《微电子学概论》Cha》PPT课件.ppt
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1、微机电系统微机电系统Micro-Electro-Mechanical Systems引引 言言?信息系统微型化信息系统微型化系统体积大大减小系统体积大大减小系统体积大大减小系统体积大大减小性能、可靠性大幅度上升性能、可靠性大幅度上升性能、可靠性大幅度上升性能、可靠性大幅度上升功耗和价格大幅度降低功耗和价格大幅度降低功耗和价格大幅度降低功耗和价格大幅度降低?信息系统的目标:微型化和集成化信息系统的目标:微型化和集成化微电子解决电子系统的微型化微电子解决电子系统的微型化微电子解决电子系统的微型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非电子系统成为整个系统进一步缩小的关键非
2、电子系统成为整个系统进一步缩小的关键非电子系统成为整个系统进一步缩小的关键机械机械部分部分传感传感执行执行控制部分控制部分电子学电子学MEMS微电子学微电子学?微机电系统微机电系统/微电子机械系统微电子机械系统 Micro-Electro-Mechanical Systems?微微机械:机械:Micro-machine?微系统:微系统:Micro-SystemMEMS技术技术?从广义上讲,从广义上讲,从广义上讲,从广义上讲,MEMSMEMS是指集微型传感器、微型执行器、是指集微型传感器、微型执行器、是指集微型传感器、微型执行器、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
3、统以及电源于信号处理和控制电路、接口电路、通信系统以及电源于信号处理和控制电路、接口电路、通信系统以及电源于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一体的微型机电系统一体的微型机电系统一体的微型机电系统?MEMSMEMS技术是一种多学科交叉的前沿性领域,它几乎涉技术是一种多学科交叉的前沿性领域,它几乎涉技术是一种多学科交叉的前沿性领域,它几乎涉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、及到自然及工程科学的所有领域,如电子、机械、光学、及到自然及工程科学的所有领域,如电子、机械、光学、及到自然及工程科学的所有领域,如电子
4、、机械、光学、物理学、化学、生物医学、材料科学、能源科学等物理学、化学、生物医学、材料科学、能源科学等物理学、化学、生物医学、材料科学、能源科学等物理学、化学、生物医学、材料科学、能源科学等MEMS 微小型、智能、集成、高可靠微小型、智能、集成、高可靠微小型、智能、集成、高可靠微小型、智能、集成、高可靠?MEMSMEMS是人类科技发展过程一次重大的技术整合是人类科技发展过程一次重大的技术整合是人类科技发展过程一次重大的技术整合是人类科技发展过程一次重大的技术整合微电子技术、精密加工技术、传感器技术、执行器技术微电子技术、精密加工技术、传感器技术、执行器技术微电子技术、精密加工技术、传感器技术、
5、执行器技术微电子技术、精密加工技术、传感器技术、执行器技术?微小型化、智能化、集成化、高可靠性微小型化、智能化、集成化、高可靠性微小型化、智能化、集成化、高可靠性微小型化、智能化、集成化、高可靠性?MEMSMEMS能够完成真正意义上的微小型系统集成能够完成真正意义上的微小型系统集成能够完成真正意义上的微小型系统集成能够完成真正意义上的微小型系统集成在芯片上实现了力、热、磁、化学到电的转变在芯片上实现了力、热、磁、化学到电的转变在芯片上实现了力、热、磁、化学到电的转变在芯片上实现了力、热、磁、化学到电的转变?MEMSMEMS极大地改善了人类生活的质量极大地改善了人类生活的质量极大地改善了人类生活
