mems技術(shù)及其應(yīng)用整理版

1、MEMS技術(shù)及其應(yīng)用,主要內(nèi)容,MEMS技術(shù)簡介MEMS技術(shù)應(yīng)用微機(jī)械制造技術(shù)MEMS器件,MEMS簡介,What is MEMS Technology?,MEMS (microelectromechanical systems) are devices that involve integrated micro-devices or systems, usually comprised of electrical and mec

2、hanical components, produced using microelectronics-compatible batch-processing techniques. These systems merge computation with sensing and actuation to perceive the physical world at a miniaturized level.,,早在二十世紀(jì)

3、六十年代，在硅集成電路制造技術(shù)發(fā)明不久，研究人員就想利用這些制造技術(shù)和利用硅很好的機(jī)械特性，制造微型機(jī)械部件，如微傳感器、微執(zhí)行器等。如果把微電子器件同微機(jī)械部件做在同一塊硅片上，就是微機(jī)電系統(tǒng)——MEMS: Microelectromechanical System。,由于MEMS是微電子同微機(jī)械的結(jié)合，如果把微電子電路比作人的大腦，微機(jī)械比作人的五官（傳感器）和手腳（執(zhí)行器），兩者的緊密結(jié)合，就是一個功能齊全而強(qiáng)大的微系統(tǒng)。,MEM

4、S定義,1959年就有科學(xué)家提出微型機(jī)械的設(shè)想，但直到1962年才出現(xiàn)屬于微機(jī)械范疇的產(chǎn)品—硅微型壓力傳感器。其后尺寸為50～500微米的齒輪、齒輪泵、氣動蝸輪及聯(lián)接件等微型機(jī)構(gòu)相繼問世。而1987年由華裔留美學(xué)生馮龍生等人研制出轉(zhuǎn)子直徑為60微米和100微米的硅微型靜電電機(jī)，顯示出利用硅微加工工藝制作微小可動結(jié)構(gòu)并與集成電路兼容制造微小系統(tǒng)的潛力，在國際上引起轟動，科幻小說中描述把自己變成小昆蟲鉆到別人的居室或心臟中去的場景將要成為現(xiàn)

5、實(shí)展現(xiàn)在人們面前。同時，也標(biāo)志著微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)的誕生。,微電子機(jī)械系統(tǒng)是以微電子、微機(jī)械及材料科學(xué)為基礎(chǔ)，研究、設(shè)計和制造具有特定功能的微型裝置（包括微結(jié)構(gòu)器件、微傳感器、微執(zhí)行器和微系統(tǒng)等方面）的一門科學(xué)。,世界上第一個微靜電馬達(dá),What is the peculiarity of MEMS technology?,MEMS是受到集成電路工藝的啟發(fā)而發(fā)展起來的，它不僅具有集成電路系統(tǒng)的許多優(yōu)點(diǎn)，同時集約了多種學(xué)科發(fā)展的

6、尖端成果。,MEMS的應(yīng)用,Application Fields of MEMS,由于MEMS器件和系統(tǒng)具有體積小、重量輕、功耗小、成本低、可靠性高、性能優(yōu)異、功能強(qiáng)大、可以批量生產(chǎn)等傳統(tǒng)傳感器無法比擬的優(yōu)點(diǎn)，因此在航空、航天、汽車、生物醫(yī)學(xué)、環(huán)境監(jiān)測、軍事以及幾乎人們接觸到的所有領(lǐng)域中都有著十分廣闊的應(yīng)用前景。,MEMS傳感器及其組成的微型慣性測量組合在汽車自動駕駛、汽車防撞氣囊、汽車防抱死系統(tǒng)（ABS）、減震系統(tǒng)、防盜系統(tǒng)等。GPS

7、定位系統(tǒng). *在汽車?yán)镒鳛榧铀俦韥砜刂婆鲎矔r安全氣囊防護(hù)系統(tǒng)的施用* 在汽車?yán)镒鳛橥勇輥頊y定汽車傾斜，控制動態(tài)穩(wěn)定控制系統(tǒng)* 在輪胎里作為壓力傳感器，,在汽車上的應(yīng)用,MEMS已在空間超微型衛(wèi)星上得到應(yīng)用 ,該衛(wèi)星外形尺寸為 2. 54 cm ×7. 62 cm ×10. 6 cm,重量僅為 250 g 。2000年 1月 ,發(fā)射的兩顆試驗(yàn)小衛(wèi)星是證明空基防御能力增強(qiáng)的一個范例。對小衛(wèi)星試驗(yàn)來說幸運(yùn)的是 ,因其飛

