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(jiǎn)介MEMS技術(shù)應(yīng)用微機(jī)械制造技術(shù)MEMS器件,MEMS簡(jiǎn)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(gè)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(dòng)蝸輪及聯(lián)接件等微型機(jī)構(gòu)相繼問(wèn)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(dòng)結(jié)構(gòu)并與集成電路兼容制造微小系統(tǒng)的潛力，在國(guó)際上引起轟動(dòng)，科幻小說(shuō)中描述把自己變成小昆蟲(chóng)鉆到別人的居室或心臟中去的場(chǎng)景將要成為現(xiàn)

5、實(shí)展現(xiàn)在人們面前。同時(shí)，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(jì)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(mén)科學(xué)。,世界上第一個(gè)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(lái)的，它不僅具有集成電路系統(tǒng)的許多優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)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(wú)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(cè)、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(cè)量組合在汽車自動(dòng)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?lái)控制碰撞時(shí)安全氣囊防護(hù)系統(tǒng)的施用* 在汽車?yán)镒鳛橥勇輥?lái)測(cè)定汽車傾斜，控制動(dòng)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?jī)H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(gè)范例。對(duì)小衛(wèi)星試驗(yàn)來(lái)說(shuō)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(wèn)題。小衛(wèi)星上基于硅的 RF開(kāi)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(gè)在海上應(yīng)用的實(shí)例 ,MEMS引信 /保險(xiǎn)和引爆半導(dǎo)體,微電子,集成電路,IC,工藝,設(shè)計(jì),器件,封裝,測(cè)試, F/SA 裝置已成功地用于潛艇魚(yú)雷對(duì)抗武器上。引信 /保險(xiǎn)和引爆裝置的工作包括 3個(gè)獨(dú)立步驟:發(fā)射魚(yú)雷后 ,解除炸藥保險(xiǎn)、引爆 引信 和防止在不正確時(shí)間爆炸 保險(xiǎn) 。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(gè)數(shù)量級(jí) ,可安裝在 15. 88 cm的魚(yú)雷上 ,這是其他方法做不到的 .,在軍事上的應(yīng)用,國(guó)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(guó)FMU2159/ B 硬目標(biāo)侵徹靈巧引信及加速度計(jì),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(guó)際會(huì)議上已有人正式提出研制全硅衛(wèi)星的概念 。即整個(gè)衛(wèi)星由硅太陽(yáng)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(gè)衛(wèi)星的質(zhì)量縮小到以 kg計(jì)算 ,從而使衛(wèi)星的成本大幅度降低 。,美國(guó)提出的硅固態(tài)衛(wèi)星的概念圖，這個(gè)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(duì)體內(nèi)的五臟六腑進(jìn)行直接有效的監(jiān)測(cè) 。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(cè)和清除人體內(nèi)的癌細(xì)胞 ,進(jìn)行視網(wǎng)膜開(kāi)刀時(shí) ,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(dòng)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(dòng)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(xiǎn)。

12、 同微電子,集成電路,IC,工藝,設(shè)計(jì),器件,封裝,測(cè)試,MEMS時(shí) ,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(jì)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(zhǎng)壽命帶來(lái)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(jiǎn)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(wú)線監(jiān)視儀、影像分析處理軟件等組成。,,工作時(shí)間：8小時(shí)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(wú)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(dòng)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(shí)對(duì)經(jīng)過(guò)的腔段連續(xù)攝像，并以數(shù)字信號(hào)傳輸圖像給病人體外攜帶的圖像記錄儀進(jìn)行存儲(chǔ)記錄，工作時(shí)間達(dá)6～8小時(shí)，在智能膠囊吞服8～72小時(shí)后就會(huì)隨糞便排出體外。醫(yī)生通過(guò)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(gè)消化道的情況，從而對(duì)病情做出診斷。,影像工作站,優(yōu)點(diǎn):操作簡(jiǎn)單:整個(gè)檢查僅為吞服膠囊、記錄與回放觀察三個(gè)過(guò)程。醫(yī)生只需在回放觀察過(guò)程中，通過(guò)拍攝到的圖片即可對(duì)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(duì)人體無(wú)毒、無(wú)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(wú)須麻醉、無(wú)須住院，行動(dòng)自由，不耽誤正常的工作和生活。,這個(gè)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(guò)程，同時(shí)還能檢測(cè)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(lái)越被人們看好。按照CSII治療方法，糖尿病患者連接一個(gè)可編程的注射泵，注射泵與一個(gè)貯液器相連，胰島素就從這個(gè)貯液器輸注到人體皮下組織內(nèi)

17、，在一天的輸液過(guò)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(lái)作投影顯示器（DMD）。圖示為美國(guó)TI公司研制的DMD，它通過(guò)可以旋轉(zhuǎn)?10?的扭轉(zhuǎn)鏡來(lái)完成投影顯示的。微鏡通過(guò)支撐柱和扭轉(zhuǎn)梁懸于基片上，每個(gè)微鏡下都有驅(qū)動(dòng)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(lái)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(lái)的理論基礎(chǔ)都會(huì)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(duì)微動(dòng)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(jì)、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(cè)量等。應(yīng)用研究：如何應(yīng)用這些MEMS系統(tǒng)也是一門(mén)非常重要的學(xué)問(wèn)。人們不僅要開(kāi)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(kāi)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(kāi)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(guó)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(guó)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(dòng)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(chǎng)的作用下加速飛向基片的過(guò)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(chǎng)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(guò)程中受到磁場(chǎng)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(chǎng)的作用下圍繞靶面作圓周運(yùn)動(dòng)，該電子的運(yùn)動(dòng)路徑很長(zhǎng)，在運(yùn)動(dòng)過(guò)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(guò)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