微電子學概論Chap10

微機電系統(tǒng)引言信息系統(tǒng)微型化系統(tǒng)體積大大減小性能、可靠性大幅度上升功耗和價錢大幅度降低信息系統(tǒng)的目的：微型化和集成化微電子處理電子系統(tǒng)的微型化非電子系統(tǒng)成為整個系統(tǒng)進一步減少的關鍵機械傳感執(zhí)行部分控制部分電子學MEMS微電子學微機電系統(tǒng)/微電子機械系統(tǒng)Micro-Electro-MechanicalSystems微機械：Micro-machine微系統(tǒng)：Micro-SystemMEMS技術從廣義上講，MEMS是指集微型傳感器、微型執(zhí)行器、信號處置和控制電路、接口電路、通訊系統(tǒng)以及電源于一體的微型機電系統(tǒng)MEMS技術是一種多學科交叉的前沿性領域，它幾乎涉及到自然及工程科學的一切領域，如電子、機械、光學、物理學、化學、生物醫(yī)學、資料科學、能源科學等MEMS—微小型、智能、集成、高可靠MEMS是人類科技開展過程一次艱苦的技術整合微電子技術、精細加工技術、傳感器技術、執(zhí)行器技術微小型化、智能化、集成化、高可靠性MEMS可以完成真正意義上的微小型系統(tǒng)集成在芯片上實現(xiàn)了力、熱、磁、化學到電的轉(zhuǎn)變MEMS極大地改善了人類生活的質(zhì)量大批量、低本錢的傳感器消費方式給人們更多的維護MEMS將會帶動一個充溢活力的產(chǎn)業(yè)迅速生長不是鋼鐵、汽車、微電子，而是微系統(tǒng)A-公司消費的微加速度計MEMS芯片MEMS在航空、航天、汽車、生物醫(yī)學、環(huán)境監(jiān)控、軍事以及幾乎人們接觸到的一切領域中都有著非常寬廣的運用前景微慣性傳感器及微型慣性丈量組合能運用于制導、衛(wèi)星控制、汽車自動駕駛、汽車防撞氣囊、汽車防抱死系統(tǒng)(ABS)、穩(wěn)定控制和玩具微流量系統(tǒng)和微分析儀可用于微推進、傷員救護MEMS系統(tǒng)還可以用于醫(yī)療、高密度存儲和顯示、光譜分析、信息采集等等大尺寸機電系統(tǒng)無法完成的義務，如尖端直徑為5m的微型鑷子可以夾起一個紅細胞，可以在磁場中飛行的象蝴蝶大小的飛機等MEMS技術的運用空間運用用作運轉(zhuǎn)參數(shù)丈量的微加速度計已進展了地面輻照實驗，正在進展飛行搭載實驗微陀螺、微推進和微噴管等微系統(tǒng)根底研討通訊方面光通訊正在向有光交換功能的全光通訊網(wǎng)絡方向開展無線通訊那么要求加強功能〔如聯(lián)網(wǎng)等〕和減小功耗。包括美國朗訊公司在內(nèi)的一些公司和大學正在研討全光通訊網(wǎng)用的微系統(tǒng)及無線通訊譽射頻微系統(tǒng)MEMS技術的運用在生物醫(yī)學方面，將光、機、電、液、生化等部件集成在一同，構成一個微型芯片實驗室，用于臨床醫(yī)學檢測，為醫(yī)生甚至家庭提供簡單、廉價、準確和快捷的檢測手段光顯示、高密度存儲、汽車、國防等微系統(tǒng)MEMS技術的運用MEMS技術的運用美國提出的硅固態(tài)衛(wèi)星的概念圖，這個衛(wèi)星除了蓄電池外，全由硅片構成，直徑僅15cmMEMS技術的歷史微系統(tǒng)是從微傳感器開展而來的，已有幾次突破性的進展70年代微機械壓力傳感器產(chǎn)品問世80年代末研制出硅靜電微馬達90年代噴墨打印頭，硬盤讀寫頭、硅加速度計和數(shù)字微鏡器件等相繼規(guī)模化消費充分