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1、课程内容第一章 绪言（2）第二章 半导体制造技术（64）第三章 硅微加工技术（62）第四章 光刻技术（32）第五章 LIGA技术（3）第六章 微机械装配与集成（32）第七章 典型微机械系统装置（4）第八章 MEMS制造设备（3）考试：开卷考试80%+平时20%（包括作业）考试：考试70%+课堂10%+作业20%（包括试验）第一章主要内容MEMS的基本概念及其特点MEMS的发展概况MEMS的应用领域MEMS工艺的基本概念MEMS工艺的国内外情况及发展趋势 微机电系统（微机电系统（MEMS）的定义）的定义什么是MEMS微机电系统（MEMS）是指用微机械加工技术制作的包括微传感器、微致动器、微能源等
2、微机械基本部分以及高性能的电子集成线路组成的微机电器件与装置。各个国家不同的定义美国：微型机电系统美国：微型机电系统MEMS: Micro electro mechanical system日本：微日本：微机械机械Micro machine欧洲：微系统欧洲：微系统Micro system什么是微型机电系统例如：1、汽车安全气囊2、煤气报警器 3、声光控开关 MEMS中的核心元件一般包含两类：一个传感或致动元件和一个信号传输单元。下图说明了在传感器中两类元件的功能关系。为什么要学习MEMS？主要特点器件微型化、集成化、尺寸达到微米数量级功能多样化、智能化功能特殊性能耗低、灵敏度高、工作效率高ME
3、MS与传统机械有什么区别？微尺寸效应表面与界面效应量子尺寸效应加工方式第一章主要内容MEMS的基本概念及其特点MEMS的发展概况MEMS的应用领域MEMS工艺的基本概念MEMS工艺的国内外情况及发展趋势 MEMS的国内外概况MEMS发展历史回顾1947年：发明晶体管-技术基础压力传感器：54年：Si、Ge压阻效应66年：机械研磨做硅腔70年：各向同性腐蚀硅腔76年：KOH 腐蚀，MEMS加工手段80年代：集成式压力传感器目前：新机理压力传感器82年：美国U.C. Bekeley，表面牺牲层技术 微型静电马达成功 MEMS进入新纪元 九十年代初九十年代初ADI的气囊加速度计实现产业化的气囊加速度
4、计实现产业化90年代中：ICP的出现促进体硅工艺的快速发展九十年代末九十年代末Sandia实验室实验室5层多晶硅技术代表最高层多晶硅技术代表最高水平水平国内MEMS的发展20世纪世纪90年代初清华大学等高校开始研究。年代初清华大学等高校开始研究。目前有目前有100个左右的研究小组从事本领域研究，个左右的研究小组从事本领域研究， 研究主要领域包括硅微传感器、硅微致动器、硅研究主要领域包括硅微传感器、硅微致动器、硅微加工技术、微系统等领域。微加工技术、微系统等领域。主要加工基地有信息产业部电子主要加工基地有信息产业部电子13所，北大微电所，北大微电子所，清华大学微电子所，上海交通大学和上海子所，清
5、华大学微电子所，上海交通大学和上海冶金所等。冶金所等。第一章主要内容MEMS的基本概念及其特点MEMS的发展概况MEMS的应用领域MEMS工艺的基本概念MEMS工艺的国内外情况及发展趋势 SEMI发布名为“全球微机电/微系统市场和机遇”的市场研究报告中指出，2005年该产业总规模达到480亿美元，期待到2010年将增长到950亿美元。这些系统的核心微机电器件在2005年产业规模达到53亿美元，由于消费电子微机电器件使用量增加，预计到2010年产业规模将增长到99亿美元，年复合增长率为13%。 MEMS技术的发展与应用MEMS应用军事领域信息领域航空、航天生物、医疗汽车工业控制环境保护消费类、玩
