微机电系统课程

1、何谓MEMS，Sensors，Actuators，Transducers.MEMS通常指的是特征尺度大于1μm、小于1mm，结合了电子和机械部件，并用IC集成工艺加工的装置。它是一个新兴的、多学科交叉的高科技领域，并集约了当今科学技术的许多新兴成果。Sensors是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。Actuators是自动化技术工具中接收控制信息并对受控对象施加控制作用的装置。执行器也是控制系统正向通路中直接改变操纵变量的仪表，由执行机构和调节机构组成。Transducers是将信源发出的信息按一定的目的进行变换。微机电系统（MEMS,Micro-Electro-MechanicalSystem）是一种先进的制造技术平台。微机电系统基本上是指尺寸在几厘米以下乃至更小的小型装置，是一个独立的智能系统，主要由传感器、作动器（执行器）和微能源三大部分组成。传感器（英文名称：transducer/sensor）是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。执行器是自动控制系统中的执行机构和控制阀组合体。它在自动控制系统中的作用是接受来自调节器发出的信号，以其在工艺管路的位置和特性，调节工艺介质的流量，从而将被控数控制在生产过程所要求的范围内。转换器（converter）是指将一种信号转换成另一种信号的装置。信号是信息存在的形式或载体。在自动化仪表设备和自动控制系统中，常将一种信号转换成另一种与标准量或参考量比较后的信号，以便将两类仪表联接起来，因此，转换器常常是两个仪表（或装置）间的中间环节。详细介绍：一、（micro-electromechanicalsystem—MEMS）微机电系统基本上是指尺寸在几厘米以下乃至更小的小型装置，是一个独立的智能系统，主要由传感器、作动器（执行器）和微能源三大部分组成。微机电系统涉及物理学、化学、光学、医学、电子工程、材料工程、机械工程、信息工程及生物工程等多种学科和工程技术，为系统生物技术的合成生物学与微流控技术等领域开拓了广阔的用途。微机电系统在国民经济和军事系统方面将有着广泛的应用前景。主要民用领域是医学、电子和航空航天系统。美国已研制成功用于汽车防撞和节油的微机电系统加速度表和传感器，可提高汽车的安全性，节油10%。仅此一项美国国防部系统每年就可节约几十亿美元的汽油费。微机电系统在航空航天系统的应用可大大节省费用，提高系统的灵活性，并将导致航空航天系统的变革。例如，一种微型惯性测量装置的样机，尺度为2厘米×2厘米×0.5厘米，重5克。在军事应用方面，美国国防部高级研究计划局正在进行把微机电系统应用于个人导航用的小型惯性测量装置、大容量数据存储器件、小型分析仪器、医用传感器、光纤网络开关、环境与安全监测用的分布式无人值守传感等方面的研究。该局已演示以微机电系统为基础制造的加速度表，它能承受火炮发射时产生的近10.5个重力加速度的冲击力，可以为非制导弹药提供一种经济的制导系统。设想中的微机电系统的军事应用还有：化学战剂报警器、敌我识别装置、灵巧蒙皮、分布式战场传感器网络等。全称MicroElectromechanicalSystem微机电系统MEMS(MicroElectromechanicalSystem，即微电子机械系统)是指集微型传感器、执行器以及信号处理和控制电路、接口电路、通信和电源于一体的微型机电系统。概括起来，MEMS具有以下几个基本特点，微型化、智能化、多功能、高集成度和适于大批量生产。MEMS技术的目标是通过系统的微型化、集成化来探索具有新原理、新功能的元件和系统。MEMS技术是一种典型的多学科交叉的前沿性研究领域，几乎涉及到自然及工程科学的所有领域，如电子技术、机械技术、物理学、化学、生物医学、材料科学、能源科学等。其研究内容一般可以归纳为以下三个基本方面：1．