
பைடு நூலகம்执行部件
机械本体
1.2
机电一体化的关键技术 现代设计及制造技术 检测与传感技术 自动控制技术 伺服驱动技术 计算机及信息处理技术
微电子学概论(第一章)
– 目前，全世界计算机不包括微机在内 有几百万台，微机总量约6亿台，每年 由计算机完成的工作量超过4000亿人 年工作量
1.1 晶体管的发明
1833年英国物理学家法拉第发现氧化银的 电阻率随温度升高而增加。之后一些物理 学家又先后发现了同晶体管有关的半导体 的三个物理效应，即晶体硒在光照射下电 阻变小的光电导效应、晶体硒和金属接触 在光照射下产生电动势的半导体光生伏特 效应和金属与硅单晶接触产生整流作用的 半导体整流效应。
各种浆料通过丝网印刷的方法涂敷到基板 上，形成电阻或互连线图形，图形的形状 、尺寸和精度主要由丝网掩膜决定。每次 完成浆料印刷后要进行干燥和烧结。
薄膜集成电路是指利用薄膜工艺制作电阻 、电容元件和金属互连线。它采用的工艺 主要有真空蒸发、溅射等，各种薄膜的图 形通常采用光刻、腐蚀等工序实现。
1.1 晶体管的发明
小组对N和P型硅以及N型锗的表面设计了 一个类似光生伏特实验的装置，证实了肖 克莱的半导体表面空间电荷假说以及电场 效应的预言。之后，小组人员把一片P型 硅的表面处理成N型，滴上一滴水使之与 表面接触，在水滴中插入一个涂有蜡膜的 金属针，在水与硅之间施加8MHz的电压， 从硅中流到针尖的电流被改变，从而实现 了功率放大。
1.3.2 按集成电路规模分类
划分集成电路规模的标准
类别
SSI MSI LSI VLSI ULSI GSI
数字集成电路
MOS IC 双极IC
＜102
＜100
102～103 100～500
103～105 500～2000
105～107 107～109
＞2000
电科专业纳米电子学基础第一章
光年
以上
实际范围 河外星系
适用理论 尚无
宇观 宏观 微观
渺观
1021米=105 光年 102米
10-17米= 10-15厘米
10-36米= 10-34厘米
从3亿公里到 3×1014光年
从3 ×10-6厘米 到3亿公里
从3 ×10-25厘 米到3 ×10-6厘 米
3 ×10-25厘米 以下
从太阳系 到银河系 从大分子 到太阳系 从基本粒子 到大分子
§1.3 材料
纳米结构材料的基本特性
II. 小尺寸效应
特殊的力学性质
Å 陶瓷材料在通常情况下呈脆性，然而由纳米超微颗粒压制成的纳米陶瓷
材料却具有良好的韧性。因为纳米材料具有大的界面，界面的原子排列是 相当混乱的，原子在外力变形的条件下很容易迁移，因此表现出甚佳的韧 性与一定的延展性，使陶瓷材料具有新奇的力学性质。美国学者报道氟化 钙纳米材料在室温下可以大幅度弯曲而不断裂。研究表明，人的牙齿之所 以具有很高的强度，是因为它是由磷酸钙等纳米材料构成的。呈纳米晶粒 的金属要比传统的粗晶粒金属硬3～5倍。至于金属一陶瓷等复合纳米材料 则可在更大的范围内改变材料的力学性质，其应用前景十分宽广。
纳米电子学基础
主讲人：杨红官
课程内容：
第一章 绪 论 第二章 纳电子学的物理基础 第三章 共振隧穿器件 第四章 单电子晶体管 第五章 量子点器件 第六章 碳纳米管器件 第七章 分子电子器件 第八章 纳米级集成系统原理 第九章 纳电子学发展中的问题
参考资料：
1. 纳电子学导论，蒋建飞 编著，科学出版社。 2. 纳米电子学，杜磊 庄奕琪 编著，电子工业出版社。 3. 纳电子器件及其应用，蔡理 编著，电子工业出版社。 4. 纳电子学与纳米系统，陈贵灿 等译，西安交通大学 出版社。