现代传感技术与系统课件第四章.ppt

《现代传感技术与系统课件第四章.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《现代传感技术与系统课件第四章.ppt（54页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、第四章第四章 智能传感器的外围技术智能传感器的外围技术 4.1 微机电系统结构与元器件微机电系统结构与元器件 4.2 智能传感器的通信智能传感器的通信 4.3 智能传感器的标准智能传感器的标准第四章1智能传感器的外围技术4.1 微机电系统结构与元器件微机电系统结构与元器件 4.1.1 4.1.1 引言引言4.1.2 4.1.2 面向微机电系统的微结构面向微机电系统的微结构4.1.3 4.1.3 微机电系统的常用元器件微机电系统的常用元器件4.1.4 4.1.4 其他微机械结构其他微机械结构4.1.5 4.1.5 微执行器的应用微执行器的应用第四章2智能传感器的外围技术4.1 微机电系统结构与元

2、器件微机电系统结构与元器件4.1.1 4.1.1 引言引言微小型化革命微小型化革命:微米微米纳纳米技米技术应术应运而生运而生 利用物理化学方法将原子和分子利用物理化学方法将原子和分子组组装起来，形成具有一定功装起来，形成具有一定功 能的微米能的微米纳纳米米结结构；构；(导导致了致了纳纳米生物学、米生物学、纳纳米化学等米化学等边缘边缘 学科的学科的产产生生)利用精利用精细细加工手段加工出微米加工手段加工出微米纳纳米米级结级结构构(导导致了微机致了微机电电系系 统的诞生统的诞生)第四章3智能传感器的外围技术4.1 微机电系统结构与元器件微机电系统结构与元器件 MEMS MEMS系系统统是微是微电电

3、子技子技术术的拓的拓宽宽和延伸和延伸 微微电电子技子技术术与与精密机械加工技精密机械加工技术术的的融合融合 实现实现了微了微电电子与机械融子与机械融为为一体的功能。一体的功能。使半导体传感器应用于大型的机械控制使半导体传感器应用于大型的机械控制 大大大大提提高高了了整整个个系系统统的的性性能能:降降低低机机电电系系统统成成本本,完完成成许许多多大大尺寸机尺寸机电电系系统统无法完成的任无法完成的任务务例例:尖端直径尖端直径为为5 5mm的微型的微型镊镊子可子可夹夹起一个起一个红细红细胞；胞；3 3mmmm大小的大小的 能能够够开开动动的小汽的小汽车车；可在磁；可在磁场场中中飞飞行的象蝴蝶大小的行

4、的象蝴蝶大小的飞飞机等。机等。第四章4智能传感器的外围技术4.1 微机电系统结构与元器件微机电系统结构与元器件 MEMS MEMS技术的目标：通过系统的微型化、集成化来探索具有新技术的目标：通过系统的微型化、集成化来探索具有新 原理、新功能的元件和系统原理、新功能的元件和系统 将将电电子系子系统统和外部世界有机地和外部世界有机地联联系起来：感受运系起来：感受运动动、光、声、光、声、热热、磁等自然界信号；将、磁等自然界信号；将这这些信号些信号转换转换成成电电子系子系统统可以可以认识认识的的电电信号；通信号；通过电过电子系子系统统控制控制这这些信号、些信号、发发出指令、控制出指令、控制执执行部件完

5、成所需操作行部件完成所需操作 具有许多传统传感器无法比拟的优点具有许多传统传感器无法比拟的优点 在航空、航天、汽车、生物医学、环境监控、军事以及几乎在航空、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。人们接触到的所有领域中都有着十分广阔的应用前景。第四章5智能传感器的外围技术4.1 微机电系统结构与元器件微机电系统结构与元器件 从从广广义义上上讲讲，MEMSMEMS是是指指集集微微型型传传感感器器、微微型型执执行行器器以以及及信信号号处处理理和和控控制制电电路路、接接口口电电路路、通通信信和和电电源源于于一一体体的的完完整整微微型型机电系统。机电

6、系统。主要包含微型传感器、执行器和相应的处理电路三部分：主要包含微型传感器、执行器和相应的处理电路三部分：传传感感器器把把能能量量从从一一种种形形式式转转化化为为另另一一种种形形式式，将将现现实实世世界界的的信信号号（如如热热、运运动动等等信信号号）转转化化为为系系统统可可以以处处理理的的信信号号（如如电电信号）信号）执行器根据信号处理电路发出的指令完成人们所需要的操作执行器根据信号处理电路发出的指令完成人们所需要的操作 信号处理器对信号进行转换、放大和计算等处理信号处理器对信号进行转换、放大和计算等处理第四章6智能传感器的外围技术4.1 微机电系统结构与元器件微机电系统结构与元器件 事事实实

7、上上，前前面面第第二二章章第第三三节节中中讨讨论论过过的的微微机机械械加加工工技技术术就就是是从从属属于于MEMSMEMS的的核核心心技技术术，然然而而，就就MEMSMEMS整整体体而而言言，却却有有着着更更加加丰丰富富的的内内涵涵。从从整整体体来来看看，它它总总是是直直接接或或间间接接地地与与智智能能传传感感器器保保持持密密切切的的关关系系，因因此此，除除微微机机械械加加工工技技术术之之外外，本本节节又又选选择择该该领领域域中中一一些些其其它它相相关关内内容容作作为为智智能能传传感感器器的的外外围围技技术术来来讨讨论论，主要有：，主要有：面向面向MEMSMEMS的微的微结结构构 微机微机电电

