课程名称：微系统技术基础

教材： MEMS 和微系统 ---- 设计与制造 （徐泰然著 机械工业出版社 04 年 1 月第一版）

上课时间 : 每周 1 下午 6 、 7 、 8 学时

教室 : 力学二楼四层多媒体教室

实验时间 : 待定

实验地点 : 力学三楼二层和地下一层

授课教员 : 褚家如 教授 文鹤鸣 教授

朱学林博士

办公室地点 : 力学 3 楼 308, 302 室

电话 : 3607504, 3600214

电子邮件 : jrchu@ustc.edu.cn

主要参考书：

1 ． Fundamentals of Microfabrication, by M. Madou, CRC Press, 1997.

2 ． Micromachined Transducers Sourcebook, by Gregory T. A. Kovacs, McGraw-Hill Press, 1998.3. 微加工和微机械电子系统，江刺正喜 藤田博之 五十岚伊势美 和杉山进，培风馆， 1992 年。4.Methodology for the modeling and simulation of microsystems, by Bartlomiej F. Romanowicz, Kluwer Academic Publishers, 1998 5 ．微机械与微细加工技术，苑伟政 马柄和，西北工业大学出版社， 2000 年

有关的参考论文源：  1 ． Journal of Microelectromechanical Systems;2 ． Sensors and Actuators3 ． Journal of Micromechanics and Micrengineering4 ．  Applied Physics Letter5 ．  Journal of Vacuum Science and Technology B6 ．  Japanese Journal of Applied Physics7 ．  Review of Scientific Intruments8 ． Proceedings of IEEE Annual International workshop on Micro Electro Mechanical Systems (MEMS Workshop)9 ．  Digest of Technical Papers in International Conference on Solid State Sensors and Actuators (TRANSDUCERS)10 ． Proceedings of the International Workshop on Microfactories11 ． Proceedings of International Microprocesses and Nanotechnology Conference12 传感技术学报 ( 教育部 )13 微纳电子技术 ( 信息产业部电子 13 所主办 )14 压电与声光 ( 信息产业部电子 26 所主办 )１５　微细加工技术（４８研究所）16 光学精密工程 （精密机械学会）17 纳米技术与精密工程（天津大学）

1. 微系统技术的含意和特点

试作一个比较 : 生物或者超大规模集成电路是由大量微小单元构成的复杂系统，它们都具有十分复杂和高级的功能。而与它们相比，机械给人的印象则是粗大和功能单一。下表给出了生物、集成电路和机械系统的相互比较。从基本单元的尺寸来看，生物以分子作为单元在 nm 量级、集成电路在 um 量级，而机械在 mm 量级。

生物、集成电路和机械的比较

生物 集成电路 机械功能 高级 中等 低

单元数 ( 复杂程度 )

多 ( 极其复杂 ) 中 ( 复杂 ) 少 ( 简单 )

材料 蛋白质 单晶硅 金属等材料的组合

制造方法 自组装 集成组装、 ( 予组装 )( 串行加工、并行组

装

逐个依次组装( 平行加工、串行组装 )

形状 立体 平面 立体能量耗费 小 小 大

可靠性 自修复、冗长 无缺陷、容器内封装 低缺陷、润滑等其他 自然物体 / 柔

软人造物体

( 只有处理功能、设计和检查量大 )

人造物体

在微小尺寸范围，机械依其特征尺寸可以划分为 1-10mm 的小型机械， 1um-1mm 的微型机械以及 1nm-1um 的纳米机械。所谓微型机械从广义上来讲包含了微小型和纳米机械。

