机电工程与自动化学院微机电系统(MEMS).ppt
微机电系统概述,机电工程与自动化学院,微机电系统(MEMS)MEMS是适用于批量制作的，集微型机构、微型传感器、微型执行器、信号处理和控制及通讯接口电路、能源等于一体的能完成特定功能的微系统。,微飞行器,血液压力传感器,MEMS与相关学科领域,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。,微机电系统研究得到了美国、日本、欧洲等各国政府机构、企业界、高等学校与研究机构的高度重视。源源不断涌现的MEMS器件和系统不但突破了某些传统加工技术的瓶颈，实现了技术的进步，甚至带来了观念的革命和产业结构的更新。其中以美国的表现最为突出。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。,本章主要内容,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,微型传感器 Micro Sensor微型致动器 Micro Actuator射频微机电系统 RF MEMS微型光机电器件和系统 MOEMS微型生物机电系统 BioMEMS 微型机器人 Micro Robot微型动力系统 Micro Power System,微型传感器,微型传感器是MEMS的一个重要组成部分。1962年第一个硅微型威力传感器问世，开创了MEMS的先河。现在已经形成产品和正在研究中的微型传感器有：压力、力、力矩、加速度、速度、位置、流量、电量、磁场、温度、气体成分、湿度、pH值、离子浓度和生物浓度、微陀螺、触觉传感器等等。微型传感器正朝着集成化和智能化的方向发展。,谐振式微磁强计,谐振式微加速度传感器,悬臂式微加速度传感器,国外某公司大批量生产的硅微加速度计，中间是传感的机械部分，四周为包括电信号源、放大器、信号处理和自校正电路等的集成电路，集成在3mm3mm的芯片上，采用硅平面微细加工工艺制作，一块直径10厘米的硅片上可做出几百只微加速度计。已大量用于汽车的防碰撞气袋，每支只需几美元。有人预计微型传感器即将占邻40%的传感器的市场。,微型致动器,微型致动器有：微开关、微谐振器、微阀、微泵、微电机等。用途：可用于物体的搬送、定位，用于飞机的灵巧蒙皮。驱动方式主要有：静电驱动、压电驱动、电磁驱动、形状记忆合金驱动、热双金属驱动、热驱动等等。,微型电机是一种典型的微型致动器，可分为旋转式和直线式两类。,谐振式微致动器,电热驱动,射频微机电系统,谐振式MEMS滤波器,微型光机电器件和系统,随着信息技术、光通信技术的发展，宽带的多波段光纤网络将成为信息时代的主流，光通信中光器件的微小型化和大批量生产成为迫切的需求。MEMS技术与光器件的结合恰好能满足这一要求。由MEMS与光器件融合为一体的微型光机电系统（MOEMS）将成为MEMS领域中一个重要研究方向。,随着微机电研究的深入，光学内容逐渐进入其中，从而出现了将光、机、电系统集成在一起的系统，构成微光机电系统。微光机电系统的研究内容主要有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、微斩波器、微干涉仪、微可变焦透镜、微外腔激光器、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。其中，光通讯用光开关、微型光学传感器以及显示器是目前最被看好的部分。,TI公司的数字微镜显示器（DMD），通过CMOS技术将数百万44平方微米的铝镜阵列与控制电路集成在一起。每个微镜可以进行10度的扭转，从而达成“1”和“0”两个状态。其响应时间可以达到1ms。目前这一产品已经上市，并成功进入了投影仪市场。,TI公司推出的基于MEMS工艺的利用静电驱动的数字微镜（DMD,Digitial Micro Mirror Devices）,Lucent公司推出的基于MOEMS技术的Lambda路由器，它通过表面微机械技术制作了上万面可二维转动的微镜，可以在光通讯中实现光交换的功能。,（a）二维微镜结构（b）微镜阵列(c)光交换工作原理示意图,微型生物机电系统,微型生物化学芯片是利用微细加工工艺，在厘米见方的硅片或玻璃等材料上集成样品预处理器、微反应器、微分离管道、微检测器等微型生特化学功能器件、电子器件和微流量器件的微型生物化学分析系统。与传统的分析仪器相比，微型生物化学分析系统除了体积小以外，还具有分析时间短，样品消耗少，能耗低，效率高等优点。可广泛用于临床、环境临测、工业实时控制。芯片上的生物化学分析系统还使分析的并行处理成为可能，即同时分析数十种甚至上百种的样品，这将大大缩短基因测序过程，因而将成为人类基因组计划中重要的分析手段。,微型机器人,随着电子器件的不断缩小，组装时要求的精密度也在不断增加。