8、系系统统的常用元器件的常用元器件 微微执执行器的行器的应应用用 等等第四章7智能传感器的外围技术4.1 微机电系统结构与元器件微机电系统结构与元器件4.1.2 4.1.2 面向微机电系统的微结构面向微机电系统的微结构MEMSMEMS与传统机加工小型化机器的差异对比：与传统机加工小型化机器的差异对比：总体预装配形式与一个一个部件相接的装配形式；总体预装配形式与一个一个部件相接的装配形式；很多元素的高密度集成与离散元件之组成；很多元素的高密度集成与离散元件之组成；以统一的集成形式实现与电子学的结合与采用导线的连接形以统一的集成形式实现与电子学的结合与采用导线的连接形 式；式；2.52.5维的空间形

9、式与三维结构（可装配成不同的形状与维的空间形式与三维结构（可装配成不同的形状与 其功能紧密相连等）之差异其功能紧密相连等）之差异 等等第四章8智能传感器的外围技术4.1 微机电系统结构与元器件微机电系统结构与元器件 MEMSMEMS受受限限于于典典型型的的ICIC基基的的构构造造方方法法，只只能能允允许许我我们们制制作作平平面面结结构构的的微微电电机机、层层叠叠式式结结构构的的多多晶晶硅硅薄薄膜膜或或深深层层防防护护下下的的二二维维掩掩膜膜模模式式的的投投影影图图像像。因因而而很很难难仅仅通通过过改改变变机机器器的的结结构构来来实实现现各各种种不不同同的的功功能能。然然而而，可可以以通通过过预

10、预装装配配、批批量量生生产产以以及及将将电电子子线线路路与与传传感感器器尽尽可可能能地地集集成成在在一一起起、且且通通过过逻逻辑辑电电路路和和内内部软件而同时实现各种功能。部软件而同时实现各种功能。有有很很多多基基于于IC-IC-基基的的MEMSMEMS的的复复杂杂模模式式，那那些些集集传传感感器器、执执行行器器和和电电子子电电路路于于一一体体的的很很多多微微模模式式的的制制作作与与单单一一模模式式的的工工艺艺制作过程相比，所需付出是完全一样的。制作过程相比，所需付出是完全一样的。第四章9智能传感器的外围技术4.1 微机电系统结构与元器件微机电系统结构与元器件主要问题之一：微电机转动中的滑动表

11、面摩擦。主要问题之一：微电机转动中的滑动表面摩擦。在在MEMSMEMS涉涉及及的的微微观观领领域域中中，摩摩擦擦力力遵遵循循一一个个不不合合常常规规的的定定律律：当当特特征征维维数数L L减减少少时时，摩摩擦擦力力与与L L2 2成成比比例例，而而惯惯性性力力与与L L3 3成成比比例例，摩摩擦擦力力的的支支配配能能力力超超过过惯惯性性力力而而阻阻止止那那些些持持续续运运动动的的微微齿轮或微转子平滑地转动。齿轮或微转子平滑地转动。目前针对微观领域的摩擦学研究，科研人员提出的几种建议：目前针对微观领域的摩擦学研究，科研人员提出的几种建议：在运动件和固定件之间采用滚动接触而不是滑动接触；在运动件和

12、固定件之间采用滚动接触而不是滑动接触；运动部件采用弹性支承；运动部件采用弹性支承；运动部件悬浮于空气中（以空气作为润滑剂）等。运动部件悬浮于空气中（以空气作为润滑剂）等。第四章10智能传感器的外围技术4.1 微机电系统结构与元器件微机电系统结构与元器件为克服微机电系统上述局限的措施为克服微机电系统上述局限的措施:由由许许多多智智能能微微模模块块组组件件组组成成的的一一个个面面向向MEMSMEMS的的结结构构体体，这这些些模模块块有有微微执执行行器器、传传感感器器以以及及集集成成在在其其内内部部的的电电子子电电路路等等。图图4.1.14.1.1为这种系统的一为这种系统的一个典型方案，它可以用所个

13、典型方案，它可以用所谓纤毛运动系统及其执行谓纤毛运动系统及其执行器的有关应用加以解释。器的有关应用加以解释。这是一种源于多种动物器这是一种源于多种动物器官、昆虫和显微镜下的微官、昆虫和显微镜下的微生物机制的创新思想。生物机制的创新思想。第四章11智能传感器的外围技术4.1 微机电系统结构与元器件微机电系统结构与元器件 纤纤毛毛运运动动是是指指一一种种叫叫纤纤毛毛虫虫的的微微生生物物的的运运动动方方式式，这这种种微微生生物物在在其其细细胞胞表表面面长长有有许许多多像像毛毛发发状状的的突突出出物物，它它们们通通过过协协调调性性地地摆摆动动纤纤毛毛来来实实现现其其行行进进。这这种种纤纤毛毛虫虫的的行