6、具几个商业化了的MEMS产品(1) (1) 压力传感器压力传感器最成熟、最早开始产业化压阻式和电容式 压阻式微压力传感器的精度：0.050.01，年稳定性达0.1/F.S，温度误差为2ppm，耐压可达几百兆帕，过压保护范围可达传感器量程的20倍以上。 (2) (2) 微加速度计微加速度计 微加速度计是微型惯性测量组合的关键基础元件汽车安全气囊系统：体积小、成本低、集成化等特点美国AD公司的ADXL美国摩托罗拉公司批量生产汽车用MMAS40G电容式微加速度计美国EG&G IC(3)(3)微喷微喷基于MOEMS技术的微喷已成为MOEMS领域的一种典型器件，它的应用涉及科学仪器、工业控制以及生物医疗
7、等多个领域，目前主要的应用方向有喷墨打印、芯片冷却、气流控制以及微推进系统，应用于药物雾化供给的微喷研究也正在兴起。喷墨打印机的喷墨打印头，年产值数亿美元(4)(4)数字微镜器件数字微镜器件 与传统的CRT和LCD投影显示技术相比： 足够的亮度，均匀性和稳定性反射显示：德州仪器设计的数字驱动微简易阵列芯片（DMD，Digital Micromirror Device)，实际上是反射式微光开关阵列。每一个微镜对应图象的一个像素，一个微镜的尺寸仅为16m16m。DMD可以承受1500g的机械冲击、20g的机械振动，设备的使用寿命超过了100,000小时。一块完整的DMD半导体芯片：镜面是由一百三十
8、万个微反射镜组成的长方形阵列，每个微镜对应于投影画面中的一个光学像素。MEMS在军事领域的应用军事领域是MEMS技术的最早应用点，对推动MEMS技术的进步起到了很大作用引信 安全、炮弹弹道修正、子母弹开仓控制、 侵彻点控制单兵携带雷达战场毒气检测和救护侦察：小飞机后勤保障用于武器制导和个人导航的惯性导航组合用于超小型、超低功率无线通讯（RF 微米/纳米和微系统）的机电信号处理用于军需跟踪、环境监控、安全勘察和无人值守分布式传感器用于小型分析仪器、推进和燃烧控制的集成流量系统武器安全、保险和引信用于有条件保养的嵌入式传感器和执行器用于高密度、低功耗的大量数据存储器件用于敌友识别系统、显示和光纤开
9、关的集成微光学机械器件用于飞机分布式空气动力学控制和自适应光学的主动的、共型表面。惯性惯性 MEMS航空、航天航空：改进飞机性能、保证飞机安全舒适、减少躁声航天：天际信息网、微重力测量FLUDIC MEMS信息领域全光通信网：光开关和开关阵列、光可变衰减器、光无源互连耦合器、可调滤波器、光相干探测器、光功率限幅器、微透镜、光交叉连接器OXC、光分插复用器OADM和波分复用器无线电话； MEMS电容、电感、传输线、RF MEMS滤波器、RF MEMS振荡器、MEMS移相器、微波收发机MEMS集成化射频前端计算机；摄像头、鼠标投影仪、喷墨打印机数据存储汽车工业每部汽车内可安装30余个传感器： 气囊
10、，压力、温度、湿度、气体等微喷嘴智能汽车控制系统工业控制化工厂自动化控制中的探测器等MEMS的应用环境保护无人值守大气环境监测网高速公路环境监测网消费类、玩具消费类电器模糊控制：摄象机、洗衣机虚拟现实目镜、游戏棒、智能玩具OPTIC-MEMS生物、医疗生物芯片Lab on Chip血压计新型喷雾器可在血管内操作和检测的微型仪器BIO MEMS典型MEMS系统微型机器人典型MEMS系统微汽车车长4.8mm车速10mm/s典型MEMS系统微型卫星清华一号清华一号美国提出的硅固态卫星的概念图，这个卫星除了蓄美国提出的硅固态卫星的概念图，这个卫星除了蓄电池外，全由硅片构成，直径仅电池外，全由硅片构成，
