MEMS技术及其应用课件.ppt
《MEMS技术及其应用课件.ppt》由会员分享,可在线阅读,更多相关《MEMS技术及其应用课件.ppt(72页珍藏版)》请在三一办公上搜索。
1、MEMS技术及其应用,1,主要内容,MEMS技术简介MEMS技术应用微机械制造技术MEMS器件,2,MEMS简介,3,What is MEMS Technology?,MEMS(microelectromechanical systems)are devices that involve integrated micro-devices or systems,usually comprised of electrical and mechanical components,produced using microelectronics-compatible batch-processing t
2、echniques.These systems merge computation with sensing and actuation to perceive the physical world at a miniaturized level.,4,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。,由于MEMS是微电子同微机械的结合,如果把微电子电路比作人的大脑,微
3、机械比作人的五官(传感器)和手脚(执行器),两者的紧密结合,就是一个功能齐全而强大的微系统。,MEMS定义,5,MEMS,微电子学,6,从广义上讲,MEMS是指集微型传感器、微型执行器以及信号处理和控制电路,甚至接口电路、通信和电源于一体的微型机电系统。图是一典型的MEMS示意图。由传感器、信息处理单元。执行器和通讯/接口单元等组成。其输入是物理信号,通过传感器转换为电信号,经过信号处理(模拟的和/或数字的)后,由执行器与外界作用。每一个微系统可以采用数字或模拟信号(电、光、磁等物理量)与其它微系统进行通信,7,8,1959年就有科学家提出微型机械的设想,但直到1962年才出现属于微机械范畴的
4、产品硅微型压力传感器。其后尺寸为50500微米的齿轮、齿轮泵、气动蜗轮及联接件等微型机构相继问世。而1987年由华裔留美学生冯龙生等人研制出转子直径为60微米和100微米的硅微型静电电机,显示出利用硅微加工工艺制作微小可动结构并与集成电路兼容制造微小系统的潜力,在国际上引起轰动,科幻小说中描述把自己变成小昆虫钻到别人的居室或心脏中去的场景将要成为现实展现在人们面前。同时,也标志着微电子机械系统(MEMS)的诞生。,微电子机械系统是以微电子、微机械及材料科学为基础,研究、设计和制造具有特定功能的微型装置(包括微结构器件、微传感器、微执行器和微系统等方面)的一门科学。,9,世界上第一个微静电马达,
5、10,各国对MEMS的研究,MEMS自20世纪80年代中期发展至今一直受到世界各个国家的广泛重视,许多有影响的大专院校和研究机构纷纷投巨资建立实验室,投入到MEMS的研究开发中。,在美国政府巨额经费的资助下,包括麻省理工大学、加州大学伯克利分校、斯坦福大学、IBM、AT&T等三十余个大学、国家实验室和民间实验机构都投入到这个项目的研究中,取得了令人瞩目的研究成果。至今美国的科学家不仅已经制作出各种整体尺寸几百微米量级的微机械部件,能够将它们应用到各类传感器的制作中,而且有相当种类的MEMS器件实现了产业化。,1991年,日本成立了国家MEMS开发中心,并在10年内投入了250亿日元开展“微型机