14、行进进方方式式可可以以用用在在一个传送物体的装置之中。一个传送物体的装置之中。纤纤毛毛运运动动系系统统的的模模块块组组件件包包括括一一个个执执行行器器（如如悬悬臂臂型型的的执执行行器器）和和一一个个振振荡荡器器。如如果果提提供供充充分分的的相相互互联联接接，外外部部信信号号也也能能达达到到同同步步。当当振振荡荡的的频频率率相相同同而而在在邻邻近近振振荡荡器器之之间间统统一一地地维维持持着着固固定定的的相相位位差差，则则每每个个执执行行器器可可以以协协调调地地运运行行。伸伸出出的的臂臂传传播播一一个个波波，象象球球体体滚滚动动那那样样传传送送物物体体。实实施施传传送送任任务务时时，所所需要的逻辑

15、电路就如同移位寄存器那样简单。需要的逻辑电路就如同移位寄存器那样简单。第四章12智能传感器的外围技术4.1 微机电系统结构与元器件微机电系统结构与元器件 系系统统是是一一维维系系统统，由由完完全全类类似似的的模模式式组组成成。这这些些组组件件很很容容易以微执行器的模式实现。易以微执行器的模式实现。执行器结构执行器结构:由夹在具有不同热膨胀系数的两层聚酰胺间的由夹在具有不同热膨胀系数的两层聚酰胺间的 金属加热器组成。金属加热器组成。加热器电流接通或断开时，执行器上下运动加热器电流接通或断开时，执行器上下运动(悬臂悬臂500500mm长，长，110 110mm宽宽)。当当4040mAmA电流流经加

16、热器时，在垂直方向上产生电流流经加热器时，在垂直方向上产生130130mm、在水在水 平方向上产生平方向上产生6060mm的移动量。的移动量。对正弦电流（幅值低于对正弦电流（幅值低于3 3dBdB），截止频率，截止频率8 8HzHz。第四章13智能传感器的外围技术4.1 微机电系统结构与元器件微机电系统结构与元器件4.1.3 4.1.3 微机电系统的常用元器件微机电系统的常用元器件 用用硅硅和和其其它它的的半半导导体体材材料料构构成成的的微微机机电电系系统统元元器器件件涉涉及及到到静静电电学学、电电热热学学、热热动动力力学学、电电磁磁学学、电电渗渗透透、电电液液动动力力学学、模模型型存存储储合

17、合金金、热热敏敏感感器器件件、聚聚合合物物等等多多方方面面的的应应用用。本本节节将将讨讨论论微微型型泵泵、微微引引擎擎、微微控控制制阀阀、微微动动力力测测试试仪仪和和微微电电机机，还还有有其其它它材材料料的的微微执行元器件。执行元器件。第四章14智能传感器的外围技术4.1 微机电系统结构与元器件微机电系统结构与元器件1.1.微型泵微型泵 图图4.1.24.1.2为为小小型型蠕蠕动动泵泵的的侧侧剖剖视视图图，它它是是由由三三个个硅硅晶晶片片结结合合在在一一起起构构成成的的。三三个个硅硅晶晶片片键键合合在在一一起起生生产产流流体体通通道道、薄薄膜膜和加热器。硅和加热器。硅融解键合用于融解键合用于连

18、接包含这些连接包含这些元器件的晶片。元器件的晶片。第四章15智能传感器的外围技术4.1 微机电系统结构与元器件微机电系统结构与元器件 加加热热器器悬悬浮浮于于热热气气动动流流体体中中，随随之之从从左左至至右右被被启启动动。流流体体通通道道通通过过刻刻蚀蚀技技术术制制造造，非非常常紧紧密密地地与与硅硅氮氮化化物物薄薄膜膜凸凸出出的的轮轮廓廓相相匹匹配配。加加热热流流体体使使薄薄膜膜表表层层发发生生偏偏移移并并驱驱动动液液体体。偏偏移移的的薄薄膜膜封封堵堵了了通通道道以以阻阻止止回回流流。微微型型泵泵的的性性能能在在1515psipsi下下已已经经能能精精确确到到每每分分钟钟7 7微微升升。驱驱动

19、动量量精精确确的的矢矢量量泵泵已已在在医医疗疗上上应应用用于于胰胰岛岛素素自自动动补补充充以以及及精精确确的的制制造造业业过过程程控控制制以以减减少少原原材材料料的的损损耗。耗。第四章16智能传感器的外围技术4.1 微机电系统结构与元器件微机电系统结构与元器件2.2.微蒸汽机微蒸汽机 世界上最小的蒸汽世界上最小的蒸汽机是以表面微机械加工工机是以表面微机械加工工艺制作的。右图是这种单艺制作的。右图是这种单缸蒸汽机在显微镜下的图缸蒸汽机在显微镜下的图象象，在在蒸蒸汽汽机机中中，压压力力汽汽缸缸内内的的水水被被电电流流加加热热、蒸蒸发发，然然后后把把活塞弹出。当电流消失后，表面张力又使活塞缩回。活塞