8、行壽命短 ,所以 ,暴露在宇宙輻射之下并不是關(guān)鍵問題。小衛(wèi)星上基于硅的 RF開關(guān)在太空應(yīng)用中表現(xiàn)出優(yōu)異的性能 ,這得益于它的超微小尺寸。作為一個在海上應(yīng)用的實(shí)例 ,MEMS引信 /保險和引爆半導(dǎo)體,微電子,集成電路,IC,工藝,設(shè)計,器件,封裝,測試, F/SA 裝置已成功地用于潛艇魚雷對抗武器上。引信 /保險和引爆裝置的工作包括 3個獨(dú)立步驟:發(fā)射魚雷后 ,解除炸藥保險、引爆 引信 和防止在不正確時間爆炸 保險 。使用鍍有金屬層的硅結(jié)

9、合巧妙的封裝技術(shù) ,MEMS F/SA器件要比傳統(tǒng)的裝置小 1個數(shù)量級 ,可安裝在 15. 88 cm的魚雷上 ,這是其他方法做不到的 .,在軍事上的應(yīng)用,國外MEMS 技術(shù)在引信中的應(yīng)用,MEMS 技術(shù)在精確打擊彈藥引信中的應(yīng)用,美國FMU2159/ B 硬目標(biāo)侵徹靈巧引信及加速度計,MEMS 技術(shù)在靈巧彈藥引信中的應(yīng)用,采用MEMS 技術(shù)的彈道修正引信,裝有彈道修正引信的MK64 制導(dǎo)炮彈,MEMS 技術(shù)在輕武器面殺傷彈藥引信中的應(yīng)

10、用,單兵20 mm 高爆榴彈微機(jī)電引信,,在 1995年的國際會議上已有人正式提出研制全硅衛(wèi)星的概念 。即整個衛(wèi)星由硅太陽能電池板、硅導(dǎo)航模塊、硅通信模塊等組合而成 ,這樣 ,可使整個衛(wèi)星的質(zhì)量縮小到以 kg計算 ,從而使衛(wèi)星的成本大幅度降低 。,美國提出的硅固態(tài)衛(wèi)星的概念圖，這個衛(wèi)星除了蓄電池外，全由硅片構(gòu)成，直徑僅15cm。,航空航天的應(yīng)用,微機(jī)械技術(shù)在生物醫(yī)療中的應(yīng)用尤其令人驚嘆。例如:將微型傳感器用口服或皮下注射法送入人體 ,就

11、可對體內(nèi)的五臟六腑進(jìn)行直接有效的監(jiān)測 。將特制的微型機(jī)器人送入人體 ,可刮去導(dǎo)致心臟病的油脂沉積物 ,除去體內(nèi)的膽固醇 ,可探測和清除人體內(nèi)的癌細(xì)胞 ,進(jìn)行視網(wǎng)膜開刀時 ,大夫可將遙控機(jī)器人放入眼球內(nèi) ,在細(xì)胞操作、細(xì)胞融合、精細(xì)外科、血管、腸道內(nèi)自動送藥等方面應(yīng)用甚廣。MEMS的微小 可進(jìn)入很小的器官和組織 和智能 能自動地進(jìn)行細(xì)微精確的操作 的特點(diǎn) ,可大大提高介入治療的精度 ,直接進(jìn)入相應(yīng)病變地進(jìn)行工作 ,降低手術(shù)風(fēng)險。

12、 同微電子,集成電路,IC,工藝,設(shè)計,器件,封裝,測試,MEMS時 ,可進(jìn)行基因分析和遺傳診斷 ,利用微加工技術(shù)制造各種微泵、微閥、微攝子、微溝槽、微器皿和微流量計的器件適合于操作生物細(xì)胞和生物大分子。所以 ,微機(jī)械在現(xiàn)代醫(yī)療技術(shù)中的應(yīng)用潛力巨大 ,為人類最后征服各種絕癥延長壽命帶來了希望。,生物醫(yī)療和醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用,OMOM智能膠囊消化道內(nèi)窺鏡系統(tǒng)（簡稱“膠囊內(nèi)鏡”）,金山科技集團(tuán)研制的膠囊內(nèi)鏡,“膠囊內(nèi)鏡”是集圖像處理、信息通訊