6、的质量极大地改善了人类生活的质量大批量、低成本的传感器生产方式给人们更多的保护大批量、低成本的传感器生产方式给人们更多的保护大批量、低成本的传感器生产方式给人们更多的保护大批量、低成本的传感器生产方式给人们更多的保护?MEMSMEMS将会带动一个充满活力的产业迅速成长将会带动一个充满活力的产业迅速成长将会带动一个充满活力的产业迅速成长将会带动一个充满活力的产业迅速成长不是钢铁、汽车、微电子,而是微系统不是钢铁、汽车、微电子,而是微系统不是钢铁、汽车、微电子,而是微系统不是钢铁、汽车、微电子,而是微系统ADIADI公司公司公司公司生产的微生产的微生产的微生产的微加速度计加速度计加速度计加速度计M
7、EMSMEMS芯芯芯芯片片片片?MEMS在航空、航天、汽车、生物医学、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、微惯性传感器及微型惯性测量组合能应用于制导、微惯性传感器及微型惯性测量组合能应用于制导、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、汽车防卫星控制、汽车自动驾驶、汽车防撞气囊、汽车防卫星控制、汽车自动驾驶、汽车防撞气囊、汽车防卫星控制、汽车自动驾驶、汽车防撞气囊、汽车防抱死系统抱死
8、系统抱死系统抱死系统(ABS)(ABS)、稳定控制和玩具稳定控制和玩具稳定控制和玩具稳定控制和玩具微流量系统和微分析仪可用于微推进、伤员救护微流量系统和微分析仪可用于微推进、伤员救护微流量系统和微分析仪可用于微推进、伤员救护微流量系统和微分析仪可用于微推进、伤员救护MEMSMEMS系统还可以用于医疗、高密度存储和显示、系统还可以用于医疗、高密度存储和显示、系统还可以用于医疗、高密度存储和显示、系统还可以用于医疗、高密度存储和显示、光谱分析、信息采集等等光谱分析、信息采集等等光谱分析、信息采集等等光谱分析、信息采集等等已经制造出尖端直径为已经制造出尖端直径为已经制造出尖端直径为已经制造出尖端直径
9、为5 5 mm的可以夹起一个红细胞的可以夹起一个红细胞的可以夹起一个红细胞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的微型镊子,可以在磁场中飞行的象蝴蝶大小的飞的微型镊子,可以在磁场中飞行的象蝴蝶大小的飞的微型镊子,可以在磁场中飞行的象蝴蝶大小的飞机等机等机等机等MEMS技术的应用技术的应用MEMS技术的应用技术的应用?空间应用空间应用用用用用作作作作运运运运行行行行参参参参数数数数测测测测量量量量的的的的微微微微加加加加速速速速度度度度计计计计已已已已进进进进行行行行了了了了地地地地面面面面辐照实验,正在进行飞行搭载实验辐照实验,正在进行飞行搭载实验辐照实验,正在进行飞
10、行搭载实验辐照实验,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微陀螺、微推进和微喷管等微系统基础研究微陀螺、微推进和微喷管等微系统基础研究微陀螺、微推进和微喷管等微系统基础研究?通信方面通信方面光光光光通通通通信信信信正正正正在在在在向向向向有有有有光光光光交交交交换换换换功功功功能能能能的的的的全全全全光光光光通通通通信信信信网网网网络络络络方方方方向发展向发展向发展向发展无无无无线线线线通通通通信信信信则则则则要要要要求求求求增增增增强强强强功功功功能能能能(如如如如联联联联网网网网等等等等)和和和和减减减减小小小小功功功功耗耗耗耗。包包包包括括括括美美美美国国国国朗朗朗朗
11、讯讯讯讯公公公公司司司司在在在在内内内内的的的的一一一一些些些些公公公公司司司司和和和和大大大大学学学学正正正正在在在在研研研研究究究究全全全全光光光光通通通通信信信信网网网网用用用用的的的的微微微微系系系系统统统统及及及及无无无无线线线线通通通通信信信信用射频微系统用射频微系统用射频微系统用射频微系统MEMS技术的应用技术的应用?在生物医学方面,将光、机、电、液、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、准确和快生甚至家庭提供简单、廉价、准