20、弹出。当电流消失后，表面张力又使活塞缩回。第四章17智能传感器的外围技术4.1 微机电系统结构与元器件微机电系统结构与元器件3.3.微控制阀微控制阀 微控制阀是微控制阀是MEMSMEMS元器件中目元器件中目前为数不多的已经正式投产的产前为数不多的已经正式投产的产品之一。右图是其结构示意。一品之一。右图是其结构示意。一个硅流体驱动微阀门的规格大约个硅流体驱动微阀门的规格大约是是5.55.5mm mm 6.5mm 6.5mm 2mm 2mm。顶端的顶端的体体型型微微加加工工空空腔腔内内充充满满了了控控制制液液体体。在在未未被被激激活活的的状状态态，气气体体通通过过阀阀门门流流动动。将将电电压压施施

21、加加于于隔隔膜膜上上的的加加热热元元件件，将将引引起起液液体体的的充充分分膨膨胀胀而而使使隔隔膜膜偏偏移移靠靠近近阀阀座座而而阻阻断断气气流流。阀阀门门的的动动态态范范围围从从100,000100,000到到1 1，在，在20 20 psipsi的压力下，控制气流从每分钟的压力下，控制气流从每分钟4 4微升到每分钟微升到每分钟4 4升。升。第四章18智能传感器的外围技术4.1 微机电系统结构与元器件微机电系统结构与元器件4.4.微动力测试仪微动力测试仪微动力测试仪的研究目前已获微动力测试仪的研究目前已获得了满意的功能平面设计。这种微得了满意的功能平面设计。这种微动力测试仪包括一个微电机、偶合动

22、力测试仪包括一个微电机、偶合齿轮链、担当有源负载的发电机以齿轮链、担当有源负载的发电机以及相关的电子元器件。以带有附加及相关的电子元器件。以带有附加牺牲层的牺牲层的LIGALIGA处理技术用于制造微处理技术用于制造微动动力力测测试试仪仪的的机机械械部部件件。需需要要为为电电动动机机和和发发电电机机选选配配激激磁磁绕绕组组，双双极极成成对对电电动动机机每每个个电电极极上上有有三三个个绕绕组组，发发电电机机则则有有六六个个绕绕组组，利利用用电电镀镀镍镍方方法法制制造造，如如图图所所示示。集集成成了了光光电电二二极极管管决决定定电电动动机机和和发发电电机机转转子子的的位位置置。目目前前尚需解决磁性材

23、料问题。尚需解决磁性材料问题。第四章19智能传感器的外围技术4.1 微机电系统结构与元器件微机电系统结构与元器件 采用表层微加工技术制造采用表层微加工技术制造的微传送装置能提高动力。一的微传送装置能提高动力。一个成功的实验是将六个完全相个成功的实验是将六个完全相同的传送系统连接在一起，每同的传送系统连接在一起，每个具有个具有1212：1 1的减速比以获取的减速比以获取整体的功率增长。该水平下获整体的功率增长。该水平下获得得的的机机械械动动力力能能满满足足带带动动一一个个一一磅磅物物体体的的需需要要。齿齿轮轮是是可可逆逆的的，可实现加速和减速操作。可实现加速和减速操作。第四章20智能传感器的外围

24、技术4.1 微机电系统结构与元器件微机电系统结构与元器件5.5.微电机微电机 微微电电机机是是MEMSMEMS元元器器件件中中最最具具潜潜力力的的产产品品之之一一。一一个个静静电电发发动动机机的的例例子子见见图图4.1.44.1.4。典典型型的的转转子子直直径径大大约约0.10.1mmmm。定定子子的的运运动依靠静电力产生的脉冲。动依靠静电力产生的脉冲。解解决决电电动动机机和和负负载载之之间间的的偶偶合合以以及及摩摩擦擦问问题题是是使使电电机机投投入入实实用用的的最最关关键键问问题题。在在各各种种技技术术选选择择中中，采采用用配配有有超超级级性性能能微微处处理理器器的的冷冷却却风风扇扇是是人人

25、们们寄寄予予厚厚望望的的方方式式。摩摩擦擦学学是是关关于于耗耗损损及及其其应应用用范范围围的的研研究究，基基于于对对这这些些机机器器的的大大量量的的调调查查研研究究，在在维维持持MEMSMEMS技技术术允允许许的的特特有有容容量量的的前前提提下下，它它们们不不再再可可能能使使用用传传统的润滑方式。统的润滑方式。第四章21智能传感器的外围技术4.1 微机电系统结构与元器件微机电系统结构与元器件第四章22智能传感器的外围技术4.1 微机电系统结构与元器件微机电系统结构与元器件 磁磁致致微微电电机机的的线线圈圈缠缠绕绕需需要要一一个个较较厚厚的的致致动动器器交交叉叉部部分分。一一种种方方法法是是采采