组在，科学家正在研制微型机器人，能在桌面大小的地方组装象硬盘驱动器之类的精密小巧的产品。日本通产省的十年计划就是一例。军队也对这种微型机器人表现了浓厚的兴趣。他们设想制造出大到鞋盒子，小到硬币大小的机器人，它们会爬行，跳跃，到达敌军后方，为不远处的部队或千里之外的总部收集情报。这些机器人是廉价的，可以大量部署，它们可以替代人进入难以进入或危险的地区，进行侦察、排雷和探测生化武器战争。,微型动力系统,微型动力系统以电、热、动能或机械能的输出为目的，以毫米到厘米级尺寸，产生瓦到十瓦级的功率。MIT从1996年开始了微型涡软发动机的研究，该微型涡轮发动机利用MEMS加工技术制作，主要包括一个空气压缩机、涡软机、燃烧室、燃料控制系统（包括泵、阀、传感器等）、以及电启动马达/发电机。该校已在硅片上制作出涡轮机模型。其目标是1cm直径的发动机产生1020W的电力或0.050.01N的推力，最终达到100W。,MEMS加工技术,MEMS加工技术主要有从半导体加工工艺中发展起来的硅表面工艺和体硅工艺。八十年代中期以后利用X射线光刻、电铸、及注塑的LIGA（德文Lithograph Galvanformung und Abformug简写）技术诞生，形成了MEMS加工的另一个体系。MEMS的加工技术可包括硅表面加工和体加工的硅微细加工、LIGA加工和利用紫外光刻的准LIGA加工、微细电火花加工（EDM）、超声波加工、等离子体加工、激光加工、离子束加工、电子束加工、立体光刻成形等。MEMS的封装技术也很重要。传统的精密机械加工技术在制造微小型机械方面仍有很大潜力。,MEMS加工技术,表面硅工艺体硅工艺LIGA,表面硅工艺,以静电梳谐振器为例,1、硅片制备（400微米）2、清洗后通过氧化作用在硅片表面生成SiO23、淀积PolySi，生成底面导电层,4、刻蚀PolySi（下图为已设计的微谐振器底层导电多晶硅结构）,5、淀积Si3N4 形成绝缘层6、淀积PSG,7、刻蚀PSG（开始构造结构层，例如图示可以看作给结构层加支撑点或触点）,8、刻蚀PSG，Si3N4（下图绿色区域为底层Si3N4，绝缘层被刻蚀区域，以保证与结构层导电）,9、淀积PolySi（结构层）10、淀积PSG（1013为结构层多晶硅表面表面金属化处理）,11、腐蚀PSG12、溅射Al,13、刻蚀Al14、刻蚀PolySi,15、腐蚀PSG（至此结构层的制作完毕）,体硅工艺,以静电梳谐振器为例,1、光刻、刻蚀在硅表面（N 型硅或P 型）形成浅槽定义键合区域,2、扩散掺杂形成接触区,3、光刻、溅射Ti/Pt/Au金属剥离形成金属电极,4、硅/玻璃键合,5、刻蚀，释放结构裂片，取得最终单元,微谐振器实验结果,微谐振器（case5）试验片断,LIGA工艺,斯坦福大学LIGA工艺过程,MEMS基础性研究,尺度效应和表面效应微流体力学力学和热力学基础微机械特性和微摩擦学,尺度效应和表面效应,尺度效应研究已有较长的时间。力的尺度效应和表面效应说明，在宏观领域作用微小的力和现象，在微观领域可能起着重要的作用。在微小尺寸领域，与特征尺寸L的高次方成比例的惯性力、电磁力（L3）等的作用相对减小，而与尺寸的低次方成比例的粘性力、弹性力（L2），表面张力（L1）、静电力（L0）等的作用相对增大；随着尺寸的减小，表面积（L2）与体积（L3）之比相对增大，表面力学、表面物理效应将起主导作用。尺度效应的研究将有助于MEMS的创新。,微流体力学,微流体现象与宏观规律有相当的差别，有的规律需要进行较大的补充和修正。例如：微细通道内流动是否还符合Navier-Stokes方程；微小装置中流体驱动机制可用表面张力和粘性力，其阻力特性也有所不同、微小装置中流体的相变点（饱和压力和温度）不再是常数，而随尺度减小而降低；微细管道固液界面的微观物理化学特性所产生的化学效应，如电泳、电渗，对微流体的力学行为有重要影响。,力学和热力学基础,微观领域中的力学和热力学问题的基础研究可分为两大类，一当物体尺度缩小至与粒子运行的平均自由程同一量级时，则介质连续性等宏观假定不再成立；另一类，虽然连续介质等宏观假定仍然成立，但由于物体尺度的微小化，各种作用力的相对重要性产生了逆转，从而导致了宏观规律的变化。,微机械特性和微摩擦学,微结构材料机构特性中的弹性模量、波松比、疲劳极限、强度，以及内应力和内部缺陷的研究和数据库的建立引起了人们的重视，有些力学量需要重新作出科学的表述。微观摩擦学包括纳米摩擦行为及其控制研究、薄膜润滑与超滑技术研究、微观表面形貌与表面力学、表面物理效应研究、微磨损和微观表面改性研究。