展現(xiàn)了微系統(tǒng)技術及其微系統(tǒng)的宏大運用前景靜電旋轉(zhuǎn)馬達原理MEMS技術MEMS用批量化的微電子技術制造出尺寸與集成電路大小相當?shù)姆请娮酉到y(tǒng)，實現(xiàn)電子系統(tǒng)和非電子系統(tǒng)的一體化集成從根本上處理信息系統(tǒng)的微型化問題實現(xiàn)許多以前無法實現(xiàn)的功能今天的MEMS與40年前的集成電路類似，MEMS對未來的社會開展將會產(chǎn)生什么影響目前還難以預料，但它是21世紀初一個新的產(chǎn)業(yè)增長點，那么是無可質(zhì)疑的研討領域?qū)嶋H根底：隨著MEMS尺寸的減少，有些宏觀的物理特性發(fā)生了改動，很多原來的實際根底都會發(fā)生變化，如力的尺寸效應、微構造的外表效應、微觀摩擦機理等等，微動力學微流膂力學微熱力學微摩擦學微光學微構造學研討領域技術根底：設計、工藝加工(高深寬比多層微構造)、微裝配工藝、微系統(tǒng)的丈量等。運用研討：如何運用這些MEMS系統(tǒng)也是一門非常重要的學問。人們不僅要開發(fā)各種制造MEMS的技術，更重要的是如何將MEMS器件用于實踐系統(tǒng)，并從中受害。MEMS的分類微傳感器：機械類：力學、力矩、加速度、速度、角速度(陀螺)、位置、流量傳感器磁學類：磁通計、磁場計熱學類：溫度計化學類：氣體成分、濕度、PH值和離子濃度傳感器生物學類：DNA芯片MEMS的分類微執(zhí)行器：微馬達、微齒輪、微泵、微閥門、微開關、微放射器、微揚聲器、微諧振器等微型構件：微膜、微梁、微探針、微齒輪、微彈簧、微腔、微溝道、微錐體、微軸、微連桿等微機械光學器件：微鏡陣列、微光掃描器、微光閥、微斬光器、微干涉儀、微光開關、微可變焦透鏡、微外腔激光器、光編碼器等MEMS的分類真空微電子器件：它是微電子技術、MEMS技術和真空電子學開展的產(chǎn)物，具有極快的開關速度、非常好的抗輻照才干和極佳的溫度特性。主要包括場發(fā)射顯示器、場發(fā)射照明器件、真空微電子毫米波器件、真空微電子傳感器等電力電子器件：包括利用MEMS技術制造的垂直導電型MOS(VMOS)器件、V型槽垂直導電型MOS(VVMOS)器件等各類高壓大電流器件MEMS制造工藝大機器加工小機器，小機器加工微機器微機械用微電子加工技術X光鑄模+壓塑技術(LIGA)從頂層向下從底層向上分子和原子級加工國防、航空航天、生物醫(yī)學、環(huán)境監(jiān)控、汽車都有廣泛運用MEMS微系統(tǒng)MEMS系統(tǒng)MEMS制造工藝大機械制造小機械，小機械制造微機械日本為代表LIGA工藝Lithograpie(光刻)、Galvanoformung(電鑄)Abformung(塑鑄)德國為代表硅微機械加工工藝：體硅工藝和外表犧牲層工藝美國為代表LIGA工藝硅MEMS工藝化學腐蝕高深寬比深槽刻蝕鍵合MEMS加工工藝：刻蝕得到的部分圖形體硅工藝外表犧牲層工藝外表犧牲層與CMOS工藝集成構造單獨制造，靈敏性較大靈敏度高、寄生小、體積小簡化封裝和組裝，可靠性高加工工藝復雜，廢品率較低工藝兼容的資料種類較少電路工藝與構造加工工藝交替進展先加工電路，后加工構造先加工機械構造，再加工電路幾種重要的MEMS器件MEMS器件慣性MEMS器件加速度計陀螺壓力傳感器光學MEMS器件微光開關微光學平臺微執(zhí)行器微噴微馬達生物MEMS器件其它加速度計壓阻式加速度計電容式加速度計壓電式加速度計慣性器件慣性器件電容式微加速度