26、用用聚聚酰酰亚亚胺胺基基处处理理使使微微型型结结构构装装配配在在标标准准CMOSCMOS过过程程的的顶顶端端。发发动动机机的的核核心心是是多多层层镍镍-铁铁电电镀镀绕绕线线缠缠绕绕的的弯弯曲曲的的导导体体。导导体体和和线线圈圈的的弯弯曲曲结结构构是是以以导导体体和和磁磁芯芯正正常常方方位位的的逆逆向向更更替替来来实实现现的的。磁磁芯芯是是沿沿环环形形导导体体缠缠绕绕而而成成，导导体体或或为为交交错错或或为为相相连连方方式式的的多多层层次次金金属属层层。聚聚酰酰亚亚胺胺被被用用作作嵌嵌于于线线圈圈和和磁磁芯芯之之间间的的内内绝绝缘缘层层。图图4.1.54.1.5是是这这种种电电机机的的多多层层卷

27、卷绕绕线线圈圈的的结结构构。由由于于驱驱动动控控制制器器的的限限制制，转子运行的最高速度为转子运行的最高速度为500500r/mr/m。第四章23智能传感器的外围技术4.1 微机电系统结构与元器件微机电系统结构与元器件 表面微加工技术已用于制造嵌入表面微加工技术已用于制造嵌入式微型步进电机。这种电机外环具有式微型步进电机。这种电机外环具有内齿，被每个末端的互换的梭子相互内齿，被每个末端的互换的梭子相互嵌入，如图所示。外环在其外层也有嵌入，如图所示。外环在其外层也有齿轮，这意味着它能和其他机器互动。齿轮，这意味着它能和其他机器互动。既既有有旋旋转转形形式式的的步步进进电电机机，也也可可以以实实现

28、现线线性性步步进进形形式式。可可用用于于实现那些要求精确的、可重复定位的微机械元件设计。实现那些要求精确的、可重复定位的微机械元件设计。第四章24智能传感器的外围技术4.1 微机电系统结构与元器件微机电系统结构与元器件6.6.其它半导体材料的微执行器其它半导体材料的微执行器 目目前前，采采用用薄薄膜膜和和金金属属镀镀膜膜、绝绝缘缘材材料料、在在砷砷化化镓镓和和磷磷化化铟铟基基底底上上附附之之光光阻阻材材料料牺牺牲牲层层工工艺艺制制作作执执行行器器已已完完成成了了设设计计。用用砷砷化化镓镓和和磷磷化化铟铟材材料料制制作作微微机机械械集集成成装装置置要要求求通通过过片片上上执执行行器器实实现现潜潜

29、在在的的调调整整从从而而获获得得性性能能与与产产量量的的改改善善。互互相相交交叉叉滑滑动动的的电电容容调调节节器器、弯弯曲曲杠杠杆杆，旋旋转转开开关关已已经经应应用用于于微微机机械械集集成成兼兼容容过过程程并作为最终实现微集成控制目标迈出的第一步。并作为最终实现微集成控制目标迈出的第一步。第四章25智能传感器的外围技术4.1 微机电系统结构与元器件微机电系统结构与元器件 关关于于延延展展型型炭炭化化硅硅膜膜和和喷喷溅溅型型非非晶晶体体炭炭化化硅硅薄薄膜膜的的研研究究已已经经在在高高温温EMSEMS器器件件的的应应用用中中开开辟辟了了新新的的途途径径。利利用用体体型型微微机机械械加加工工技技术术

30、，悬悬挂挂式式隔隔膜膜和和无无支支撑撑悬悬臂臂结结构构被被蚀蚀刻刻于于延延展展硅硅膜膜上上，由由于于在在薄薄膜膜上上残残余余的的张张力力变变化化，悬悬臂臂樑樑产产生生向向下下的的偏偏移移。表表面面微微机机械械加加工工技技术术也也用用于于非非晶晶体体炭炭化化硅硅。一一个个150150微微米米直直径径、1.51.5微微米米厚厚的的齿齿轮轮是是从从非非晶晶体体炭炭化化硅硅喷喷溅溅于于二二氧氧化化硅硅上上构构成成的的，以以这这些些材材料料实实现现了了MEMSMEMS器器件件的的设设计计，但但是是从从实实验验室室到到产产品品化化过过程程还还需需要要经经历历一一段段艰艰苦苦的的发发展过程。展过程。第四章2

31、6智能传感器的外围技术4.1 微机电系统结构与元器件微机电系统结构与元器件4.1.4 4.1.4 其他微机械结构其他微机械结构 除除了了上上述述各各执执行行元元器器件件以以外外，MEMSMEMS结结构构还还将将被被用用于于期期望望小小尺尺寸寸或或再再生生产产性性的的系系统统元元件件制制造造，也也可可以以通通过过微微机机械械加加工工工工艺艺来来实实现现。多多重重金金属属微微齿齿轮轮可可通通过过气气动或相对微弱的磁场力来驱动。动或相对微弱的磁场力来驱动。下下面面讨讨论论的的一一些些有有关关例例子子，展展示示了了基基于于MEMSMEMS装装置置的各种研究和发展的动态。的各种研究和发展的动态。第四章2

