MEMS关键技术及其应用.doc

东 北 石 油 大 学课程学习报告课 程 测控新技术 题 目 MEMS技术及其应用 院 系 电气信息工程学院 专业班级 测控10-2班 学生姓名 学生学号 上课教师 赵志华 路敬祎 12 月 20 日东北石油大学课程报告任务书课程 测控新技术题目 MEMS技术及其应用报告重要内容1MEMS、新型A/D或可编程器件技术概述；2MEMS、新型A/D或可编程器件详细实现技术；3MEMS、新型A/D或可编程器件技术在某一种方面应用；4自己对这些技术应用特色、前景综述和展望报告基本规定1对所讨论理论和技术综述完整、合理，在某一方面详细应用应当与有关技术特点有密切联系；2可选取三种技术中其中任意一种或两种技术进行研究，对该技术基本理论、详细技术发展历史、现状和发展前景进行讨论，规定必要有自己综述看法和讨论；3论文格式严格按样板规定完毕，规定图文规范，其中规定必要要有清晰图件。论文报告不少于6000字。重要参照资料1 丁衡高微型机电系统研究文集. 北京：清华大学出版社，2 郝永平，刘凤丽，刘世明MEMS设计模仿与仿真系统应用 M北京：国防工业出版社，.1:27403 严利人微电子制造技术概论M北京：清华大学出版社，.3:87904 孙以材，庞冬青微电子机械加工系统(MEMS)技术基本 M北京：冶金工业出版社，.3，13195 雷茨RF MEMS理论设计技术M东南大学出版社，12：1519完毕期限 12月 20日 上课教师 赵志华 路敬祎 专业负责人 曹广华 12 月 20 日东北石油大学课程成绩评价表课程名称测控新技术题目名称MEMS技术及其应用报告评语：成绩评估上课教师： 赵志华 路敬祎 12 月 10 日目录第一章 MEMS技术概述11.1 微机电系统（MEMS）定义及构成11.1.1微机电系统（MEMS）尺寸11.2 微机电系统（MEMS）发展史11.3 微机电系统（MEMS）理论基本21.4 微机电系统（MEMS）特点及前景21.4.1 MEMS特点21.4.2 MEMS应用前景2第二章 MEMS研究现状与发展方向32.1 微机电系统（MEMS）器件32.2 微机电系统（MEMS）详细应用领域4第三章 MEMS技术在非制冷红外探测器中应用53.1微机械红外热电堆探测器53.2热释电非制冷红外探测器5总结7参照文献8MEMS技术及其应用摘 要MEMS技术是采用微制造技术，在一种公共硅片基本上整合了传感器、机械元件、致动器（actuator）与电子元件。微电子机械系统,它属于多学科交叉新领域，是融合微电子与精密机械加工技术，指毫米级下可控制、可移动微型机电装置，是集微型机构、传感器信号解决、控制等功能于一体、具备信息获取、解决和执行等多功能系统。可以预见,MEMS发展对科学技术和人类生活产生革命性影响,并可望形成类似于微电子新产业。本文详细简介了MEMS技术概念、尺寸、特点及发展史，从而对MEMS技术有了初步理解。随后又简介了该技术相应产品、技术分类和它应用前景。MEMS技术是测控行业新技术，但其有着非常辽阔前景，并且被越来越多产品所接受。研究了当前其应用比较成功例子非制冷红外探测器，简介了红外热电堆探测器工作原理，展示了微机械红外热电堆芯片基本构造，并将封闭构造和悬梁构造两种构造进行分析对比，分析各自优劣之处。本文还简介了此外一种比较成功例子热释电非制冷红外探测器，分析了热释电非制冷红外探测器工作原理，针对实际状况，提高其工作敏捷度办法。核心词：MEMS技术，微型机械，智能系统，非制冷红外探测器，热释电非制冷红外探测器前 言MEMS是英文Micro Electro Mechanical systems缩写，即微电子机械系统。微电子机械系统（MEMS）技术是建立在微米/纳米技术（micro/nanotechnology）基本上21世纪前沿技术，是指对微米/纳米材料进行设计、加工、制造、测量和控制技术。