第讲微纳机电系统与应用.pdf

第七章 微/纳机电系统与应用 7.1 微纳机电系统（MEMS/NEMS）背景概述…………………………4 7.1.1 MEMS 定义…………………………………………………5 7.1.2 MEMS 基本特点……………………………………………6 7.1.3 纳机电系统(NEMS)………………………………………6 7.1.4 MEMS/NEMS 的影响与现状………………………………7 7.2 硅基MEMS 加工技术………………………………………………9 7.2.1 表面牺牲层工艺…………………………………………9 7.2.2 体硅加工工艺……………………………………………13 7.3 纳米加工技术……………………………………………………21 7.3.1 纳米光刻技术 …………………………………………21 7.3.2 纳米压印技术……………………………………………23 7.3.3 侧墙工艺…………………………………………………23 7.3.4 基于氧等离子体轰击光刻胶的纳米结构森林加工技术24 7.3.5 纳米球自组装及刻蚀技术 ……………………………24 7.4 MEMS 的分类及应用 ……………………………………………25 7.4.1 微型力学传感器…………………………………………25 7.4.2 光学MEMS…………………………………………………33 7.4.3 微流控系统(Microfluidics)…………………………39 7.4.4 微纳生物传感器/生物芯片/BioMEMS…………………44 7.4.5 微米纳技术在系统中的综合应用………………………48 7.5 射频MEMS （RF MEMS）…………………………………………51 7.5.1 微机械开关/继电器……………………………………52 7.5.2 微机械电感……………………………………………55 7.5.3 可调电容………………………………………………56 7.5.4 微机械谐振器和滤波器………………………………57 7.6 微能源系统（Power MEMS）……………………………………60 7.6.1 微型能量产生系统(power generator)………………62 7.6.2 微型能量采集(power harvesting)系统………………68 7.6.3 微型振动式发电机………………………………………69 7.7 环境MEMS ………………………………………………………74 7.7.1 大气环境监测……………………………………………76 7.7.2 水环境监测……………………………………………78 7.7.3 土壤环境监测……………………………………………80 7.7.4 致病因子监测……………………………………………80 7.8 展望 ……………………………………………………………81 致谢…………………………………………………………………82 参考文献 ……………………………………………………………83 1 7.1 微机电系统（MEMS）背景概述 [1] 1965 年，英特尔公司的摩尔提出了集成电路中著名的摩尔定律（Moore’s Law ） 。 时至今日，该定律依然成立[2-3] 。2004 年，英特尔公司实现了特征尺寸为 90nm 的 CMOS 工业化技术，正式宣告集成电路进入纳电子时代（100nm ）。22nm 特征尺寸的电路与系 统已在实验性生产中可以实现，32-22nm 特征尺寸的芯片已证明即将投入大生产。微纳电 子技术的发展推动着以计算机为代表的电子产品不断更新换代。以 CPU 为例，1971 年问 世的第一代 CPU 4004 仅包含 2300 个晶体管；而英特尔公司 2006 年推出的双核 Itanium 2