32、7智能传感器的外围技术4.1 微机电系统结构与元器件微机电系统结构与元器件1 1、冷却通道冷却通道 在在高高性性能能集集成成电电路路底底部部的的由由平平行行微微通通道道创创建建的的微微热热管管道道能能为为最最大大限限度度地地减减少少过过热热点点提提供供冷冷却却功功能能，改改善善性性能能，增增加加可可靠靠性性。图图4.1.64.1.6是是一一个个可可行行方方案案。当当通通道道被被蚀蚀刻刻后后，复复合合金金属属层层真真空空沉沉积积于于通通道道边边线线上上且且将将顶顶部部密密封封。加加热热芯芯片片位位于于一一个个流流动动浴浴槽槽中中，填填充充大大约约占占20%20%容容积积的的流流体体，然然后后将将

33、顶顶端端密密封封以以保保持持流流体体不不外外溢溢。微微热热管管的的操操作作引引起起流流体体在在高高温温区区域域蒸蒸发发，在在低低温温区区域域冷冷凝凝，导导致致穿穿过过集集成成电电路路的的更更加加一一致致性性的的温温度度分分布布。对对于于更更高高性性能能的的MPUMPU和和MCUMCU，要要增增加加到到更更高高的的操操作作频频率率，而而这这种种形式的冷却可能要求避免封装尺寸和外部散热量的增加。形式的冷却可能要求避免封装尺寸和外部散热量的增加。第四章28智能传感器的外围技术4.1 微机电系统结构与元器件微机电系统结构与元器件第四章29智能传感器的外围技术4.1 微机电系统结构与元器件微机电系统结构

34、与元器件一一项项美美国国的的专专利利是是用用微微机机加加工工或或激激光光切切除除技技术术在在硅硅或或碳碳化化硅硅结结构构上上形形成成微微通通道道，通通过过强强制制对对流流或或尽尽可可能能靠靠近近热热源源的的流流动动冷冷却却剂剂实实现现微微通通道道热热量量转转移移。微微通通道道取取得得了了最最大大的的散散热热表表面面积积并并为为高高密密度度的的半半导导体体装装置置提提供供了了改改进进的的热热传传输输效效率率，且且不不会会增增加温度接点或减小可靠性。加温度接点或减小可靠性。正正在在进进行行当当中中的的关关于于微微尺尺寸寸通通道道中中气气流流的的研研究究：MEMSMEMS与与其其周周边环境的能量及动

35、量交换，对系统的响应特性起决定作用；边环境的能量及动量交换，对系统的响应特性起决定作用；关关于于气气体体媒媒介介和和微微装装置置、微微通通道道间间的的动动量量交交换换的的研研究究：有有一一定进展，最典型的是关于氮流动的试验。定进展，最典型的是关于氮流动的试验。第四章30智能传感器的外围技术4.1 微机电系统结构与元器件微机电系统结构与元器件2 2、微光学装置、微光学装置 利利用用微微机机加加工工技技术术生生产产的的大大量量微微光光学学装装置置：光光栅栅、透透镜镜、电电气气互联、光纤联结、校正装置、隐角反射和波导器等。互联、光纤联结、校正装置、隐角反射和波导器等。除硅以外的除硅以外的-半导体材料

36、用于改善光学性能；半导体材料用于改善光学性能；使使用用氩氩、氙氙离离子子束束和和氯氯作作为为反反应应气气体体的的化化学学辅辅助助离离子子束束蚀蚀刻刻处处理理被被用用于于制制造造激激光光表表面面发发射射器器。（3微微米米直直径径的的激激光光器器可可在在室室温温下工作，具有下工作，具有1.5mA以下的电流限制和以下的电流限制和16%的差分量子效率）的差分量子效率）力力学学、光光学学和和电电子子学学在在微微观观尺尺度度上上的的结结合合将将成成为为光光学学微微系系统统中中的一个重要领域。的一个重要领域。第四章31智能传感器的外围技术4.1 微机电系统结构与元器件微机电系统结构与元器件一个微机械加工与光

37、学结合的实例：多硅微扫描仪。一个微机械加工与光学结合的实例：多硅微扫描仪。由由一一个个安安装装在在静静电电驱驱动动微微电电机机转转子子上上的的中中空空镀镀镍镍多多边边形形反反射射器器、一一个个基基于于光光学学和和MEMS元元件件的的微微光光学学机机械械系系统统在在晶晶片片水水平平上上集集成成而而成成，如如下下页页图图。微微扫扫描描仪仪和和可可移移动动光光学学元元件件采采用用非非电电子子镀镀层层技技术术实实现现设设计计和和装装配配。镍镍的的厚厚度度是是210-8米米，宽宽度度是是10-5米米。已已生生产产的的扫扫描描仪仪直直径径从从250到到1,000微微米米不不等等。还还有有2-4微微米米空空

38、间间栅格的衍射光栅微扫描仪，亦采用类似过程制造。栅格的衍射光栅微扫描仪，亦采用类似过程制造。微微光光学学机机械械系系统统装装置置的的关关键键是是在在通通用用基基座座上上构构筑筑不不同同光光学学和机械结构的能力。和机械结构的能力。第四章32智能传感器的外围技术4.1 微机电系统结构与元器件微机电系统结构与元器件 利用光来提供机械能量的利用光来提供机械能量的执行器是又一种应用方案。与执行器是又一种应用方案。与非光学方案相比，光学执行器非光学方案相比，光学执行器具有更高运行速度、更低功耗具有更高运行速度、更低功耗和和更更小小热热膨膨胀胀的的潜潜在在优优点点。光光电电流流作作用用于于一一个个松松弛弛的