它可将机械构件、光学系统、驱动部件、电控系统集成为一种整体单元微型系统。这种 微电子机械系统不但可以采集、解决与发送信息或指令，还可以按照所获取信息自主地或依照外部指令采用行动。它用微电子技术和微加工技术相结合制造工艺，制造出各种性能优秀、价格低廉、微型化传感器、执行器、驱动器和微系统。 微电子机械系统（MEMS）是近年来发展起来一种新型多学科交叉技术，该技术将对将来人类生活产生革命性影响。它涉及机械、电子、化学、物理、光学、生物、材料等多学科。MEMS有诸多应用，并被越来越多产品所接纳。MEMS某些常用应用领域涉及汽车、生物技术与医疗，以及消费电子产品。MEMS还用于大量声波双工器（Bulk Acoustic Wave duplexer）与滤波器、麦克风、MEMS自动聚焦致动器、压力感测器、MEMS微微型投影仪，甚至MEMS陀螺仪。第一章 MEMS技术概述MEMS在许多方面具备老式机电技术所不具备优势，涉及质量和尺寸普遍减小、可实现大批量生产、低生产成本和能源消耗、易制成大规模和多模式阵列等。MEMS 研究重要内容涉及微传感器、微执行器和各类微系统，当前已成为世界各国投入大量资金研究热点。MEMS普通会被看作是一种系统单晶片（SoC），它让智能型产品得以开发，并得以进入诸多次级市场，为涉及汽车、保健、手机、生物技术、消费性产品等各领域提供解决方案。1.1 微机电系统（MEMS）定义及构成微电子机械系统（Micro Electro Mechanical System），简称MEMS，是在微电子技术基本上发展起来集微型机械、微传感器、微执行器、信号解决、智能控制于一体一项新兴科学领域。普通来说，MEMS是指可以采用微电子批量加工工艺制造，集微型机构、微型传感器、微型致动器（执行器）以及信号解决和控制电路，直至接口、通讯和电源等部件於一体微型系统。普通，MEMS重要包括微型传感器、执行器和相应解决电路三某些。微机电系统制造工艺重要有集成电路工艺、微米/纳米制造工艺、小机械工艺和其她特种加工工种。1.1.1微机电系统（MEMS）尺寸在微小尺寸范畴内，机械依其特徵尺寸可以划分为1-10毫米小型(Mini-)机械，1微米-1毫米微型机械以及1纳米-1微米机械。所谓微型机械从广义上包括了微小型和纳米机械，但并非单纯微小化，而是指可批量制作集微型机构，微型感测器，微型执行器以及接口信号解决和控制电路、通讯和电源等于一体微电子机械系统。1.2 微机电系统（MEMS）发展史自1947年Schockley、Bardeen和Brattain创造晶体管以来，微电子技术有了突飞猛进发展。1953年，Charles S. Smith研究了半导体压阻效应。Kulite公司于1970年和1976年，分别引入了各向同性和各向异性腐蚀技术。国家半导体公司于1974年将大批量生产压力传感器推向市场。1982年，“微机械”这一名词应运而生。这时，体硅微机械加工技术已成为制作微机械器件有效手段1。1985年，牺牲层技术被引入微机械加工，“表面”微机械加工概念由此产生2。1987年，U. C. Berkeley运用微机械加工技术制作出了世界上第一种微静电马达，掀开了微机械发展新一页。1987-1988年间，一系列关于微机械和微动力学学术会议召开，MEMS一词在这些会议中被广泛采纳并徐徐成为一种世界性学术用语。1993年，ADI公司成功地将微型加速度计商品化，并大批量应用于汽车防撞气囊，标志着MEMS技术商品化开端。由于 MEMS 具备划时代意义，世界各国都极为关注其发展，在人力和物力两方面均予以了强有力支持。据关于机构记录，MEMS研发活动最积极国家和地区依次为美国、德国、日本、斯堪纳维亚地区、法国、中华人民共和国、韩国、英国、瑞典和中华人民共和国台湾地区。 