計光學MEMS器件定義OpticalTransducers，MOEMS,OpticalMEMS分類傳統(tǒng)的光傳感器、轉(zhuǎn)換器光傳感、成像、發(fā)光器件〔光電子〕利用光進展傳感的器件位置傳感器、光譜儀、DNA芯片利用微機械加工方法構成的器件傳統(tǒng)器件的新生命新型器件傳統(tǒng)的光傳感器光傳感方式成像系統(tǒng)(Imager)CCDCMOS發(fā)光系統(tǒng)LED半導體激光器等離子生物發(fā)光光調(diào)理器發(fā)光器件場發(fā)射〔FEDs〕未來的顯示設備(FPD)新器件——組件微鏡MirrorSupportStructureSubstrateHingesTorsionHinges1stDOF2ndDOFForce-redirectingLinkage各種光學元器件透鏡、波帶片、濾波器、光柵及各種致動機構新器件——組件微光學系統(tǒng)微光學任務臺〔MicroOpticalBench〕微型顯示陣列〔光調(diào)制器〕數(shù)字鏡面顯示〔DMD〕原理改動反射方向DMD——運用DMD——運用光開關微機械1X4光開關微機械1X8光開關

微機械22光開關微機械22光開關光開關光纖固定構造V形槽各種卡緊構造光柵及光柵光譜儀原理不同類型的光柵新器件——組件線性馬達弧形梳齒原理運用旋轉(zhuǎn)馬達原理美國噴氣推進實驗室(JPL)展現(xiàn)的采用MEMS技術的電阻電熱式微推進器樣機〔液體氣化方式〕。微推進器由薄膜加熱器、微型噴口等組成。其性能目的為：比沖75～125s，推力0.5mN，功率<5W，效率≥50%，質(zhì)量為幾克，大小為1cm2。微推進器美國噴氣推進實驗室(JPL)展現(xiàn)的采用MEMS技術的電阻電熱式微推進器樣機(固體升華方式)。微推進器由推進劑出貯箱、微閥、微過濾器、微型噴口等組成，微型噴口利用MEMS技術中的體硅工藝制造。其性能目的為：比沖50～75s，推力0.5mN，功率<2W/mN，質(zhì)量為幾克，大小為1cm2。微推進器美國TRW公司、航空航天公司和加州理工學院〔CIT〕組成的研討小組提出了一個“數(shù)字推進概念〞方案。硅片上有集成電路來開啟和控制每個微推進器。整個推進系統(tǒng)還可充任衛(wèi)星的散熱器，以進一步減小衛(wèi)星的有效載荷。制造方法可以用目前已成熟的MEMS及LIGA技術。圖為他們于99年初發(fā)表了3×5陣列的電阻電熱式微推進器樣機。微推進器組成:由5到6片芯片疊在一同，內(nèi)有混合熄滅室、噴口噴管、兩個泵和兩個閥以及冷卻管道的多器件集成系統(tǒng)。用液態(tài)氧和乙醇作燃料性能：能產(chǎn)生15N的推力，推力分量比達1500:1，是大火箭推進器的10~100倍，反映了微系統(tǒng)的潛力微推進器新概念的微型雙組元火箭發(fā)動機構造圖MEMS技術和DNA芯片采用微電子加工技術，可以在指甲蓋大小的硅片上制造出包含有多達10萬種DNA基因片段的芯片。利用這種芯片可以在極快的時間內(nèi)檢測或發(fā)現(xiàn)遺傳基因的變化等情況，這無疑對遺傳學研討、疾病診斷、疾病治療和預防、轉(zhuǎn)基因工程等具有極其重要的作用Stanford和Affymetrix公司的研討人員曾經(jīng)利用微電子技術在硅片或玻璃片上制造出了DNA芯片。包括6000余種DNA基因片段MEMS技術和DNA芯片ABCD結(jié)束語MEMS技術普通意義上的系統(tǒng)集成芯片