13、、光電工程、生物醫(yī)學(xué)等多學(xué)科技術(shù)為一體的典型的微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）高科技產(chǎn)品，由智能膠囊、圖像記錄儀、手持無線監(jiān)視儀、影像分析處理軟件等組成。,,工作時間：8小時左右視 角 度：140度視 距：3cm分 辨 力：0.1mm體 積：13mm ×27.9mm重 量：<6g外 殼：無毒耐酸耐堿高分子材料,圖象記錄儀,OMOM膠囊內(nèi)鏡的工作原理是：患者像服藥一樣用水將智能膠囊吞下后，它即隨著胃腸肌肉的運(yùn)動節(jié)奏沿著胃

14、→十二指腸→空腸與回腸→結(jié)腸→直腸的方向運(yùn)行，同時對經(jīng)過的腔段連續(xù)攝像，并以數(shù)字信號傳輸圖像給病人體外攜帶的圖像記錄儀進(jìn)行存儲記錄，工作時間達(dá)6～8小時，在智能膠囊吞服8～72小時后就會隨糞便排出體外。醫(yī)生通過影像工作站分析圖像記錄儀所記錄的圖像就可以了解病人整個消化道的情況，從而對病情做出診斷。,影像工作站,優(yōu)點(diǎn):操作簡單:整個檢查僅為吞服膠囊、記錄與回放觀察三個過程。醫(yī)生只需在回放觀察過程中，通過拍攝到的圖片即可對病情做出準(zhǔn)確判斷

15、。 安全衛(wèi)生:膠囊為一次性使用，避免交叉感染 ;外殼采用不能被消化液腐蝕的醫(yī)用高分子材料，對人體無毒、無刺激性 ,能夠安全排出體外。擴(kuò)展視野:全小腸段真彩色圖像清晰微觀，突破了小腸檢查的盲區(qū)，大大提高了消化道疾病診斷檢出率。 方便自如:患者無須麻醉、無須住院，行動自由，不耽誤正常的工作和生活。,這個一次性胰島素注射泵融合了Debiotech的胰島素輸注系統(tǒng)技術(shù)和ST的微射流MEMS芯片的量產(chǎn)能力。納米泵的尺寸只有現(xiàn)有胰島素泵的四分

16、之一. 微射流技術(shù)還能更好地控制胰島素液的注射量，更精確地模仿胰島自然分泌胰島素的過程，同時還能檢測泵可能發(fā)生的故障，更好地保護(hù)患者的安全。成本非常低廉。    胰島素注射泵療法或者連續(xù)皮下注射胰島素（CSII）可以替代一天必須輸注幾次的單次胰島素注射法，這種療法越來越被人們看好。按照CSII治療方法，糖尿病患者連接一個可編程的注射泵，注射泵與一個貯液器相連，胰島素就從這個貯液器輸注到人體皮下組織內(nèi)

17、，在一天的輸液過程中，可根據(jù)病人的情況設(shè)定液量。,微射流MEMS技術(shù)應(yīng)用于糖尿病治療.,數(shù)字微鏡裝置可被用來作投影顯示器（DMD）。圖示為美國TI公司研制的DMD，它通過可以旋轉(zhuǎn)?10?的扭轉(zhuǎn)鏡來完成投影顯示的。微鏡通過支撐柱和扭轉(zhuǎn)梁懸于基片上，每個微鏡下都有驅(qū)動電極，在下電極與微鏡間加一定的電壓，靜電力使微鏡傾斜輸入光被反射至鏡頭、投影到屏幕上。未加電壓的微鏡處的光線反射至鏡頭外。這樣，微鏡使每點(diǎn)產(chǎn)生明暗，投影出圖象。,其他應(yīng)用,投影