11、直径仅15cm典型MEMS系统微型飞行器第一章主要内容MEMS的基本概念及其特点MEMS的发展概况MEMS的应用领域MEMS工艺的基本概念MEMS工艺的国内外情况及发展趋势 工艺的概念工艺：劳动者利用生产工具对各种原材料，半成品进行加工和处理,改变它们的几何形状，外形尺寸，表面状态，内部组织，物理和化学性能以及相互关系，最后使之成为预期产品的方法及过程。工艺技术：是人类在劳动中逐渐积累起来并经过总结的操作技术经验， 它是应用科学，生产实践及劳动技能的总和。MEMS的典型生产流程膜越厚，腐蚀膜越厚，腐蚀 次数越少。次数越少。去除下层材料，去除下层材料，释放机械结构释放机械结构 采用特殊的检测和划
12、采用特殊的检测和划片工艺保护释放出来的机片工艺保护释放出来的机械结构械结构封装时暴露部分零件封装时暴露部分零件机、电系统机、电系统全面测试全面测试DEPOSITION OF MATERIALPATTERN TRANSFERREMOVAL OF MATERIAL 多次循环多次循环 PROBE TESTINGSECTIONINGINDIVIDUAL DIEASSEMBLY INTO PACKAGEPACKAGE SEALFINAL TEST成膜成膜光刻光刻腐蚀腐蚀集成电路：Integrated Circuit，缩写IC通过一系列特定的加工工艺，将晶体管、二极管等有源器件和电阻、电容等无源器件，按照
13、一定的电路互连，“集成”在一块半导体单晶片（如硅或砷化镓）上，封装在一个外壳内，执行特定电路或系统功能MEMS与集成电路工艺的相同 微机电系统是在微电子技术的基础上发展起来的，融合了硅微加工、LIGA技术和精密机械加工等多种微加工技术。这表明微电子技术是MEMS技术的重要基础，微电子加工手段是MEMS的重要加工手段之一，微电子中的主要加工手段均在MEMS制备中发挥极大作用。包括：Si材料制备、光刻、氧化、刻蚀、扩散、注入、金属化、PECVD、LPCVD及组封装等MEMS工艺硅工艺体硅工艺表面工艺两者结合非硅工艺LIGA工艺DEM工艺其他工艺：超精密加工、非切削加工、特种加工技术MEMS与集成电
14、路工艺的不同集成电路与MEMS器件特点比较：集成电路：薄膜工艺； 制作各种晶体管、电阻电容等 重视电参数的准确性和一致性MEMS：工艺多样化 制作梁、隔膜、凹槽、孔、密封洞、锥、针尖、弹簧及所构成的复杂机械结构 更重视材料的机械特性，特别是应力特性特点的不同导致对工艺的要求不同第一章主要内容MEMS的基本概念及其特点MEMS的发展概况MEMS的应用领域MEMS工艺的基本概念MEMS工艺的国内外情况及发展趋势 MEMS工艺的国内外情况硅工艺体硅工艺表面工艺两者结合非硅工艺LIGA工艺DEM工艺其他工艺：超精密加工、非切削加工、特种加工技术 裸片淀积氧化层体微加工流程体微加工流程图形化氧化层腐蚀
15、(Si)除去氧化层MEMS 器件的加工MEMS 器件的加工 裸片 淀积薄膜 利用光刻图形化利用光刻图形化 淀积牺牲层膜 图形化牺牲层 淀积机结构械薄膜 图形化释放结构表面微机械加工流程表面微机械加工流程LIGAMEMS工艺的发展趋势微机电系统的发展对微机械加工技术的要求：有较强的加工能力，可以制作灵活多样的高深宽比的微结构，能实现三维或准三维的设计加工；工艺简洁、设备成熟、可以高效率和低成本的批量生产；与集成电路工艺的兼容性好；便于器件的封装，最好能实现片上封装以硅为主，但能便于同时采用多种具有其他特性的结构材料MEMS工艺的发展趋势继续保持与硅集成电路的紧密联系充分利用硅材料、广泛利用为集成