机械之机械之小小、微、纳？、微、纳？

微系统是指形体虽小，但是具有高级功能的微小机电光集成系统。 它通常包括传感器、驱动器和必要的电子线路等要素，以及它们的混合集成系统。微系统在国际上尚未有一个统一的名称。在美国这方面的研究是在半导体集成电路工艺的基础上延伸和发展开来的，故称为 MEMS ，这也是目前广泛使用的名称。在欧洲称为Microsystem Technology 即“微系统技术”，这一称谓更加强调系统的观点，即如何将多个微型化的传感器、执行器和处理电路集成为一个智能化的有机整体。在精密机械加工方面有传统优势的日本称为 Micromachine ，即“微型机械系统”或者“微型机械”。

信号传输和处理单元

传感器 致动器

微系统

能量供给

微传感元件 传输单元

能量供给

输出信号输入信号

MEMS微传感器

2. 典型 MEMS 和微系统产品

微传感器：　微加速度传感器、微压力传感器等（所占市场份额最大）

微齿轮

微马达

微光学器件

微制造系统

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【マイクロ旋盤】　旋盤は材料を回転させて様々な形状を削り出す生産機械です。マイクロファクトリ実現の可能性やその効果を実験的に調べるために、小さな旋盤を作り、性能や効果を調べました。　写真 1 が世界最小のマイクロ旋盤です。寸法は長さ 32mm 、奥行き 25mm 、高さ 30.5mm です。重量は 100g です。主軸を回すモータの定格動力は 1.5W で、乾電池４個（直流 6V ）で動きます。普通の旋盤と比較すると、大きさ約 1/50 、重さ約 1/5000 、モータの動力は 1/500 以下になります。　写真の一番左が刃物台で、バイト（切削工具）を固定します。主軸に材料を固定し、１分間に１万回転の速度で回転させます。そして、 X-Y 送り機構で切込みを与え、材料を削ります。小型化する上で特に工夫した点は、 X-Y 送り機構です。ここには圧電素子（電圧を加えると伸び縮みする性質を持ったセラミックス）を使用しています。

図 2 　世界最小のマイクロ旋盤

「微型加工系统」 制造微小部件所需要消耗的能量应该比制造大部件少才对。但是在现在的工厂里，即使是制造用镊子才能拿起来的微小部件也要用像人一样大的机器。由于这个原因，不仅加工系统本身搬运和安装需要很多能量，工厂整体消耗的动力也和制造大部件一样多。 如果加工系统的尺寸能根据被加工件的大小而改变，小的零件采用非常小的加工系统，则节约能源的效果是完全可以预期的。当加工系统的微小化得以实现的时候，整个工厂像下图所示安置在桌面上都是可能的 ( 节省空间 ) 。另外也不像建设大型工厂那样耗费材料 ( 节省资源 ) 。　

图 1 如果实现加工系统微型化那么整个工厂就可能摆在一张桌子上

                                                             

图 3 　マイクロ旋盤による加工例 图 4 　加工で消費されるエネルギー

【マイクロ化の効果】

　加工精度は生産機械にとって最も重要な性能の１つです。図 3 はマイクロ旋盤で実際に加工した材料です。左のシャープペンの芯と比較すると、細さがわかります。黄銅の最も細い部分の太さは 100μm （ 1μm は千分の 1mm ）で、髪の毛に近い太さです。そして、削った表面の凹凸（表面粗さ）は最大で約 1.5μm 、真円からのずれ（真円度）は約 2.5μm で、普通の旋盤とほぼ同じ精度で加工できました。　マイクロ化によって最も大きく現れたのは省エネルギー効果です。図 4 はマイクロ旋盤のモータの動力がどこで消費されているのかを表したものです。材料を削るために使われたエネルギーは全体の 5% 程度（ 0.07W ）です。普通旋盤では 1kW 以上のモータを使っていますから、 99.99% 以上が運転のための動力になります。　マイクロ旋盤は、加工精度を損なわずに、大幅な省エネルギー化が可能であることを示しました。そして、産業用ロボットや搬送装置が小型化すればマイクロファクトリが実現できます。マイクロファクトリでは、作る製品に応じて生産機械の配置を簡単に変えられます。また空調に必要なエネルギーも節約できます。ますます小型化する工業製品に対応した 21 世紀の工場の姿です。

