微机电系统

北京大学

引 言

信息系统微型化

系统体积大大减小

性能、可靠性大幅度上升

功耗和价格大幅度降低

信息系统的目标：微型化和集成化

微电子解决电子系统的微型化

非电子系统成为整个系统进一步缩小的关键

机械

部分

传感

执行

控制部分

电子学

MEMS

微电子学

微机电系统/微电子机械系统

Micro-Electro-Mechanical Systems

微机械：Micro-machine

微系统：Micro-System

MEMS技术

从广义上讲，MEMS是指集微型传感器、微型执行器、信号处理和控制电路、接口电路、通信系统以及电源于一体的微型机电系统

MEMS技术是一种多学科交叉的前沿性领域，它几乎涉及到自然及工程科学的所有领域，如电子、机械、光学、物理学、化学、生物医学、材料科学、能源科学等

MEMS — 微小型、智能、集成、高可靠

MEMS是人类科技发展过程一次重大的技术整合

微电子技术、精密加工技术、传感器技术、执行器技术

微小型化、智能化、集成化、高可靠性

MEMS能够完成真正意义上的微小型系统集成

在芯片上实现了力、热、磁、化学到电的转变

MEMS极大地改善了人类生活的质量

大批量、低成本的传感器生产方式给人们更多的保护

MEMS将会带动一个充满活力的产业迅速成长

不是钢铁、汽车、微电子，而是微系统

ADI公司生产的微加速度计MEMS芯片

MEMS在航空、航天、汽车、生物医学、环境监控、军事以及几乎人们接触到的所有领域中都有着十分广阔的应用前景

微惯性传感器及微型惯性测量组合能应用于制导、卫星控制、汽车自动驾驶、汽车防撞气囊、汽车防抱死系统(ABS)、稳定控制和玩具

微流量系统和微分析仪可用于微推进、伤员救护

MEMS系统还可以用于医疗、高密度存储和显示、光谱分析、信息采集等等

已经制造出尖端直径为5m的可以夹起一个红细胞的微型镊子，可以在磁场中飞行的象蝴蝶大小的飞机等

MEMS技术的应用

MEMS技术的应用

空间应用

用作运行参数测量的微加速度计已进行了地面辐照实验，正在进行飞行搭载实验

微陀螺、微推进和微喷管等微系统基础研究

通信方面

光通信正在向有光交换功能的全光通信网络方向发展

无线通信则要求增强功能（如联网等）和减小功耗。包括美国朗讯公司在内的一些公司和大学正在研究全光通信网用的微系统及无线通信用射频微系统

MEMS技术的应用

在生物医学方面，将光、机、电、液、生化等部件集成在一起，构成一个微型芯片实验室，用于临床医学检测，为医生甚至家庭提供简单、廉价、准确和快捷的检测手段

光显示、高密度存储、汽车、国防等微系统

MEMS技术的应用

美国提出的硅固态卫星的概念图，这个卫星除了蓄电池外，

全由硅片构成，直径仅15cm

MEMS技术的历史

微系统是从微传感器发展而来的，已有几次突破性的进展

70年代微机械压力传感器产品问世

80年代末研制出硅静电微马达

90年代喷墨打印头，硬盘读写头、硅加速度计和数字微镜器件等相继规模化生产

充分展示了微系统技术及其微系统的巨大应用前景

静电

旋转马达

原理

MEMS技术

MEMS用批量化的微电子技术制造出尺寸与集成电路大小相当的非电子系统，实现电子系统和非电子系统的一体化集成

从根本上解决信息系统的微型化问题

实现许多以前无法实现的功能

今天的MEMS与40年前的集成电路类似，MEMS对未来的社会发展将会产生什么影响目前还难以预料，但它是21世纪初一个新的产业增长点，则是无可质疑的

研究领域

理论基础：随着MEMS尺寸的缩小，有些宏观的物理特性发生了改变，很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、微观摩擦机理等等，

