第一章 微机电系统(MEMS)概论.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,微机电系统,机械电子工程学院专业选修课程,Micro-Electro-Mechanical-System(MEMS),微机电系统,教材,参考书籍,微系统技术，,德,W.Menz,著，王春海等译，,化学工业出版社，,2003,半导体制造技术，,美,Michael Quirk&Julian,Serda,著，韩郑生等译，电子工业出版社，,2003,刘晓明,朱钟淦,.,微机电系统设计与制造,国防工业出版社,2006,课 时,32 hours,上课时间,第,9,周,-,第,16,周,周一,10:20AM,，,主楼东,Room401,周三,10:20AM,，,主楼东,Room219,考试方式,闭卷,考分比例,期末考试,70%,不设中期考试,平时作业与出勤,30%,课程安排,授课内容,微机电系统（,MEMS,）,概论,(2 hours),MEMS,的理论基础知识,(2 hours),集成电路基本制造技术,(8 hours),MEMS,的制造技术,(6 hours),微传感器,(6 hours),微执行器,(6 hours),MEMS,的封装与检测,(2 hours),第一章,微机电系统（,MEMS,）,概论,内容提要,MEMS,的基本概念，与宏观机电系统的对比特征,MEMS,技术的发展过程与大致技术现状,MEMS,典型产品的应用,一、,MEMS,的,形成与发展,1,、,MEMS,的形成基础,与机械电子学的关系,不是简单的提升,基本组成相同,机械电子学,机械学、电子学、计算机技术交叉,MEMS,机,/,电,/,磁,/,光,/,声,/,热,/,液,/,气,/,生,/,化等多学科交叉,学科交叉的产物,2,、,MEMS,的特点,MEMS,的特点,以,实现新功能、,特殊性能,为前沿目标,微米量级空间里实现机电功能，,提升已有性能（包括微型化、集成化、,高可靠性等,）,采用微加工，形成类似,IC,的批量制造、低成本、低消耗特征,MEMS,的内涵,“微”,尺度效应的作用,“机电”,拓展向更多物理量的融合,“系统水平、实际应用现状,3,、,MEMS,的发展,MEMS,发展的重要标志,制作水平方面,微马达（静电）,应用水平方面,Lab-on-a-Chip,、,微飞行器、微机器人,MEMS,与,NEMS,的关系,20,世纪,60,年代,-,，集成电路制造工艺，,CD,目前已达,45nm,，,在,1mm,2,内有若干个,G,以上容量的单元电路,体微加工、深槽加工技术发展，形成,MEMS,制造技术。典型代表：德国,LIGA,技术,生物微马达,生物工程操作,碳纳米管,概念延伸、,MEMS,工艺为基础、对象向生物化学扩展,二、,MEMS,设计的基本问题,工程技术的三要素,MEMS,目前阶段关键要素：材料、工艺结构,要求,高性能,/,智能化,/,高效率,/,低成本,/,高可靠性,方法,设计中必须考虑,MEMS,设计要求和设计基本思想,分系统设计层次,按信息流程,建立统一物理特征参量,按系统设计层次考虑设计,功能,MEMS,主功能含变换、传输、存储三方面。为便于研究、分析、设计,层次,分系统、子系统、元件（元素）三层次。子系统和元件（元素）之间必须平稳可靠地输入,/,输出物质、能量、信息,接口,硬接口,以硬件形式。分零接口,/,主动接口,/,被动接口,/,智能接口,软接口,对信息进行平稳的传递、变换、调整。例如平稳地输入输出规格、标准、程序、法律、符号等。,按信息、物质、能量流程考虑设计,信息流程、能量流程的概念,智能化的作用、内部构造、信息流程（见书）,建立统一的物理特征参量,作用,对机、电、磁、热、流、光等不同物理现象作统一方法的描述，从而纳入统一模型中进行分析,原理,各物理分支特征参量关系均遵从阻量、容量、惯量（感量）作用的相似规律,方法,都参照于同一概念的物理特征参量,电描述，因其分析方法较为成熟方便,阻量 势能变化,/,速度、电流或流量的变化,容量 质量或位移变化,/,势能变化,惯量 势能变化,/,流量（速度或电流）每秒的变化,三、,MEMS,的,制造方法概述,MEMS,与,IC,工艺追求不同,从二维到“假三维”、“真三维”,以,IC,平台发展起来为主，非,IC,工艺日渐丰富,1,、在,IC,加工平台上发展的工艺,体微加工技术,湿法加工（化学）,原理：局部区域化的电解电池作用。,特点：质量控制难，,对腐蚀,速度及腐蚀结构质量的影响因素多,干法加工（物理,/,化学）,原理：离子轰击、腐蚀分子与硅衬底表面反应,特点：分辨率高，各向异性腐蚀能力强，腐蚀选择比大，能进行自动化操作，设备与工艺成本高等,混合加工法,先进性在于制造新的微结构装置，如波导,高深宽比批量复制微加工技术,LIGA=X,射线光刻,+,电铸制模,+,注塑复制,德文,li,thograph,g,alvanformung,und,a,bformug,特点：,深度可达数百至,1000m,，,高宽比大于,200,侧壁平行线偏离在亚微米范围内,利用微电铸和微塑铸可大规模生产,DEM,技术,=,深层刻蚀（,Deepetching,）,+,微电铸（,Electroforming,）,+,微复制工艺,(,Microreplication,),专为,MEMS,的,LIGA,系工艺（,LIGA/,准,LIGA/DEM,）,表面微加工技术,表面微加工是在基体上连续淀积结构层、牺牲层和图形加工制备微器件。其应用材料为多晶硅、二氧化硅、氮化硅、磷硅玻璃等。,2,、非,IC,工艺,特点,可实现二维半、真三维加工,与超精密机械加工互相借鉴，具有更广应用范围,与,IC,兼容性问题不利于目前在,MEMS,中的应用，需要解决,微细电火花,约束化学加工,激光微加工,微注塑、模压加工,激光微固化等,3,、,封装（键合、封装、检测）,键合,基本原理,是封装的主要手段,封装对于,IC,、,MEMS,的重要性,本章重点难点,重点：,微机电系统的发展过程、实际意义与典型应用,难点：,MEMS,比宏观机电系统优越的基本原理，结合尺度效应理解；,MEMS,发展与加工技术的关系。,作业：,教材第,368,页第,1,题,本章学习要求,理解,MEMS,的基本概念，明确其与宏观机电系统的对比特征。,了解,MEMS,技术的发展过程与大致技术现状。,了解,MEMS,在军事、汽车、医学等重要领域中的应用，特别是一些典型产品。,