3. 微系统技术的发展

加工技术加工技术

19 世纪 照相制版（ 1822年）1951年  光刻加工 (美国 RCA公司 )1954年 压阻效应1962年 晶格各向异性刻蚀1963年 半导体压力传感器 (丰田中央研究所 )1967年 牺牲层刻蚀 (美国西屋公司 )1968年 阳极接合 (美国Mallory公司 )1969年 搀杂浓度依存刻蚀

1979   年集成压力传感器 (Michigan大学 )(传感器 +集成电路 )

1981   年石英微机构 (日本横河电机 )1982  年 LIGA 工艺 (西德原子能研究所 )

(高宽比微细加工 )1987  年微小齿轮等 (加州大学伯克利分校、

贝尔研究所等 )1988  年静电微小马达 (加大伯克利 )

目前，美、日、德等国在微系统技术的研究与应用方面占据领先地位。美国很早就着手微系统技术的研究，尤其是斯坦福大学，在 20 世纪 60年代便利用硅片腐蚀技术制造了应用于医学的脑电极阵列的探针，后来在微型传感器方面取得成功。加州大学伯克利分校在微系统与微细加工方面发展最快，其静电电机的研究处于领先地位，在微器件、微机构的研究方面也取得了很大的进展。目前MIT、Caltec、威斯康星 -麦迪逊大学和康乃尔大学等在微系统研究上都取得了一定的成绩。

日本起步晚于美国，但是政府、学术界和产业界高度重视，东京大学、东北大学等单位相继开展了微细加工、微流量泵、微型传感器、微型继电器等方面的研究都取得了很快的进展。名古屋大学研制了直径为 6mm 、具有16 个爪的管道机器人。精工 Epson 公司研制的光诱导微型自行走机器人是一个机电光综合体，外形尺寸小于 1cm3 ，重量仅为 1.5g ，具有爬坡能力。

　　　德国的夫郎荷费固体工艺研究所的集成传感器被列入联邦研究技术部的第一重大项目，已研制成功振动和加速度传感器、微型麦克风、温度和流量传感器用的各种微型部件。德国在微细加工方面首创的ＬＩＧＡ工艺，即 X 光射线光刻、微电铸和微塑铸三种工艺的有机结合，可实现高深宽比的微结构制作。例如LIGA 工艺制作出的直径 80um 、厚度 140um 的微齿轮，可用于微系统的动力传输。

　　我国也积极开展了有关研究工作。上海冶金所开展了直径 400um 的多晶硅齿轮和气动蜗轮以及微静电电机的研究，最近还开始了特殊条件微加速度传感器、光开关的研究。长春光机所对微系统测试技术的研究取得了一定的进展。哈尔滨工业大学研制出的电致升缩陶瓷驱动的二自由度微小型机器人，位移范围为 10x10mm 。清华大学精密仪器系试制了多晶硅粱、微流泵与阀、微弹簧等微器件，其热致动微型泵的外形尺寸为 9x6x1mm ，输出流量可达 40uL/min 。上海交通大学开展了直流无刷微电磁电机的研制工作。中国科技大学开展了同步辐射 LIGA工艺研究、微观摩擦机理与微润滑技术研究、压电微传感器与驱动器和并行微小加工系统研究。

　　　我国的整体形势是面上正逐步铺开，深度也逐步深入，但是总体起步晚，由于技术基础薄弱和资金支持力度小等问题，在研究规模、技术水平上与先进国家相比尚有较大的差距。比如，在一年一度的 IEEE-MEMS 大会上发表论文的数量与欧美日，甚至韩国相比还有很大的差距。 2001 年度则只有从香港科技大学有 3篇投稿。 06 年有一篇文章来自中国大陆。