16、电路开发的现有设备和技术、并且相着不断把信号检测和控制电路与微结构单片集成的方向发展；体硅技术、表面加工技术与LIGA加工技术三种技术在其发展过程中更加紧密的融合在一起，相互之间的界限更加模糊。MEMS的相关资讯参考书：参考书：MEMS和微系统和微系统设计与制造设计与制造 王晓浩、熊继军等译王晓浩、熊继军等译 ，机械工业出版社机械工业出版社微机电系统设计与制造微机电系统设计与制造 刘晓明刘晓明 等编著，国防工业出版社等编著，国防工业出版社微传感器与微执行器微传感器与微执行器 张文栋等译，科学技术出版社张文栋等译，科学技术出版社微机械加工技术微机械加工技术 黄庆安，东南大学出版社黄庆安，东南大学
17、出版社微机电系统技术微机电系统技术 石庚辰著，国防工业出版社石庚辰著，国防工业出版社微机械电子系统及其应用微机械电子系统及其应用 刘广玉等著，北京刘广玉等著，北京 航空航天大学出版社航空航天大学出版社硅微机械传感器硅微机械传感器 陶家渠等，陶家渠等， 中国宇航出版社中国宇航出版社进入夏天，少不了一个热字当头，电扇空调陆续登场，每逢此时，总会进入夏天，少不了一个热字当头，电扇空调陆续登场，每逢此时，总会想起那一把蒲扇。蒲扇，是记忆中的农村，夏季经常用的一件物品。记想起那一把蒲扇。蒲扇，是记忆中的农村，夏季经常用的一件物品。记忆中的故乡，每逢进入夏天，集市上最常见的便是蒲扇、凉席，不论男女老忆中的
18、故乡，每逢进入夏天，集市上最常见的便是蒲扇、凉席，不论男女老少，个个手持一把，忽闪忽闪个不停，嘴里叨叨着少，个个手持一把，忽闪忽闪个不停，嘴里叨叨着“怎么这么热怎么这么热”，于是三，于是三五成群，聚在大树下，或站着，或随即坐在石头上，手持那把扇子，边唠嗑五成群，聚在大树下，或站着，或随即坐在石头上，手持那把扇子，边唠嗑边乘凉。孩子们却在周围跑跑跳跳，热得满头大汗，不时听到边乘凉。孩子们却在周围跑跑跳跳，热得满头大汗，不时听到“强子，别跑强子，别跑了，快来我给你扇扇了，快来我给你扇扇”。孩子们才不听这一套，跑个没完，直到累气喘吁吁，。孩子们才不听这一套，跑个没完，直到累气喘吁吁，这才一跑一踮地围
19、过了，这时母亲总是，好似生气的样子，边扇边训，这才一跑一踮地围过了，这时母亲总是，好似生气的样子，边扇边训，“你你看热的，跑什么？看热的，跑什么？”此时这把蒲扇，是那么凉快，那么的温馨幸福，有母亲此时这把蒲扇，是那么凉快，那么的温馨幸福，有母亲的味道！蒲扇是中国传统工艺品，在我国已有三千年多年的历史。取材的味道！蒲扇是中国传统工艺品，在我国已有三千年多年的历史。取材于棕榈树，制作简单，方便携带，且蒲扇的表面光滑，因而，古人常会在上于棕榈树，制作简单，方便携带，且蒲扇的表面光滑，因而，古人常会在上面作画。古有棕扇、葵扇、蒲扇、蕉扇诸名，实即今日的蒲扇，江浙称之为面作画。古有棕扇、葵扇、蒲扇、蕉扇诸名，实即今日的蒲扇，江浙称之为芭蕉扇。六七十年代，人们最常用的就是这种，似圆非圆，轻巧又便宜的蒲芭蕉扇。六七十年代，人们最常用的就是这种，似圆非圆，轻巧又便宜的蒲扇。蒲扇流传至今，我的记忆中，它跨越了半个世纪，也走过了我们的扇。蒲扇流传至今，我的记忆中，它跨越了半个世纪，也走过了我们的半个人生的轨迹，携带着特有的念想，一年年，一天天，流向长长的时间隧半个人生的轨迹，携带着特有的念想，一年年，一天天，流向长长的时间隧道，袅道，袅