微动力学

微流体力学

微热力学

微摩擦学

微光学

微结构学

研究领域

技术基础：设计、工艺加工(高深宽比多层

微结构)、微装配工艺、微系统的测量等。

应用研究：如何应用这些MEMS系统也是

一门非常重要的学问。人们不仅要开发各

种制造MEMS的技术，更重要的是如何将

MEMS器件用于实际系统，并从中受益。

MEMS的分类

微传感器：

机械类：力学、力矩、加速度、速度、角速度(陀螺)、位置、流量传感器

磁学类：磁通计、磁场计

热学类：温度计

化学类：气体成分、湿度、PH值和离子浓度传感器

生物学类：DNA芯片

MEMS的分类

微执行器：微马达、微齿轮、微泵、微阀门、微开关、微喷射器、微扬声器、微谐振器等

微型构件：微膜、微梁、微探针、微齿轮、微弹簧、微腔、微沟道、微锥体、微轴、微连杆等

微机械光学器件：微镜阵列、微光扫描器、微光阀、微斩光器、微干涉仪、微光开关、微可变焦透镜、微外腔激光器、光编码器等

MEMS的分类

真空微电子器件：它是微电子技术、MEMS技术和真空电子学发展的产物，具有极快的开关速度、非常好的抗辐照能力和极佳的温度特性。主要包括场发射显示器、场发射照明器件、真空微电子毫米波器件、真空微电子传感器等

电力电子器件：包括利用MEMS技术制作的垂直导电型MOS(VMOS)器件、V型槽垂直导电型MOS(VVMOS)器件等各类高压大电流器件

MEMS制造工艺

大机器加工小机器，小机器加工微机器

微机械

用微电子加工技术

X光铸模+压

塑技术(LIGA)

从顶层向下

从底层向上

分子和原子级加工

国防、航空航天、生物医学、环境监控、汽车都有广泛应用

MEMS

微系统 MEMS系统

MEMS制造工艺

大机械制造小机械，小机械制造微机械

日本为代表

LIGA工艺

Lithograpie(光刻)、Galvanoformung(电铸)

Abformung(塑铸)

德国为代表

硅微机械加工工艺：体硅工艺和表面牺牲层工艺

美国为代表

LIGA工艺

硅MEMS工艺

化学腐蚀

高深宽比深槽刻蚀

键合

MEMS加工工艺：刻蚀得到的部分图形

体硅工艺

表面牺牲层工艺

表面牺牲层与CMOS工艺集成

结构单独制造，灵活性较大

灵敏度高、寄生小、体积小

简化封装和组装，可靠性高

加工工艺复杂，成品率较低

工艺兼容的材料种类较少

电路工艺与结构加工工艺交替进行

先加工电路，后加工结构

先加工机械结构，再加工电路

几种重要的MEMS器件

MEMS器件

惯性MEMS器件 加速度计

陀螺

压力传感器

光学MEMS器件 微光开关

微光学平台

微执行器 微喷

微马达

生物MEMS器件

其它

加速度计

压阻式加速度计

电容式加速度计

压电式加速度计

惯性器件

三种加速度计的特性比较

技术指标 电容式 压电式 压阻式

阻抗 高 高 低

电负载影响 非常大 大 小

尺寸 大 小 中等

温度范围 非常宽 宽 中等

线形度误差 高 中等 低

直流响应 有 无 有

交流响应 宽 宽 稍宽

有无阻尼 有 无 有

灵敏度 高 中等 中等

冲击造成的零位漂移 无 有 无

旋转或无需校准功能 有 无 有

电路复杂程度 高 中等 低

成本 高 高 低

交叉轴敏感度 主要取决于机械设计，而非转导作用

惯性器件

电容式微加速度计

光学MEMS器件 定义

Optical Transducers，MOEMS, Optical MEMS

分类

传统的光传感器、转换器

光传感、成像、发光器件（光电子）

利用光进行传感的器件

位置传感器、光谱仪、DNA芯片

利用微机械加工方法形成的器件

传统器件的新生命

新型器件

传统的光传感器

光传感方式

成像系统(Imager)