４．微系统和微电子的异同

--- 没有微电子技术的成熟与繁荣 就没有微系统技术的发展

---在设计、制造和封装上都有非常大的差异

见 p11表

5. 微系统技术的学科内容和微系统设计制造的多学科性质

微系统不是传统的机电光系统的直接微型化，而是基于广泛的现代科学技术，并作为整个微纳技术的重要组成部分的一项崭新学科领域。概括起来，目前微系统研究可以分为基础理论、技术基础及其应用研究三个组成部分。

理论基础

当尺寸缩小至一定范围时，许多物理现象与宏观世界有很大差别。在微观尺寸领域，与尺寸 L的高次方成比例的惯性力、电磁力 (L3) 等作用力相对减小，而与尺寸的低次方成比例的粘性力、弹性力 (L2) 、表面张力 (L1) 、静电力 (L0)的作用相对增大，同时表面积 (L2) 与体积 (L3) 之比增大，热传导、化学反应等加速和摩擦力显著增大。因此，许多宏观物理量进入微观尺度后甚至需要重新定义。相关学科，如微电子学、微机械学、微光学、微动力学、微流体力学、微热力学、微摩擦学、微结构学和微生物学等共同构成了微系统研究的理论基础。

技术基础 微系统涉及的基本技术主要有 : 微系统设计、微系统材料、微细加工、微装配和封接，微测量、微能源和微系统控制等。 微系统设计技术包括微系统机构设计、弹塑性有限元分析、 CAD/CAM技术、数据库技术、微系统建模与仿真等。微细加工技术是微系统的关键技术，目前常用的工艺方法包括起源于半导体 IC加工工艺的硅微细加工、微细电火花等特种精密微细加工、 LIGA技术、微组装技术等。微系统测量技术涉及到材料的机械性能、微构件或微系统参数与性能测试等，微型薄膜构件的弹性模量

应用研究 　微系统无疑在精密仪器、生物医学，特别是空间狭小、操作精度高

、功能高度集成的航空航天机载设备领域，有着巨大的应用潜力。随着静电微电机在美国的问世，微系统研究出现高潮，各种微驱动器微传感器和微控制器相继问世，并且各种机构趋于高度集成，逐渐形成功能较为完备的微机械电子光学系统，而整个系统的尺寸可以缩小到数 mm乃至数十 um 。国外一些有实力的大公司和研究机构对微系统的研究非常重视，已研制开发出许多有特色的产品。目前，微系统的研究已经从基础研究阶段逐步跨入研制开发与使用阶段。许多微传感器、微执行器以及微光学部件已经在某些行业获得应用。据介绍， 1995年微系统产品的销售额达到了 25亿欧洲货币单位， 2000年增加到约 100亿欧元。人们正在进一步着手研制重量仅仅 0.1Kg的微型惯性测量组合MIMU、纳米卫星 (Nanosatallite) 、微机器人 (Microrobot) 、微型飞行器 (MicroAirVehicle) 等新一代微系统产品的开发。同时，国外也正在从微机械电子系统 (MEMS)向微型机电光系统、微型化学生物反应和检测系统、微小制造系统和尺寸更微观的纳米电子机械系统等方向发展。