理论基础：在当前MEMS所能达到的尺度下，宏观世界基本的物理规律仍然起作用，但由于尺寸缩小带来的影响（ScalingEffects），许多物理现象与宏观世界有很大区别，因此许多原来的理论基础都会发生变化，如力的尺寸效应、微结构的表面效应、微观摩擦机理等，因此有必要对微动力学、微流体力学、微热力学、微摩擦学、微光学和微结构学进行深入的研究。这一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。2.技术基础研究：主要包括微机械设计、微机械材料、微细加工、微装配与封装、集成技术、微测量等技术基础研究。3.微机械在各学科领域的应用研究。二、传感器（英文名称：transducer/sensor）是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。传感器的特点包括：微型化、数字化、智能化、多功能化、系统化、网络化。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。传感器的存在和发展，让物体有了触觉、味觉和嗅觉等感官，让物体慢慢变得活了起来。通常根据其基本感知功能分为热敏元件、光敏元件、气敏元件、力敏元件、磁敏元件、湿敏元件、声敏元件、放射线敏感元件、色敏元件和味敏元件等十大类。传感器的定义：国家标准GB7665-87对传感器下的定义是：“能感受规定的被测量件并按照一定的规律(数学函数法则)转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成”。中国物联网校企联盟认为，传感器的存在和发展，让物体有了触觉、味觉和嗅觉等感官，让物体慢慢变得活了起来。”“传感器”在新韦式大词典中定义为：“从一个系统接受功率，通常以另一种形式将功率送到第二个系统中的器件”。三、执行器（finalcontrollingelement）是自动化技术工具中接收控制信息并对受控对象施加控制作用的装置。执行器也是控制系统正向通路中直接改变操纵变量的仪表，由执行机构和调节机构组成。执行器是自动控制系统中的执行机构和控制阀组合体。它在自动控制系统中的作用是接受来自调节器发出的信号，以其在工艺管路的位置和特性，调节工艺介质的流量，从而将被控数控制在生产过程所要求的范围内。四、变换器（MatrixConverter）作为一种新型的交—交变频电源，其电路拓扑形式被提出，但直到1979年意大利学者M.Venturini和A.Alesina提出了矩阵式变换器存在理论及控制策略后，其特点才为人们所关注和研究。普遍使用的是半控功率器件晶闸管。采用这种器件组成矩阵式变换器，控制难度是很高的。矩阵式变换器的硬件特点是要求大容量、高开关频率、具有双向阻断能力和自关断能力的功率器件，同时由于控制方案的复杂性，要求具有快速处理能力的微处理器作为控制单元，而这些是早期的半导体工艺和技术水平所难以达到的。所以这一期间矩阵式变换器的研究主要针对主回路的拓扑结构及双向开关的实现，大多都处于理论研究阶段，很少有面向工业实际的研究。高工作频率、低控制功率的全控型功率器件如BJT，IGBT等不断涌现，推动了矩阵式变换器控制策略的研究。2、微系统的设计方法主要有哪些？比较各种设计方法的优缺点。微系统模块化设计微系统被分为若干个功能模块，这些模块可以大批量的制造，然后根据应用时的要求，通过软件和硬件修改，达到最终的性能要求，在微系统制造中被装配到不同的微系统中。优点：某些模块(例如电源模块、流体控制单元和传感器阵列)可以高效的大批量制造，然后这些模块只需作很小的软件或者硬件的修改即可满足特殊系统的需要；而且相当可观的开发成本是由模块制造商和系统制造商共同承担的，系统制造商从不同的模块供应商中选择需要的模块，而且系统的装配也不需要专门的设备（无尘室、生产线系统），尤其是不需要熟练的工人，这种模块化的概念对于开发能力有限的中小企业在微机电系统方面也是一个强有力的增殖工具。