微机电系统概论

主要内容1、微机电系统概论2、微机电系统功能材料3、微机械加工制造技术4、微机械执行器5、微机械传感器6、微机械弱信号检测与处理7、微机电系统设计技术8、微封装、微构件及微尺寸效应参考书莫锦秋梁庆华等，《微机电系统设计与制造》，化学工业出版社，2004.3刘广玉樊尚春等，《微机械电子系统及其应用》，北京航空航天大学出版社，2003.2（美）徐泰然著，王晓浩等译《MEMS和微系统—设计与制造》，机械工业出版社，2004.1梅涛伍小平主编，《微机电系统》，化学工业出版社，2003.1[德]W.MenzJ.Mohr等著，王春海于杰等译《微系统技术》，化学工业出版社，2003.9第一部分微机电系统概论（微机电系统的起源、国内外发展现状及应用）简介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。微机电系统的相关术语：MEMS(MicroelectromechanicalSystems)（美国）MicroMachine（日本）MicroSystemTechnology（欧洲）微机电系统的组成微机械电子系统(微机电系统)的组成：一般可定义为由微米和纳米加工技术制作而成的，融机、电、光、磁以及其他相关技术群为一体的，可以活动和控制的微工程系统。目前，人们泛称其为MEMS。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、自动化性能高的、可以活动和控制的、机电合一的微机械装置。用它进行的操作是极其微细的，有的操作已经到了单个细胞乃至分子范筹；有的微型敏感元件能敏感到单个原子，能进行原子量级的探测。如此细微的工作状况，用肉眼是不能分辨的，必须借助显微术或专用仪器来观察和控制。微机电系统的发展状况微机械电子系统，即微机械技术，是20世纪80年代后期国际上兴起的一项高技术。它以集成电路技术、表面加工技术和纳米精加工技术为基础，具有极大的学科交叉性，微机电系统的设计与制造涉及到设计、材料、制造、测试、控制、能源以及连接等相关技术。与传统机械系统相比，除在尺度上很小外，它还是一种高度智能化和高度集成化的系统。微机电系统的研究是制造技术上的一场革命，在21世纪的机械发展过程中将占有主导地位。微机械技术将是一项新兴的产业，会优先在生物、医疗、航空、航天、电子产品、过程控制及测试技术等领域获得广泛的应用。集成电路技术的发展半导体晶体管计算机上世纪末的微型计算机芯片国外的发展现状（1）美国国家科学基金、先进研究计划、国防部等投资1.4亿美元进行微机电系统技术研究。在军方资助下，完成了《微电子机械系统的军事应用》研究报告。主要研究方向：精密制导武器、灵巧武器、侦察通讯、破坏敌方指挥系统及战斗力、研制微型卫星及纳米卫星等。主要实用化成果：Park公司开发研制出用于扫描隧道显微镜（STM）和原子力显微镜（AFM）的微型传感器；Texas公司开发出用于彩色图像投影显示的数字镜面器件（DMD）；AD公司开发研制的加速度计，管芯尺寸为1.5mm*1.5mm，量程达50g，灵敏度为15mv/g等。国外的发展现状（2）欧共体成立了NEXUS（多功能微系统研究合作机构）组织；德国制定了微机械系统技术计划（1990～1995投资共40亿马克），20世纪80年代中期发展了一种LIGA（深度同步辐射X射线光刻、电镀和模铸）工艺，深化了平面加工技术，实现了高宽比大于200的三维立体结构的加工制造，被加工材料也扩展为金属、塑料和陶瓷。被公认为是一种最有发展前景的超微细加工方法。主要研究机构和实用化成果Karlsruhe核研究中心、微技术研究所（IMM）、Microparts公司等。