汽车和运输领域燃料喷射系统和安全系统等船舶和海洋领域

船舶保养系统、海洋净化微系统等

宇宙和航空领域卫星零部件，超小型飞行器和航空器发动机保养系统等

计量和分析领域超小型计量器械

和地球环境监侧系统等 产业和制造领域微型制造系统

和废弃物处理系统等

家电和信息机器领域超小型信息机器

和超小型办公机器等

应用医疗领域

精确施药系统、微手术和人工脏器等

福利和卫生领域老人在宅看互系统

和残疾人用触觉显示系统等

休闲生活领域游戏机、园艺用生物控制系统等

住宅和环境领域建筑和底下配管检查等

系统运用技术- 能源管理技术　 -通信技术

-控制技术　 -接口技术

电子线路技术

系统构成技术- 系统装配技术　 -配线、连接技术

- 多功能集成化、安装技术等系统化技术

器件技术微小机能单元技术

-位移器技术　 - 传感器技术- 运动机构技术功能结合技术

系统设计技术-热设计技术　 - 节能设计技术

-综合设计技术

基础技术

能源供给技术- 能源外部供给技术- 能源内部发生技术

评价技术- 机能评价技术

- 可靠性评价技术

设计技术--设计方法学

-计算机模拟　 -数据库

微观理工学- 微磨擦学　 - 微流体学　 - 微传热学

材料技术-新材料　 -材料评价法

加工技术-材料除去加工-材料附加加工

微系统技术的知识体系 多学科性质 :见 p13

６．微系统和小型化 具有以下几个基本特点 :

(1) 体积小、精度高、重量轻。其体积可小至亚微米以下，尺寸精度可高达纳米级，重量可轻至纳克；(2)   性能稳定，可靠性高。由于有些微系统器件的体积小，有些几乎不受热膨胀、噪声和饶曲等因素的影响，具有较高的抗干扰性，可在较差的情况下稳定工作 ;(3) 能耗低，灵敏性和工作效率高。完成相同的工作，微机械所消耗的能量仅为传统机械的十几分之一或几十分之一，而运作速度却可达其 10倍以上 ;(4) 多功能和智能化。许多微系统集成传感器、驱动器和电子控制电路等为一体，特别是应用智能材料和智能结构后，更利于实现微系统的多功能化和智能化。(5)) 适于大批量生产，制造成本低廉。微系统能够采用与半导体制造工艺类似的生产方法，像超大规模集成电路芯片一样，一次制成大量完全相同的零部件，制造成本比传统机械加工显著降低。

 

７． 微系统技术的重要性

（应用上） 随着现代科学技术的不断发展，以形状尺寸

微小、操作尺度极小为特征的微系统已经成为人们从微观角度认识和改造客观世界的一种高新技术。微系统在国防、医疗、仪器检测、材料等领域，尤其在活动空间狭小、操作精度要求高、功能要求高度集成的航空航天等领域，具有广泛的应用前景。

（学科上）　　 微系统不仅涉及到微电子学、微机械学、微光学、

微动力学、微流体力学、微热力学、材料学、物理学、化学和生物学等广泛的学科领域，而且涉及到材料、设计、制造、控制、能源直到检测、集成、封装等一系列技术环节。微系统技术的发展以上述学科和技术为基础，反过来也将带动相关学科和技术的发展。此外，微系统技术还有望成为研究纳米技术的重要手段和纳米技术产业化的桥梁。

　　　因此，微系统技术曾被列为 20世纪末 10 大关键技术之首，并受到工业发达国家的高度重视。如 : 欧洲的尤里卡计划明确提出将微系统技术作为一项重要内容，并在法德两国组织实施；美国国会也把微系统技术研究作为 21世纪重点研究的学科之一；日本通产省已于 1991 年启动一项为期十年的微机械研究计划。在我国，微机械与微细加工技术的研究也得到许多部门的重视，国防科工委已将微型惯性测量组合 MIMU等作为微系统研究的重点；国家科委、国家自然科学基金委员会也都将微机械与微细加工技术列为重点发展方向之一。

微系统技术作为 21 世纪产业技术的重要基础和重要支柱之一，必将对新世纪社会进步产生深远的影响，这是由其固有的优势决定的。首先，随着世界人口的增加和生活水平的提高，对地球自然资源的需求量越来越大，而自然资源的总量是有限的，因此如何节约利用资源成为人类面临的一大挑战，而以各种应用系统和加工系统的微小化为指向的智能微系统技术正是有效利用资源和空间的主要手段；在另外一个方面，环境问题日益严重，减少垃圾产生和垃圾无害化处理一样成为重要课题，而微系统技术的发展和应用在减少垃圾产生量方面的作用是极其重要的。

学习教材 p20-29： 汽车中的应用等

课后作业

p30：选择题、简述题 3 、 5、 6 、 10