缺点：与定制电路（ASIC）相比，性能和功能密度有一些降低，当需求量小的时候，会导致单个元件的成本相当高。如果这些标准的模块是大批量生产的，那么接口也必须是标准的，那么标准化是一个关键点呃问题，因为因为这些实用的模块一般由成功的国际供应商提供。微系统集成化设计从系统的功能和经济性的观点来看，系统的设计任务是对所有的元件进行调整，使系统的性能达到最优，也就是使用的能量最少。从这项要求来看，微系统设计和宏观设计是不同的，为了达到微系统设计的要求，主要有三种设计方法：自上而下设计，自下而上设计及双向集成设计。双向集成设计对影响MEMS设计的加工、封装、测试、使用等因素进行全面的考虑，然后对设计过程和设计任务进行自上而下的分解。这样集成和分解就做到了辩证统一，相辅相成，共同完成MEMS复杂设计任务。在双向集成设计方法中，将MEMS的设计过程从开始到结束分为系统级设计、器件级设计和工艺级设计三个阶层，每一阶层分别完成相应的设计任务。3、简述硅基的加工过程，请例举说明硅工艺在MEMS器件中的应用？薄膜沉积：在基片表面覆盖一层薄膜，主要方法有氧化，化学气相沉积，蒸发，溅射等；光刻：1）在薄膜表面用甩胶机均匀地覆盖上一层光胶，2）用光刻机通过曝光将光刻掩膜上的图案转移到光刻胶层上；3）用显影溶液去掉未曝光的光刻胶层（负胶）或已曝光的光刻胶层（正胶）。刻蚀：利用未曝光的光刻胶的保护作用，选用合适的刻蚀剂，除去已曝光处的牺牲层，在基片主体上刻蚀一定深度的微结构。根据刻蚀剂的不同有干法刻蚀和湿法可是两种。硅工艺在MEMS器件中的应用：加速度传感器、压力传感器和微陀螺等。基于MEMS技术的压阻式压力传感器上下二层是玻璃体，中间是硅片，硅片中部做成一应力杯，其应力硅薄膜上部有一真空腔，使之成为一个典型的压力传感器。应力硅薄膜与真空腔接触这一面经光刻生成电阻应变片电桥电路。当外面的压力经引压腔进入传感器应力杯中，应力硅薄膜会因受外力作用而微微向上鼓起，发生弹性变形，四个电阻应变片因此而发生电阻变化，破坏原先的惠斯顿电桥电路平衡，电桥输出与压力成正比的电压信号。基于MEMS技术的电容式加速度传感器清洗硅片后交替运用干湿氧化制备牺牲层，然后用键合区掩膜版首次光刻，腐蚀未有光刻胶的二氧化硅。硅片根据版型蚀刻，去除未被腐蚀二氧化硅，对玻璃基片二次光刻，形成栅形电极图形，最后将硅片及玻璃基底键合。基于MEMS技术的微静电陀螺仪采用高深宽比干法刻蚀工艺在体硅上刻蚀出微机械结构，在玻璃上溅射金属形成金属点击，再通过静电键合形成玻-硅组合片。4、试用实例说明LIGA工艺有什么特点？其主要的工艺过程有哪些？优点：采用X射线深层光刻制造具有大结构高度、高深宽比的组件、系统或模具仍然是目前最为精确的批量制造技术；可以通过复制技术提供多种材料的微结构，尤其是金属和聚合物；具有柔性；可以获得极为光滑的表面。主要应用领域为微机械器件、微光学，尤其是传感、光通信和数据通信网络。LIGA技术最大的缺点是成本太高。导致成本高的因素主要有：时间、设备和繁多的工艺步骤。深度X射线曝光特别费时，例如：350μm的厚胶充分曝光大约需要8个小时。LIGA技术需要特殊的设备，主要是产生X射线的同步辐射加速器。与其它微细加工方法相比，LIGA技术具有如下特点：(1)可制造较大高宽比的结构；(2)取材广泛，可以是金属、陶瓷、聚合物、玻璃等；(3)可制作任意截面形状图形结构，加工精度高；(4)可重复复制，符合工业上大批量生产要求，制造成本相对较低等。主要制作步骤：在基地表面上沉积一层厚的光刻胶，针对X射线，通常选择的光刻胶材料是聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA），在X射线光刻过程中要采用掩膜。大部分掩膜的材料针对X射线是透明的，因此有必要在组织X射线穿过的区域覆盖金属膜。用于同样目的的薄掩膜一般采用厚度1~1.5μm的Si3N4。深层X射线光刻技术使得曝光区域的光胶层在随后的步骤中被溶解掉。此后，剩下的PMMA光刻胶构成了产品的外形。下一步是在PMMA光