已开发研制出微传感器、微电机、微执行器、集成光学和微光学元件、微型流量计以及直径为数百微米的金属双联齿轮等。国外的发展现状（3）日本制定了纳米制造计划（1985～1990年）、埃技术计划（1992～2001年计划投资1.85亿美元）、微机器人计划。计划生产两台微型机器人用于医学诊断（或微型手术）和飞机发动机（或原子能设备）的微小裂纹的维修诊断。现有MEMS研究机构60余个（企业占2／3），1990年成立了微机械中心（MMC）和微机械学会（MST）。每年举办一次MEMS国际研讨会。主要实用性成果利用电火花加工技术、IC技术和光成型技术加工出各种传感器和执行器，研制成功主要用于生物和医疗的微型机器人。有三本专著出版。国内的发展现状主要研究机构华北地区：清华大学、北京大学、中科院电子所、信息产业部13所、华北工学院微米纳米技术研究中心等。华东地区：中科院上海冶金所、上海交通大学、复旦大学、东南大学、浙江大学、上海大学、厦门大学等。东北地区：信息产业部49所、哈尔滨工业大学、中科院长春光机所、大连理工大学、沈阳仪器仪表工艺研究所等。西南地区：重庆大学、信息产业部24所、26所、44所等。西北地区：西安交通大学、航空618所、航天771所、航天16所等。国内的主要研究现状及成果清华大学广泛开展了多种微型传感器(微加速度计、微陀螺、微磁场计、微压力传感器、微流量传感器、微麦克风等)、微泵、微阀、微喷、微毛细管电泳仪、微光开关、RF-MEMS器件、微光谱仪、DNA芯片等的研究。其中，微加速度计和微泵正在准备生产；微毛细管电泳仪已经制成样机，可以用于药物分析和环境监测，具有广阔的市场前景，正在向市场化推进。清华大学于2000年6月发射成功进入700km太阳轨道的“航天清华一号”微小卫星，运行状况良好。其特点是质量轻(50kg)、体积小(0.07)、研制周期短(约1年)、成本低、功能密度高，体现了我国MEMS技术在微小卫星中的应用取得重大突破。3m北京大学微电子所北京大学微电子所以IC加工生产线为基础，开展了体硅工艺和表面工艺研究，已形成了较成熟的工艺技术，研制了硅微高加速度计、微化学传感器等，计划利用2年时间实现微型继电器、可调电容和微光学器件的小批量生产，已经得到环宇－青岛公司的资金投入。信息产业部13所信息产业部13所已经建成体硅加工的小批量制造基地，研制了微加速度计、微陀螺、红外隧穿传感器、微光器件等，“十五计划”期间，他们将发展重点放在航空航天和信息技术领域，准备开发微小卫星、惯性组件、RF—MEMS器件和光交换设备等。信息产业部49所信息产业部49所从20世纪80年代初就开始从事微传感器的相关研究，主要制造不同规格的微压力传感器、气敏／湿敏传感器、流量传感器等，并研制为武器装备配套的微加速度计中国科学院上海冶金所中国科学院上海冶金所研制了微加速度计、微陀螺、微压力传感器、微红外传感器阵列、微光器件等多种MEMS器件，作为首席专家单位主持973项目“集成微光机电系统”研究，并开展了微小卫星的研究。沈阳仪器仪表研究所沈阳仪表科学研究院（沈阳仪器仪表研究所）生产的微硅压力传感器系列、双向静压过载微差压传感器系列，市场需求量较大，已形成小规模生产能力。信息产业部24所信息产业部24所–重庆主要生产专用模拟集成电路，拥有各种IC生产线，他们从“九五”开始与重庆大学合作进行MEMS的研究，参与了微触觉传感器和生物芯片的生产。东南大学东南大学东南大学和国际风险投资资金合作成立有E-life公司，主要开发生产有自主知识产权的DNA分析芯片及其相配套的平台。这种高密度的芯片将被用来建立人口基因档案，为公安等部门服务。该芯片及其平台在医院中可以代替传统的基因检测方法，具有速度快、成本低的优点。目前，E-life公司正在与医院进行联合研究，可望形成较大的产值。东南大学还研制了硅微加速度计和陀螺等。