CCD

CMOS

发光系统

LED

半导体激光器

等离子

生物发光

光调节器

发光器件

场发射（FEDs）

未来的显示设备(FPD)

新器件——组件

微镜

Mirror

Support

Structure

Substrate

Hinges

Torsion

Hinges

1st DOF 2nd DOF

Force-redirecting Linkage

各种光学元器件

透镜、波带片、滤波器、光栅及各种致动机构

新器件——组件

微光学系统

微光学工作台（Micro Optical Bench）

微型显示阵列（光调制器）

数字镜面显示（DMD）

原理

改变反射方向

DMD——应用

DMD——应用

光开关

微机械1X4光开关 微机械1X8光开关

微机械22光开关 微机械2 2光开关

光开关

光纤固定结构

V形槽

各种卡紧结构

光栅及光栅光谱仪

原理

不同类型的光栅

新器件——组件

线性马达

弧形梳齿

原理

应用

静电

静电

旋转马达

原理

美国喷气推进实验室(JPL) 展 示 的 采 用MEMS技术的电阻电热式微推进器样机（液体气化方式）。微推进器由薄膜加热器、微型喷口等组成。其性能目标为：比冲75～125s，推力0.5mN，功率 <5W，效率≥50%，质量为几克，大小为1cm2。

微推进器

美国喷气推进实验室(JPL)展示的采用MEMS技术的电阻电热式微推进器样机(固体升华方式)。微推进器由推进剂出贮箱、微阀、微过滤器、微型喷口等组成，微型喷口利用MEMS技术中的体硅工艺制作。其性能目标为：比冲50～75s，推力0.5mN，功率 <2W/mN，质量为几克，大小为1cm2。

微推进器

美国TRW公司、航空航天公司和加州理工学院（CIT）组成的研究小组提出了一个“数字推进概念”方案。硅片上有集成电

路来开启和控制每个微推进器。整个推进系统还可充当卫星的散热器，以进一步减小卫星的有效载荷。制作方法可以 用 目 前 已 成 熟 的MEMS及LIGA技术。图为他们于99年初发表了3×5阵列的电阻电热式微推进器样机。

微推进器

新概念的微型双组元火箭发动机结构图

组成: 由5到6片芯

片叠在一起，内有混合

燃烧室、喷口喷管、两

个泵和两个阀以及冷却

管道的多器件集成系统

。用液态氧和乙醇作燃

料

性能：能产生15N的

推力，推力重量比达

1500:1，是大火箭推进

器的10~100倍，反映了

微系统的潜力

微推进器

MEMS技术和DNA芯片

采用微电子加工技术，可以在指甲盖大小的硅片上制作出包含有多达10万种DNA基因片段的

芯片。利用这种芯片可以在极快的时间内检测或发现遗传基因的变化等情况，这无疑对遗传学研究、疾病诊断、疾病治疗和预防、转基因工程等具有极其重要的作用

Stanford和Affymetrix公司的研究人员已经利用微电子技术在硅片或玻璃片上制作出了DNA

芯片。包括6000余种DNA基因片段

MEMS技术和DNA芯片

A B C D

MEMS技术和DNA芯片

MEMS技术和DNA芯片

结 束 语

MEMS技术及其产品的增长速度非常之高，并且目前正处在加速发展时期

MEMS技术

MEMS技术

一般意义上的系统集成芯片

广义上的系统集成芯片

电、光、声、热、磁力等外界信号的采集—各种传感器

执行器、显示器等

信息输入与模 /数传输

信息处理

信息输出与数 /模转换

信息存储

The system-on-a-chip of the future?

微电子器件、纳电子器件、自旋电子器件、

光电子器件、MEMS器件

微电子 纳电子 宏电子

MEMS

作 业

1、MEMS工艺与微电 子工

艺技术有哪些区别。

2、列举几种你所知道的

MEMS器件，并简述其

用途。