国内非常注重MEMS传感器研究和发展工作，并且起步较早。国家自然科学基金委组织立项起步于1989年，中华人民共和国科学院于1991年确立重点研究项目。1993年和1994年，国家基金委、国家科委先后拟定MEMS为重点项目和重大项目。自1993年终起，国防科工委投入数千万元用于“九五”期间微型机械研究工作，并且建立了两个微加工基地和一种项目研究中心。为了进一步完善这一学科,使其更多更快地为人类服务，除摸索新技术，新工艺以外，各国科学家们还在积极努力从事MEMS基本理论研究，涉及对微流体力学，微机械磨擦和其她有关理论研究，并建立一套以便，快捷分析与设计系统。1.3 微机电系统（MEMS）理论基本当尺寸缩小到一定范畴时，许多物理现象和宏观世界有很大差别。力尺寸效应和表面效应在微观领域也许起重要作用。在微小尺寸领域，与特性尺寸L高次方成比例惯性力、电磁力等作用相对减小，而与尺寸低次方成比例粘性力、弹性力、表面张力、静电力等作用相对增大。这也是微型系统常以静电力、表面张力作为驱动力因素。随着尺寸减小，表面积与体积之比相对增大。因而热传导、化学反映等速度加快，表面间摩擦阻力明显增大3。因而，在微观尺度下力学、热力学、微流体力学、微摩擦学、微机械学和微光学等基本理论研究显得尤为重要。1.4 微机电系统（MEMS）特点及前景1.4.1 MEMS特点Badler 使用300各种球体表达人体外形。体模型办法表达人体运动状况时，虽然计算简朴以便，所内存较少，但无法表达表面局部变化，逼真度不够。在新近研究中，浮现了一种分层虚拟人表达办法。该办法综合了实体建模和曲面建模长处，可以满足不同层次逼真性规定。在这样一种分层表达模型中，一种虚拟人模型由基本骨架、肌肉层和皮肤层，有时也加入一层服饰层，表达虚拟人头发、服饰等人体装饰物品。其中基本骨架由关节拟定其状态，决定了人体基本姿态。肌肉层拟定了人体各部位变形，皮肤变形受肌肉层影响，最后由皮肤层拟定虚拟人显示外观。这种人体建模办法体现了人生理构造，可以逼真地模仿人体运动时皮肤变形。1.4.2 MEMS应用前景当前MEMS已从实验室摸索走向产业化轨道，据美国MCNC(北卡罗来纳心)MEMS技术应用中心预测，当前MEMS业界年增长率是10%20%， 有高于80亿美元MEMS潜在市场。MEMS市场达到400亿美元。从MEMS市场角度来看，MEMS原材料市场规模是3.85亿美元，这些是与MEMS产品和半导体产品直接有关。到会翻一番CAGR可以达到15%。器件市场规模是53亿美元，在可以达到100亿美元。更重要是，但愿人们看看MEMS系统，它将是采用了MEMS产品最后电子产品，到，其规模将达到950亿美元。MEMS在国防、医疗、仪器检测、材料等领域，特别是活动空间狭小、操作精度规定高、功能需要高度集成航空航天等领域，具备辽阔应用前景，被以为是一项面向21世纪可以广泛应用新兴技术。第二章 MEMS研究现状与发展方向2.1 微机电系统（MEMS）器件1微机械压力传感器微机械压力传感器是最早开始研制微机械产品，也是微机械技术中最成熟、最早开始产业化产品。从信号检测方式来看，微机械压力传感器分为压阻式和电容式两类，分别以体微机械加工技术和牺牲层技术为基本制造。从敏感膜构造来看，有圆形、方形、矩形、E形等各种构造。当前，压阻式压力传感器精度可达 0.050.01,年稳定性达0.1/F.S,温度误差为0.0002,耐压可达几百兆帕,过压保护范畴可达传感器量程20倍以上,并能进行大范畴下全温补偿1。现阶段微机械压力传感器重要发展方向有如下方面。 将敏感元件与信号解决、校准、补偿、微控制器等进行单片集成，研制智能化压力传感器。进一步提高压力传感器敏捷度，实现低量程微压传感器。提高工作温度，研制高低温压力传感器，开发谐振式压力传感器。微机械谐振式压力传感器除了具备普通微传感器长处外，还具备准数字信号输出，抗干扰能力强，辨别力和测量精度高长处。