中北大学（华北工学院）微米纳米技术研究中心主要从事微机械加速度计、微陀螺和微惯性测量组合的应用系统研究，正在开展军用和民用的惯性系统、新型的单兵作战系统以及道路、桥梁的监测系统等方面的研究工作。浙江大学浙江大学研制的纳米碳管、微透镜阵列、蛋白质生物芯片比较成熟，可望投入生产。另外他们也很重视设备的研制，可以向市场提供反应离子束蚀刻机、双元STM纳米检测仪。他们还研制了硅微加速度计、微陀螺、微真空计、微高度计等。重庆大学重庆大学研究了微加速度阵列、光压力传感器、触觉传感器、细胞流变学测量仪、微型光谱仪等。中国科学院电子所中国科学院电子所开发了微气敏传感器、微波功率传感器、谐振式和真空微电子压力传感器、微pH传感器等。他们的另一个研究重点是微生物传感器和微分析系统，正在研究微芯片PCR扩增仪、CE微型毛细管电泳仪、DNA微型检测仪等。中国科学院合肥智能机械研究所中国科学院合肥智能机械研究所从1989年起就开始进行微机械加工技术研究，以MEMS技术为主要实现手段，以研制生物医学、航天等领域的微型传感器与微型机器人系统为目标，研究微传感器、微执行器与微系统。研究了硅各向异性腐蚀工艺、电化学掺杂选择腐蚀工艺、硅—硅静电键合工艺，研制了硅微力传感器、微结构气敏阵列传感器、集成化硅触觉阵列传感器、微型三维力传感器、表面微加工转速传感器、无线驱动体内微机器人等。目前正在研制爆炸物探测微阵列、微型六维力探针、柔性触觉传感器、能够进入人体肠胃进行检查的微机器人等微机电系统。哈尔滨工业大学主要研究机构航天学院MEMS中心、机器人研究所MEMS研究组、机电工程学院微机电研究室、机械制造及其自动化MEMS研究组等。微机电系统的特征尺寸微小是微机电系统的基本特征当尺寸小到微米或亚微米量级时，会产生微尺寸效应。它的影响将反映到诸如结构材料、设计理论、制造方法、在微小范围内各种能量的相关作用及测量技术等许多方面。也就是说，工程上常用的尺寸缩放法不适用于由微尺寸元器件组成的微装置；因而，传统的设计理论、方法及一些物理定律不能完全套用，许多理念需要更新和重新建立，必须从新的构思出发去探索微机械由于尺寸效应形成的一些特殊现象和规律。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。2、微尺寸效应对于元器件机械强度的影响随着元器件尺寸的减小，元器件材料内部缺陷出现的可能性减小，因而元器件材料的机械强度会增加。所以微型元器件的弹性模量、抗拉强度、疲劳强度及残余应力均与大零件有所不同。3、微尺寸效应对于元器件惯性和热容量的影响由于微尺寸效应，导致微机电系统的惯性小、热容量低，容易获得高灵敏度和快速响应。4、微尺寸效应对于元器件信号检测的影响由于微尺寸效应，导致微机电系统的前端装置（如微传感器）的输出信号十分微小，传统的测量工具和仪器难以实现如此微弱信号的检测，必须创造新的测量设备。5、微尺寸效应对于元器件设计方法的影响微机电系统尺度的缩小，集成化程度的提高．会导致工序增多，成本增高；所以应在试制前对整个微机电系统的器件、工艺及性能进行模拟分析，对各种参数进行优化，以保证微系统的设计合理、正确，降低研制成本，缩短研制周期。显然，传统的设计方法(基本上为试凑法)巳难以满足上述新要求，必须寻求新的设计途径。其中最流行的设计方法就是微机电系统的计算机辅助设计(MEMSCAD)。运用MEMSCAD，除了借鉴已有的机械CAD和电子工具外，还必须针对特定的微系统，开发专用的CAD建模软件。该研究方向有大量的工作要做。微机电系统的材料微机电系统常用材料传统的机电系统，用得最多的是金属材料，采用传统的机械制造工艺制作而成；而微机电系统最常用的则是硅及其化合物材料。以及特种合金、石英、塑料和陶瓷等。