12、确和快捷的检测手段捷的检测手段?光显示、高密度存储、汽车、国防等微光显示、高密度存储、汽车、国防等微系统系统MEMS技术的应用技术的应用美国提出的硅固态卫星的概念图,这个卫星除了蓄电池外,美国提出的硅固态卫星的概念图,这个卫星除了蓄电池外,美国提出的硅固态卫星的概念图,这个卫星除了蓄电池外,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,直径仅全由硅片构成,直径仅全由硅片构成,直径仅全由硅片构成,直径仅15cm15cmMEMS技术的历史技术的历史?微系统是从微传感器发展而来的,已有微系统是从微传感器发展而来的,已有几次突破性的进展几次突破性的进展7070年代微机械压力传感器产
13、品问世年代微机械压力传感器产品问世年代微机械压力传感器产品问世年代微机械压力传感器产品问世8080年代末研制出硅静电微马达年代末研制出硅静电微马达年代末研制出硅静电微马达年代末研制出硅静电微马达9090年代喷墨打印头,硬盘读写头、硅加速度年代喷墨打印头,硬盘读写头、硅加速度年代喷墨打印头,硬盘读写头、硅加速度年代喷墨打印头,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计和数字微镜器件等相继规模化生产计和数字微镜器件等相继规模化生产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充分展示了微系统技术及其微系统的巨大应充分展示了微系统技术及其微系统的巨大应充分展示了微
14、系统技术及其微系统的巨大应用前景用前景用前景用前景MEMS技术技术?MEMS用批量化的微电子技术制造出尺寸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从根本上解决信息系统的微型化问题从根本上解决信息系统的微型化问题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实现许多以前无法实现的功能实现许多以前无法实现的功能实现许多以前无法实现的功能?今天的今天的MEMS与与40年前的集成电路类似,年前的集成电路类似,MEMS对未来的社会发展将
15、会产生什么影对未来的社会发展将会产生什么影响目前还难以预料,但它是响目前还难以预料,但它是21世纪初一个世纪初一个新的产业增长点,则是无可质疑的新的产业增长点,则是无可质疑的研究领域研究领域?理理论论基基础础:随随着着MEMS尺尺寸寸的的缩缩小小,有有些些宏宏观观的的物物理理特特性性发发生生了了改改变变,很很多多原原来来的的理理论论基基础础都都会会发发生生变变化化,如如力力的的尺尺寸寸效效应应、微微结结构构的的表表面面效效应、微观摩擦机理等等,应、微观摩擦机理等等,微动力学微动力学微流体力学微流体力学微热力学微热力学微摩擦学微摩擦学微光学微光学微结构学微结构学研究领域研究领域?技术基础:设计、
16、工艺加工技术基础:设计、工艺加工(高深宽比多层高深宽比多层微结构微结构)、微装配工艺、微系统的测量等。、微装配工艺、微系统的测量等。?应用研究:如何应用这些应用研究:如何应用这些MEMSMEMS系统也是一系统也是一门非常重要的学问。人们不仅要开发各种门非常重要的学问。人们不仅要开发各种制造制造MEMSMEMS的技术,更重要的是如何将的技术,更重要的是如何将MEMSMEMS器件用于实际系统,并从中受益。器件用于实际系统,并从中受益。MEMS的分类的分类?微传感器:微传感器:机械类:力学、力矩、加速度、速度、机械类:力学、力矩、加速度、速度、角速度角速度(陀螺陀螺)、位置、流量传感器、位置、流量传
17、感器磁学类:磁通计、磁场计磁学类:磁通计、磁场计热学类:温度计热学类:温度计化学类:气体成分、湿度、化学类:气体成分、湿度、PH值和离值和离子浓度传感器子浓度传感器生物学类:生物学类:DNA芯片芯片MEMS的分类的分类?微执行器:微马达、微齿轮、微泵、微阀门、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、微连杆弹簧、微腔、微沟道、微锥体、微轴、微连杆等等?微机械光学器件:微镜阵列、微光扫描器、微微机械光学器件:
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