硅微谐振式传感器勉励/检测方式有电磁勉励/ 电磁拾振、静电勉励/电容拾振、逆压电勉励/压电拾振、电热勉励/压敏电阻拾振和光热勉励/光信号拾振。其中，电热勉励/压敏电阻拾振微谐振式压力传感器价格低廉，与工业IC技术兼容，可将敏感元件与信号调理电路集成在1块芯片上，具备诱人应用前景。2微加速度传感器硅微加速度传感器是继微压力传感器之后第二个进入市场微机械传感器。其重要类型有压阻式、电容式、力平衡式和谐振式。其中最具备吸引力是力平衡加速度计，其典型产品是Kuehnel等人在1994年报道AGXL50型，其构造涉及4个某些：质量块、检测电容、力平衡执行器和信号解决电路，集成制作在3mm3mm硅片上，其中机械某些采用表面微机械工艺制作，电路某些采用BiCMOSIC技术制作。 3微机械陀螺角速度普通是用陀螺仪来进行测量。老式陀螺仪是运用高速转动物体具备保持其角动量特性来测量角速度。这种陀螺仪精度很高，但它构造复杂，使用寿命短，成本高，普通仅用于导航方面，而难以在普通运动控制系统中应用。事实上，如果不是受成本限制，角速度传感器可在诸如汽车牵引控制系统、摄象机稳定系统、医用仪器、军事仪器、运动机械、计算机惯性鼠标、军事等领域有广泛应用前景。4微流量传感器。 微流量传感器不但外形尺寸小，能达到很低测量量级，并且死区容量小，响应时间短，适合于微流体精密测量和控制。当前国内外研究微流量传感器根据工作原理可分为热式（涉及热传导式和热飞行时间式）、机械式和谐振式3种。清华大学精密仪器系设计阀片式微流量传感器通过阀片将流量转换为梁表面弯曲应力，再由集成在阀片上压敏电桥检测出流量信号4。该传感器芯片尺寸为3.5mm3.5mm,在10ml200ml/min气体流量下,线性度优于5。 4微气体传感器 依照制作材料不同，微气敏传感器分为硅基气敏传感器和硅微气敏传感器。其中前者以硅为衬底，敏感层为非硅材料，是当前微气敏传感器主流。微气体传感器可满足人们对气敏传感器集成化、智能化、多功能化等规定。例如许多气敏传感器敏感性能和工作温度密切有关，因而要同步制作加热元件和温度探测元件，以监测和控制温度。MEMS技术很容易将气敏元件和温度探测元件制作在一起，保证气体传感器优良性能发挥。5 微机械温度传感器 微机械传感器与老式传感器相比，具备体积小、重量轻特点，其固有热容量仅为108J/K1015J/K，使其在温度测量方面具备老式温度传感器不可比拟优势。我所开发了1种硅/二氧化硅双层微悬臂梁温度传感器。基于硅和二氧化硅两种材料热膨胀系数差别，不同温度下梁挠度不同，其形变可通过位于梁根部压敏电桥来检测。其非线性误差为0.9，迟滞误差为0.45，重复性误差为1.63，精度为1.9。6其她微机械传感器运用微机械加工技术还可以实现其她各种传感器，例如瑞士Chalmers大学PeterE等人设计谐振式流体密度传感器，浙江大学研制力平衡微机械真空传感器，中科院合肥智能所研制振梁式微机械力敏传感器等。2.2 微机电系统（MEMS）详细应用领域MEMS可以广泛地应用于国防、工业、航空航天、生物、医学等行业，详细应用领域有：生物医学领域： 在此领域内已开发出对细胞进行操作许多微机械，如微物件操作台、微夹钳等，还可运用植入式机器人对人体内脏和血管进行送药、诊断和手术等操作。 流体控制领域： 运用微型阀、微型泵进行流量元素分析、微流量测量和控制。资讯仪器领域： 运用扫描隧道显微镜STM可将1M bit资讯储存在1平方微米晶片上。此外，微磁头、微打印头可以完毕信息输入、输出及传播工作。航空航天领域：运用微型传感器和微型仪器，监测石油输送状况。微型卫星和小卫星在此领域也完毕了许多情报收集工作。微机器人：微机器人是微系统最典型应用。在许多特殊场合，例如在人难以接近或不能接近空间中，可以用微机器人来完毕人工作，如狭小空间中机器人。