18、顯示器,,仿生學(xué)中的應(yīng)用（仿生纖毛）,地下水流微傳感器,Field of Research,理論基礎(chǔ)：在當(dāng)前MEMS所能達(dá)到的尺度下，宏觀世界基本的物理規(guī)律仍然起作用，但由于尺寸縮小帶來的影響（Scaling Effects），許多物理現(xiàn)象與宏觀世界有很大區(qū)別，因此許多原來的理論基礎(chǔ)都會發(fā)生變化，如力的尺寸效應(yīng)、微結(jié)構(gòu)的表面效應(yīng)、微觀摩擦機(jī)理等，因此有必要對微動力學(xué)、微流體力學(xué)、微熱力學(xué)、微摩擦學(xué)、微光學(xué)和微結(jié)構(gòu)學(xué)進(jìn)行深入的研究。技術(shù)

19、基礎(chǔ)：設(shè)計、工藝加工(高深寬比多層微結(jié)構(gòu))、微裝配工藝、微系統(tǒng)的測量等。應(yīng)用研究：如何應(yīng)用這些MEMS系統(tǒng)也是一門非常重要的學(xué)問。人們不僅要開發(fā)各種制造MEMS的技術(shù)，更重要的是如何將MEMS器件用于實(shí)際系統(tǒng)，并從中受益。,,MEMS器件根據(jù)其特性分成微傳感器、微執(zhí)行器、微結(jié)構(gòu)器件、微機(jī)械光學(xué)器件等。,微傳感器,機(jī)械類,化學(xué)類,磁學(xué)類,生物類,力學(xué),力矩,位置,速度,加速度,流量,角速度(陀螺),氣體成分,濕度,PH值,離子濃度,,微

20、執(zhí)行器,馬達(dá),齒輪,揚(yáng)聲器,開關(guān),微結(jié)構(gòu)器件,薄膜,探針,彈簧,微梁,微腔,溝道,微軸,錐體,微光學(xué)器件,微鏡陣列,微光掃描器,微斬光器,光編碼器,微光閥,微干涉儀,微光開關(guān),微透鏡,MEMS制造工藝,Manufacturing Technology of MEMS,大機(jī)械制造小機(jī)械，小機(jī)械制造微機(jī)械日本為代表LIGA工藝Lithograpie(光刻)、Galvanoformung(電鑄) Abformung(塑鑄)德國為代表

21、硅微機(jī)械加工工藝：體硅工藝和表面犧牲層工藝美國為代表,Materials,硅基材料 單晶硅，多晶硅，非晶硅，二氧化硅，氮化硅，碳化硅，SOI(Silicon On Insulator)。聚合物材料光刻膠，聚二甲硅氧烷其他材料 砷化鎵，石英，玻璃，鉆石，金屬。,驅(qū)動材料,NiTi 坡莫合金 鋯鈦酸鉛（PTZ）水凝膠（Hydrogels）,Technologies,物理氣相淀積(Physical Vapo

22、ur Deposition )化學(xué)氣相淀積(Chemical Vapour Deposition)電鍍（Electroplating）旋轉(zhuǎn)鑄模 （Spin Casting）溶膠-凝膠（Sol–Gel Deposition）光刻(Photolithography )刻蝕: 干法刻蝕（DRIE,ICP）和濕法腐蝕鍵合技術(shù),真空鍍膜儀,磁控濺射,電子在電場的作用下加速飛向基片的過程中與氬原子發(fā)生碰撞，電離出大量的氬離子和電子，

23、電子飛向基片。氬離子在電場的作用下加速轟擊靶材，濺射出大量的靶材原子，呈中性的靶原子（或分子）沉積在基片上成膜。二次電子在加速飛向基片的過程中受到磁場洛侖磁力的影響，被束縛在靠近靶面的等離子體區(qū)域內(nèi)，該區(qū)域內(nèi)等離子體密度很高，二次電子在磁場的作用下圍繞靶面作圓周運(yùn)動，該電子的運(yùn)動路徑很長，在運(yùn)動過程中不斷的與氬原子發(fā)生碰撞電離出大量的氬離子轟擊靶材，經(jīng)過多次碰撞后電子的能量逐漸降低，擺脫磁力線的束縛，遠(yuǎn)離靶材，最終沉積在基片上,干法刻蝕