6、械技术”研究开发。由于高强度的资金支持,日本在一些MEMS研究方面也达到了世界领先地位。此外,日本发展了微细电火花EDM、超声波加工、激光纳米加工等的精密加工技术。,德国的卡尔斯鲁研究中心在1987年提出了LIGA工艺而闻名于世,该技术采用X射线曝光和精密电镀相结合,将半导体工艺技术的准三维加工推向真正的三维加工,加工深度可达几百微米,并且具有更高的尺寸精度,现在这种工艺已被许多国家的研究人员所采用。,此外,如荷兰、英国、俄罗斯、新加坡、加拿大、以色列、韩国、台湾等国家和地区也取得了相当不错的研究成果。,中国,11,我国对MEMS的研究简介,中国MEMS研究的覆盖面是比较宽的,增长速度是比较快
7、的,然而,中国的MEMS研究多集中在高校和非产业化的研究所,研制的器件和系统大多数没有达到产前样机的水平,中国MEMS发展中的实用化和产业化还存在很严重的缺陷。,MEMS研究在我国已形成了如下几个方向:微型惯性器件和惯性测量组合;机械量微型传感器和致动器;微流量器件和系统;生物传感器、生物芯片和微操作系统;微型机器人;硅和非硅制造工艺。,目前不同层次的内地研究单位有60余个,如:清华大学、北京大学、上海微系统与信息技术所、北京半导体所、上海交大、东南大学、石家庄十三所、浙江大学、厦门大学、哈尔滨工业大学、西安交大、大连理工大学、华中科技大学、长春光机所、中国科技大学、天津大学、南开大学和吉林大
8、学等。,我国在MEMS方面的研究始于1989年,在国家“八五”、“九五”计划期间,得到了国家自然科学基金委、国家科技部、教育司、中国科学院和总装备部的积极支持,经费总投入约为1.5亿人民币。“十五”期间,MEMS被正式列入863计划中的重大专项,加上教育部的教育振兴计划、中国科学院的知识创新体系、基金委和科技部新的立项以及地方和企业的投入,总经费可达3亿元人民币以上。,发达国家的MEMS发展过程表明,实现MEMS的实用化和产业化才能够给中国MEMS发展带来希望,从我国集成电路(IC)的发展历程可以更好地理解MEMS产业化的重要意义。,12,MEMS的发展过程,20世纪60年代:采用将传感器和电
9、子线路集成在一个芯片上的设计思想来制作集成传感器。,20世纪60年代后期:硅刻蚀技术用于制作能将压力转换为电信号的应变薄膜结构。,20世纪70年代:人们使用硅各向异性选择性腐蚀制作薄膜,掺杂以及基于电化学的腐蚀停刻技术也出现了,随之而来的是“体硅加工”技术。,13,MEMS的发展过程,20世纪80年代:“表面微加工”技术在加速度计、压力传感器和其他微电子机械结构制作中得到了应用。,20世纪80年代后期:MEMS在世界范围内受到了广泛重视,在美国、欧洲和亚洲,投入的研究资金和研究人员都以令人惊讶的速度在大幅增长。MEMS正在处于蓬勃发展的关键时期,不断地有新型器件和新型技术给予报道,人们见证了基
10、于MEMS技术的喷墨打印头、压力传感器、流量计、加速度计、陀螺仪、非冷却红外成像仪和光学投影仪等设备的不断开发和产业化的进程。(如同IC),1982年,K.Petersen的综述性论文“Silicon as a mechanical materials”,概括了当时MEMS最高水平的微加工技术和微机械器件,被看作是MEMS研究进入系统化阶段的标志,开创了MEMS发展的纪元。,14,1939年 P-N结半导体(W.Schottky)1948年 晶体管(J.Bardeen,W.H.Brattain,W.Shockley)1954年 半导体压阻效应(C.S.Smith)1958年 集成电路(IC)(
11、J.S.Kilby)1959年“There is plenty of room at the bottom”(R.Feynman)1962年 硅集成压力驱动器(O.N.Tufte,P.W.Chapman,D.Long)1965年 表面微机械加速度计(H.C.Nathanson,R.A.Wichstrom)1967年 硅各向异性深度刻蚀(H.A.Waggener)1973年 微型离子敏场效应管(Tohoku University)1977年 电容式硅压力传感器(Stanford),MEMS的发展过程的重要历史事件,15,1979年 集成化气体色谱仪(C.S.Terry,J.H.Jerman,J.
