微机电系统

机械电子工程学院专业选修课程机械电子工程学院专业选修课程

Micro-Electro-Mechanical-System(MEMS)Micro-Electro-Mechanical-System(MEMS)

教材教材

参考书籍参考书籍•微系统技术，微系统技术， [[ 德德 ]W.Menz]W.Menz 著，王春海等译，著，王春海等译，化学工业出版社，化学工业出版社， 2003 2003

•半导体制造技术，半导体制造技术， [[ 美美 ]Michael Quirk & Julian ]Michael Quirk & Julian SerdaSerda 著，韩郑生等译，电子工业出版社，著，韩郑生等译，电子工业出版社， 2003 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—— 课 时—— 32 hours32 hours上课时间——第上课时间——第 99 周周 -- 第第 1616 周周 周一周一 10:20AM10:20AM ，主楼东，主楼东 Room401Room401 周三周三 10:20AM10:20AM ，主楼东，主楼东 Room219Room219考试方式——闭卷考试方式——闭卷考分比例——期末考试考分比例——期末考试 70%70% 不设中期考试不设中期考试 平时作业与出勤 平时作业与出勤 30%30%

课程安排课程安排

授课内容授课内容微机电系统（微机电系统（ MEMSMEMS ）概论）概论 (2 hours)(2 hours)MEMSMEMS 的理论基础知识的理论基础知识 (2 hours)(2 hours)集成电路基本制造技术集成电路基本制造技术 (8 hours)(8 hours)MEMSMEMS 的制造技术的制造技术 (6 hours)(6 hours)微传感器微传感器 (6 hours)(6 hours)微执行器微执行器 (6 hours)(6 hours)MEMSMEMS 的封装与检测的封装与检测 (2 hours)(2 hours)

第一章第一章微机电系统（微机电系统（ MEMSMEMS ）概）概

论论

第一章第一章微机电系统（微机电系统（ MEMSMEMS ）概）概

论论内容提要内容提要

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、一、 MEMSMEMS 的形成与发展的形成与发展11 、、 MEMSMEMS 的形成基础的形成基础

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、计算机技术交叉机械电子学——机械学、电子学、计算机技术交叉MEMS——MEMS—— 机机 // 电电 // 磁 磁 // 光光 // 声声 // 热热 // 液液 // 气气 // 生生 // 化等多学化等多学科交叉科交叉

学科交叉的产物

22 、、 MEMSMEMS 的特点的特点

MEMS 的特点•以以实现新功能、特殊性能特殊性能为前沿目标•微米量级空间里实现机电功能，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、高可靠性等高可靠性等）•采用微加工，形成类似采用微加工，形成类似 ICIC 的批量制造、低成本、低消耗特的批量制造、低成本、低消耗特征征

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

33 、、 MEMSMEMS 的发展的发展

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

2020 世纪世纪 6060 年代年代 -- ，集成电路制造工艺，，集成电路制造工艺， CDCD 目前已达目前已达 45n45nmm ，在，在 1mm1mm22 内有若干个内有若干个 GG 以上容量的单元电路以上容量的单元电路体微加工、深槽加工技术发展，形成体微加工、深槽加工技术发展，形成 MEMSMEMS 制造技术。制造技术。典型代表： 德国典型代表： 德国 LIGA LIGA 技术技术

•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、二、 MEMSMEMS 设计的基本问题设计的基本问题

工程技术的三要素工程技术的三要素

时 间 过 程

衣 食

住 行

精 神信 息

能 量

物 质

生 活需 求供 给

MEMSMEMS 目前阶段关键要素：材料、工艺、结构目前阶段关键要素：材料、工艺、结构

要求——要求——高性能高性能 // 智能化智能化 // 高效率高效率 // 低成本低成本 // 高可高可靠性靠性方法——设计中必须考虑方法——设计中必须考虑

MEMSMEMS 设计要求和设计基本思想设计要求和设计基本思想

分系统设计层次分系统设计层次按信息流程按信息流程建立统一物理特征参量建立统一物理特征参量

按系统设计层次考虑设计按系统设计层次考虑设计功能功能———— MEMSMEMS 主功能含变换、传输、存储三方面。主功能含变换、传输、存储三方面。为便于研究、分析、设计为便于研究、分析、设计…………层次层次——分系统、子系统、元件（元素）三层次。子——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系统和元件（元素）之间必须平稳可靠地输入 // 输出输出物质、能量、信息物质、能量、信息………… 接口接口————

硬接口硬接口———— 以硬件形式。分零接口以硬件形式。分零接口 // 主动接口主动接口 //被动接口被动接口 // 智能接口智能接口软接口软接口——对信息进行平稳的传递、变换、调整。——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、例如平稳地输入输出规格、标准、程序、法律、符号等。符号等。

按信息、物质、能量流程考虑设计按信息、物质、能量流程考虑设计

信息流程、能量流程的概念信息流程、能量流程的概念智能化的作用、内部构造、信息流程（见书）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建立统一的物理特征参量

作用作用——对机、电、磁、热、流、光等不同物理现象——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作统一方法的描述，从而纳入统一模型中进行分析原理原理——各物理分支特征参量关系均遵从阻量、容量、——各物理分支特征参量关系均遵从阻量、容量、惯量（感量）作用的相似规律惯量（感量）作用的相似规律方法方法——都参照于同一概念的物理特征参量——电描——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述，因其分析方法较为成熟方便

阻量 ＝势能变化 阻量 ＝势能变化 / / 速度、电流或流量的变化 速度、电流或流量的变化 容量 ＝质量或位移变化容量 ＝质量或位移变化 / / 势能变化 势能变化 惯量 ＝势能变化惯量 ＝势能变化 / / 流量（速度或电流）每秒的变流量（速度或电流）每秒的变化化

三、三、 MEMSMEMS 的制造方法概述的制造方法概述

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

11 、在、在 ICIC 加工平台上发展的工艺加工平台上发展的工艺 体微加工技术体微加工技术

湿法加工（化学）湿法加工（化学） 原理：局部区域化的电解电池作用。原理：局部区域化的电解电池作用。特点：质量控制难，特点：质量控制难，对腐蚀对腐蚀速度及腐蚀结构质量的影响因素多速度及腐蚀结构质量的影响因素多干法加工（物理干法加工（物理 // 化学）化学）原理：离子轰击、腐蚀分子与硅衬底表面反应原理：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行自动化操作，设备与工艺成本高等混合加工法混合加工法先进性在于制造新的微结构装置，如波导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高深宽比批量复制微加工技术

LIGA= XLIGA= X射线光刻射线光刻 ++ 电铸制模电铸制模 ++注塑复制注塑复制 德文德文 lilithograph thograph ggalvanformung und alvanformung und aabformugbformug 特点：特点：深度可达数百至 1000μm ， 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技术

表面微加工是在基体上连续淀积结构层、牺牲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。硅、二氧化硅、氮化硅、磷硅玻璃等。

22 、非、非 ICIC 工艺工艺

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

33 、封装（键合、封装、检测）、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 本章重点难点

重点：重点：微机电系统的发展过程、实际意义微机电系统的发展过程、实际意义与典型应用与典型应用 难点：难点： MEMSMEMS 比宏观机电系统优越的基比宏观机电系统优越的基本原理，结合尺度效应理解；本原理，结合尺度效应理解； MEMSMEMS 发展发展与加工技术的关系。与加工技术的关系。 作业：作业：教材第教材第 368368 页第页第 11 题题

本章学习要求本章学习要求

• 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。