39、的硅悬臂，对抗外加静电电压，从而拉紧了杠杆。硅悬臂，对抗外加静电电压，从而拉紧了杠杆。第四章33智能传感器的外围技术4.1 微机电系统结构与元器件微机电系统结构与元器件3 3、微夹具、微夹具目前的微夹具多采用多原目前的微夹具多采用多原硅表面微加工技术制作，由电硅表面微加工技术制作，由电刷驱动器激励。刷驱动器激励。电刷驱动器为几种微执行电刷驱动器为几种微执行器以及用于诸多传感器的振荡器以及用于诸多传感器的振荡结构提供动力。两支可移动的结构提供动力。两支可移动的夹夹臂臂通通过过电电刷刷控控制制，如如上上图图所所示示。其其驱驱动动臂臂长长400m，伸伸展展臂臂长长100 m。通通过过独独立立的的开开

40、启启与与闭闭合合驱驱动动，施施加加30V以以下下的的电电压压于电刷驱动时，夹具产生于电刷驱动时，夹具产生5m的移动。的移动。第四章34智能传感器的外围技术4.1 微机电系统结构与元器件微机电系统结构与元器件4、微探针、微探针用用一一个个悬悬臂臂樑樑接接触触并并扫扫描描穿穿过过样样本本表表面面可可测测取取表表面面形形状状，这这就就是是原原子子显显微微镜镜的的原原理理。该该仪仪器器要要求求有有尖尖头头的的、小小弹弹性性常常数数和和高高谐谐振振频频率率的的机机械械结结构构。而而这这类类悬悬臂臂产产品品具具有有很很好好的的可可再再生生性性特特点点，压压电电特特性性、电电容容变变化化和和压压阻感应技术都

41、可用于感知探针顶尖的偏移。下页图分别为其结构与图像。阻感应技术都可用于感知探针顶尖的偏移。下页图分别为其结构与图像。一一个个实实际际探探针针结结构构的的例例子子：探探针针总总长长175m，尖尖端端部部分分75m，探探针针宽宽度度90m，该结构计算的弹性常量该结构计算的弹性常量4N/m。原原子子显显微微镜镜探探针针可可用用来来测测量量深深度度为为270、以以6.5m为为间间隔隔的的二二氧氧化化硅硅栅栅格。该类装置在剖面和集成电路的检验探测中是非常有用的。格。该类装置在剖面和集成电路的检验探测中是非常有用的。第四章35智能传感器的外围技术4.1 微机电系统结构与元器件微机电系统结构与元器件第四章3

42、6智能传感器的外围技术4.1 微机电系统结构与元器件微机电系统结构与元器件5、微镜面、微镜面数字型微镜面作为显示装置，如数字型微镜面作为显示装置，如图所示。微镜面元是两个薄的柱支撑图所示。微镜面元是两个薄的柱支撑铰链悬挂的铝制镜面，这种适应性铰铰链悬挂的铝制镜面，这种适应性铰链可在任意方向旋转链可在任意方向旋转10度。支柱为偏度。支柱为偏置置/置位总线提供连接，总线将所有排置位总线提供连接，总线将所有排列列镜镜面面连连接接到到一一个个键键合合板板。镜镜片片被被装装配配到到通通用用的的CMOSSRAM单单元元上上，这这些些单单元元为为每每个个镜镜面面提提供供了了寻寻址址电电路路。镜镜面面的的响响

43、应应时时间间大大约约为为10ms并并可可通通过过脉脉宽宽调调制制在在黑黑白白显显示示器器上上提提供供灰灰度度输输出出。现现已已有有768乘乘576像像素素的的单单片片集集成成电路阵列产品问世。电路阵列产品问世。第四章37智能传感器的外围技术4.1 微机电系统结构与元器件微机电系统结构与元器件6、加热元件、加热元件多多点点热热转转换换器器是是标标准准CMOS处处理理方方式式和和体体型型微微机机械械加加工工技技术术结结合合的的产产物物。经经CMOS处处理理后后，一一个个空空腔腔经经体体型型微微加加工工蚀蚀刻刻，产产生生悬悬挂挂式式多多点点热热转转换换器器悬悬臂臂结结构构。聚聚合合硅硅阻阻性性加加热

44、热元元和和铝铝-聚聚合合硅硅热热偶偶接接点点在在玻玻璃璃中中形形成成小小球球状状。玻玻璃璃保保护护了了那那些些元元件件免免受受蚀蚀刻刻并并提提供供了了机机械械支支撑撑。多多点点热热转转换换器器在在低低成成本本、高高精精度度RF和和微微波波功功率率电电路路中中很很有有应应用用潜潜能，下页图为其放大后的图像。能，下页图为其放大后的图像。第四章38智能传感器的外围技术4.1 微机电系统结构与元器件微机电系统结构与元器件第四章39智能传感器的外围技术4.1 微机电系统结构与元器件微机电系统结构与元器件7、热离子发射器、热离子发射器喷喷溅溅式式钨钨热热离离子子发发射射器器结结构构：SiO2绝绝缘缘层层将