,以硅微动构件中的空气阻尼效应为例，介绍MEMS性能研究情况,梳齿差分电容式体硅微加速度计,硅微动构件中的空气阻尼效应,扫描隧道显微镜原理示意图,硅微动构件中的空气阻尼效应,二维微镜示意图,硅微动构件中的空气阻尼效应,微电容开关,硅微动构件中的空气阻尼效应,微致动器SEM图,硅微动构件中的空气阻尼效应,叉齿型微陀螺,空气阻尼是影响微动构件性能的显著因素,国内外研究概况,宏观理论用于微观尺度 Couette模型和Stokes模型 微尺度效应 Knudsen数已处于滑流区(0.01Kn0.1)稀薄气体效应 边界速度滑移模型 微槽、微管道研究 直接模拟Monte Carlo方法较适合超声速甚 至超高声速的情况,简化空气阻尼分析模型,Couette模型假设,Couette 流动分布,流体受迫振动的流线速度方程：,振动面剪切应力：,单位面积上粘滞阻尼的功耗：,简化空气阻尼分析模型,Stokes模型假设,Stokes 流动分布,流体受迫振动的流线速度方程：,振动面剪切应力：,活动平板与衬底之间的粘滞阻尼功耗：,活动平板与其上部周围环境间的粘滞阻尼功耗：,基于N-S方程的空气阻尼模型,横向振动空气阻尼模型,作如下假设：1、忽略彻体力项的影响 2、压力p在z方向上没有变化 3、速度u、v、w在z方向上没有变化，且w=0 4、运动过程处于等温状态 5、间隙内空气处于层流流动,横向振动空气阻尼模型,从Navier-Stokes方程和连续性方程出发，得到：,横向振动空气阻尼模型,对上述方程无量纲化，得到：,微尺度效应,微系统中气体的流动模式可根据Knudsen数的大小划分为三个区域：Kn10 流动为自由分子流动或无碰撞流动Kn0.01 流动为连续流 可采用连续介质流体力学理论来分析0.01Kn10 流动为过渡态流 流动必须考虑为稀薄气体流，而不是连续介质,MEMS构件中气体流动的Knudsen数为0.03左右必须考虑稀薄气体效应和速度边界滑移,一阶速度滑移边界条件：,微尺度效应,为计入稀薄气体效应，引入了有效粘度系数：,相对流量系数用于描述在狭小间隙内稀薄气体的流动，可从线性Boltzmann方程推导得到：,纵向谐振挤压空气阻尼模型,纵向谐振挤压空气阻尼模型,作如下假设：运动中两微平面保持相互平行平板沿垂直表面方向进行运动运动中两微平面间压力变化小 于环境压力,流体Reynolds方程：,计入稀薄气体作用修正Reynolds方程：,微谐振器动力学模型,横向振动微谐振器结构图,弹簧质量阻尼系统,微谐振器动力学模型,微谐振器动力学方程,其中，有效质量,mp为谐振器振动板的主干质量，mf为活动叉指质量，mb为弹性梁质量，mt为支撑架质量,弹性梁弹性系数,微谐振器动力学模型,在激励信号电压U 的作用下，固定不动电极的叉指与振子叉指间形成交变静电力F，使振子沿x方向发生移动。,驱动力的频域表达式简化为：,静电力表达式：,驱动电压：,振动板与衬底间流场分析,流场在3/4时刻速度分布图,振动板与衬底间流场分析,流场在时刻速度分布图,振动板与衬底间流场分析,流场在5/4时刻速度分布图,振动板与衬底间流场分析,流场在3/2时刻速度分布图,振动板与衬底间流场分析,流场在7/4时刻速度分布图,振动板与衬底间流场分析,流场在2时刻速度分布图,振动板上部流场分析,流场在/4时刻速度分布图,振动板上部流场分析,流场在/2时刻速度分布图,振动板上部流场分析,流场在3/4时刻速度分布图,振动板上部流场分析,流场在时刻速度分布图,振动板上部流场分析,流场在5/4时刻速度分布图,振动板上部流场分析,流场在3/2时刻速度分布图,振动板上部流场分析,流场在7/4时刻速度分布图,振动板上部流场分析,流场在2时刻速度分布图,五、基于ANSYS分析的微谐振器性能分析和比较,微谐振器的几何建模与网格划分,case1 case2 case3,五、基于ANSYS分析的微谐振器性能分析和比较,微谐振器的静态分析,case1 case2 case3,微谐振器的模态分析,第一阶 第二阶,微谐振器的模态分析,第三阶 第四阶,微谐振器的模态分析,第五阶 第六阶,微谐振器的模态分析,第七阶,微谐振器的模态分析,微谐振器各阶谐振频率仿真值,微谐振器系统谐响应分析,微谐振器（case1）的幅频响应图,微谐振器系统谐响应分析,微谐振器（case2）的幅频响应图,微谐振器系统谐响应分析,微谐振器（case3）的幅频响应图,空气阻尼对作纵向谐振运动微谐振器的影响,振动瞬态响应,周期内阻尼力变化曲线,微平面构件的空气压力分布,稀薄气体效应影响,a 谐振频率 f/22kHz b 谐振频率 f/100kHz,1.不计稀薄气体效应 2.计入稀薄气体效应,MEMS发展目标,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。二十一世纪MEMS将逐步从实验室走向实用化，对工农业、信息、环境、生物工程、医疗、空间技术、国防和科学发展产生重大影响。,斯坦福大学实验实例,谢 谢！,