12、B.Angell)1981年 水晶微机械(Yokogawa Electric)1982年“Silicon as a mechanical material”(K.Petersen)1983年 集成化压力传感器(Honeywell)1985年 LIGA工艺(W.Ehrfeld et al.)1986年硅键合技术(M.Shimbo)1987年 微型齿轮(UC Berkeley)1988年压力传感器的批量生产(Nova Sensor)1988年 微静电电机(UC Berkeley),MEMS的发展过程的重要历史事件,16,1992年 体硅加工工艺(SCREAM process,Cornell)199
13、3年 数字微镜显示器件(Texas Instruments)1994年 商业化表面微机械加速度计(Analog Devices)1999年 光网络开关阵列(Lucent),MEMS的发展过程的重要历史事件,17,What is the peculiarity of MEMS technology?,MEMS是受到集成电路工艺的启发而发展起来的,它不仅具有集成电路系统的许多优点,同时集约了多种学科发展的尖端成果。,18,MEMS的应用,19,Application Fields of MEMS,由于MEMS器件和系统具有体积小、重量轻、功耗小、成本低、可靠性高、性能优异、功能强大、可以批量生产等
14、传统传感器无法比拟的优点,因此在航空、航天、汽车、生物医学、环境监测、军事以及几乎人们接触到的所有领域中都有着十分广阔的应用前景。,20,MEMS的应用领域,21,MEMS传感器及其组成的微型惯性测量组合在汽车自动驾驶、汽车防撞气囊、汽车防抱死系统(ABS)、减震系统、防盗系统等。GPS定位系统.*在汽车里作为加速表来控制碰撞时安全气囊防护系统的施用*在汽车里作为陀螺来测定汽车倾斜,控制动态稳定控制系统*在轮胎里作为压力传感器,,在汽车上的应用,22,23,MEMS已在空间超微型卫星上得到应用,该卫星外形尺寸为 2.54 cm 7.62 cm 10.6 cm,重量仅为 250 g。2000年
15、1月,发射的两颗试验小卫星是证明空基防御能力增强的一个范例。对小卫星试验来说幸运的是,因其飞行寿命短,所以,暴露在宇宙辐射之下并不是关键问题。小卫星上基于硅的 RF开关在太空应用中表现出优异的性能,这得益于它的超微小尺寸。作为一个在海上应用的实例,MEMS引信/保险和引爆半导体,微电子,集成电路,IC,工艺,设计,器件,封装,测试,F/SA 装置已成功地用于潜艇鱼雷对抗武器上。引信/保险和引爆装置的工作包括 3个独立步骤:发射鱼雷后,解除炸药保险、引爆 引信 和防止在不正确时间爆炸 保险。使用镀有金属层的硅结合巧妙的封装技术,MEMS F/SA器件要比传统的装置小 1个数量级,可安装在 15.
16、88 cm的鱼雷上,这是其他方法做不到的.,在军事上的应用,24,国外MEMS 技术在引信中的应用,MEMS 技术在精确打击弹药引信中的应用,美国FMU2159/B 硬目标侵彻灵巧引信及加速度计,25,MEMS 技术在灵巧弹药引信中的应用,采用MEMS 技术的弹道修正引信,装有弹道修正引信的MK64 制导炮弹,26,MEMS 技术在轻武器面杀伤弹药引信中的应用,单兵20 mm 高爆榴弹微机电引信,27,在 1995年的国际会议上已有人正式提出研制全硅卫星的概念。即整个卫星由硅太阳能电池板、硅导航模块、硅通信模块等组合而成,这样,可使整个卫星的质量缩小到以 kg计算,从而使卫星的成本大幅度降低。
17、,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。,航空航天的应用,28,微机械技术在生物医疗中的应用尤其令人惊叹。例如:将微型传感器用口服或皮下注射法送入人体,就可对体内的五脏六腑进行直接有效的监测。将特制的微型机器人送入人体,可刮去导致心脏病的油脂沉积物,除去体内的胆固醇,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 和智能 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
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- MEMS 技术 及其 应用 课件

链接地址:https://www.31ppt.com/p-2167079.html