美国已研制成功用于汽车防撞和节油微机电系统加速度表和传感器，可提高汽车安全性，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汽油费。微机电系统在航空航天系统应用可大大节约费用，提高系统灵活性，并将导致航空航天系统变革。例如，一种微型惯性测量装置样机，尺度为2厘米2厘米0.5厘米，重5克。在军事应用方面，美国国防部高档研究筹划局正在进行把微机电系统应用于个人导航用小型惯性测量装置、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、环境与安全监测用分布式无人值守传感等方面研究。该局已演示以微机电系统为基本制造加速度表，它能承受火炮发射时产生近10.5个重力加速度冲击力，可觉得非制导弹药提供一种经济制导系统。设想中微机电系统军事应用尚有：化学战剂报警器、敌我辨认装置、机灵蒙皮、分布式战场传感器网络等。第三章 MEMS技术在非制冷红外探测器中应用近年来，MEMS技术得到了迅速发展，将其应用于非制冷红外探测器有了比较成功例子，为既有单元器件小型化和高密度阵列集成开辟了一条新途径。3.1微机械红外热电堆探测器红外热电堆探测器工作原理为塞贝克效应(Seebeckeffect)。早先红外热电堆探测器是运用掩膜真空镀膜办法，将热电偶材料沉积到塑料或陶瓷衬底上获得，但器件尺寸较大，且不易批量生产5。随着MEMS技术应用，浮现了微机械红外热电堆探测器。KDWise等人，最先运用MEMS技术于20世纪80年代初制造获得了硅基红外热电堆探测器。3.2热释电非制冷红外探测器热释电探测器工作原理为热电晶体热释电效应。由于热释电探测器性能随着热量下降而减少，因此良好热绝缘构造是制作高性能热释电探测器核心。最早采用绝缘技术，是把热释电红外探测器或阵列通过可塑性金属(如In)台面与Si信号解决电路对接，但In热绝缘性能很差，不利于制作高性能大面积集成热释电红外焦平面阵列。当前多采用MEMS技术制作桥式构造或者悬浮膜式构造来改进感应单元热乡这样当红外光照射时，每个感应单元可以获得一种相对大温度升高值，相应地提高了探测器敏捷度。总结微机电系统（MEMS）是在微电子技术基本上结合精密机械技术发展起来一种新科学技术领域，微机电系统是一种独立智能系统。本文重要研究是MEMS技术详细实现以及其在非制冷红外探测器中应用。简介了该技术特点、有关产品以及详细应用实例原理。总结全文内容，有如下结论.MEMS器件体积小、重量轻、耗能低，便于集成，批量生产可大大减少生产成本。MEMS应用领域十分广泛，涉及信息、生物、医疗、环保、电子、机械、航空、航天、军事等等。它不但可形成新产业，还能通过产品性能提高、成本减少，有力地改造老式产业。MEMS已有成功应用实例，具备相称不错开发前景。MEMS已在咱们今天常生活中各种应用中扎下根基。其普及重要动力来自于成本低与体积小，从而可以做出更小、更轻和更便宜最后产品。但在MEMS前方并非一片光明。一项挑战是封装问题，由于MEMS器件多样性以及每个要暴露不同环境。封装加上测试，很容易就会将成本增长一倍。在不影响产品性能状况下，研究出原则化和更便宜封装已成为MEMS设计重要关注目的。在今天地球上，MEMS制造商投入了大量研发力量，试图加强自己在封装制程中地位，为各种新设备开发新专用封装。 参照文献1 丁衡高微型机电系统研究文集. 北京：清华大学出版社，2 郝永平，刘凤丽，刘世明MEMS设计模仿与仿真系统应用 M北京：国防工业出版社，.1:27403 严利人微电子制造技术概论M北京：清华大学出版社，.3:87904 孙以材，庞冬青微电子机械加工系统(MEMS)技术基本 M北京：冶金工业出版社，.3，13195 雷茨RF MEMS理论设计技术M东南大学出版社，12：1519