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微机电系统 Micro-Electro-Mechanical Systems 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 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5?m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 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 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 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 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 MEMS器件 惯性MEMS器件 加