45、将喷喷溅溅钨钨与与硅硅基基底底隔隔离离。钨钨通通过过湿湿蚀蚀刻刻成成型型，硅硅在在细细丝丝电电极极下下进进行行湿湿蚀蚀刻刻以以避避免免接接触触。丝丝极极在在5 10-7的的真真空空度度下下进进行行试试验验，一一旦旦丝丝极极开开始始发发射射，会会从从裸裸眼眼可可见见红红色色转转变变为为白白光光。大约大约10nA发射电流下，运行寿命约一小时。发射电流下，运行寿命约一小时。热热离离子子发发射射器器用用作作小小型型扫扫描描式式电电子子显显微微镜镜SEM的的第第一一段段，这这种种SEM体体积小于积小于2cm3，由五小块硅堆砌构成。由五小块硅堆砌构成。热热离离子子近近期期的的发发展展：利利用用半半导导体体

46、加加工工过过程程的的热热离离子子装装置置现现在在已已能能产产生生气气态态微微器器件件，未未来来这这些些器器件件如如果果能能作作为为固固态态装装置置，则则其其批批量量生生产产将将大大大大提提高他们的使用价值。高他们的使用价值。第四章40智能传感器的外围技术4.1 微机电系统结构与元器件微机电系统结构与元器件8、场发射显示、场发射显示场场发发射射显显示示FED由由发发射射微微尖尖端端的的一一个个阵阵列列组组成成。通通常常是是在在掩掩膜膜硅硅晶晶片片内内通通过过蚀蚀刻刻空空腔腔构构成成微微尖尖端端。钼钼尖尖是是真真空空沉沉积积在在空空腔腔中中的的。为为每每个个像像素素装装配配几几百百个个发发射射尖尖

47、端端，在在没没有有可可辨辨析析光光线线损失的情况下，即使有数十个尖端失效也仍能正常使用。损失的情况下，即使有数十个尖端失效也仍能正常使用。生生产产微微尖尖端端的的另另一一方方法法：利利用用多多晶晶硅硅基基片片的的选选择择性性蚀蚀刻刻。利利用用硅硅的的晶晶体体结结构构自自动动产产生生尖尖锐锐的的硅硅尖尖。出出于于其其过过程程的的自自排排列列本本质质，这这种种方方式式的的不不断断发发展展很很可可能能会会最最终终完完全全取取代代印印刷刷电电路路制制版方式。版方式。第四章41智能传感器的外围技术4.1 微机电系统结构与元器件微机电系统结构与元器件9、可伸展微元件可伸展微元件有弹性连接点的微结构已有弹性

48、连接点的微结构已经用于从表面微加工结构的一经用于从表面微加工结构的一个个平平面面制制作作可可移移动动的的三三维维结结构构，如如图图所所示示。微微机机器器人人是是这这种种装装置置的的一一种种可可能能产产品品。聚聚合合物物为为硅硅聚聚合合板板或或骨骨架架结结构构提提供供了了柔柔性性连连接接点点。PSG作作为为牺牺牲牲层层材材料料蚀蚀刻刻得得到到相相对对基基座座的的释释放放结结构构。释释放放结结构构像像纸纸一一样样可可准准确确地地在在铰铰链链处处折折叠叠，并创造出微立方体和昆虫状的三维结构。并创造出微立方体和昆虫状的三维结构。第四章42智能传感器的外围技术4.1 微机电系统结构与元器件微机电系统结构

49、与元器件该结构实现的一个扫描式电该结构实现的一个扫描式电子显微镜子显微镜SEM可作为机器人窃听可作为机器人窃听器的示例见右图。其结构是利用器的示例见右图。其结构是利用多功能多功能MEMS处理实现的。该窃处理实现的。该窃听器包括一个执行器、电子器件、听器包括一个执行器、电子器件、传传感感器器、IR二二极极管管和和一一个个太太阳阳能能电电池池。微微机机器器人人由由一一个个1cm 0.5cm 0.5mm的硅片制作。的硅片制作。第四章43智能传感器的外围技术4.1 微机电系统结构与元器件微机电系统结构与元器件用用于于折折页页结结构构的的表表面面微微加加工工MEMS铰铰链链设设计计：利利用用两两个个聚聚

50、硅硅结结构构层层形形成成双双铰铰链链和和可可移移动动板板，要要求求三三层层结结构构以以获获取取基基础础、轴轴钉钉和和装装订订支支承承，其其折折页页的的可可移移动动结结构构附附在在基基座座上上。剪剪切切铰铰链链在在下下面面编编排排第第二二层层聚聚合合硅硅，然然后后越越过过第第一一层层聚聚合合硅硅。编编排排允允许许支支承承结结构构沉沉积积于于第第一一层层但但不不能能与与其其相相连连。目目前前的的新新结结构构是是利利用用悬悬臂臂在在上上面面施施压压，然然后后固固定定轴轴钉钉。轴轴是是采采用用自自限限制制机机理理设设计计的的，以以防防止止轴轴突突出出于于第第一一层层聚聚合合硅硅之之下下。铰铰链链的的设