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感受振动信号,避免强烈冲击气囊加速度传感器:
感受振动信号,避免强烈冲击对驾驶员造成伤害。
对驾驶员造成伤害。
发生在发生在2020世纪世纪9090年代的故事年代的故事2.2.汽车中气囊汽车中气囊发生在发生在2020世纪世纪9090年代的故事年代的故事发生在发生在2020世纪世纪9090年代的故事年代的故事3.3.微型摄像系统微型摄像系统背着微型摄像系统的蟑螂背着微型摄像系统的蟑螂微型摄像机在地震废墟中微型摄像机在地震废墟中传回图形信号传回图形信号一一、MEMSMEMS的定义及组成的定义及组成MEMSMEMS(MicroElectro-MachanicalSystem,MicroElectro-MachanicalSystem,微机电系统微机电系统)是是2020世纪末发展起来的一门新兴的前沿学科,它是在微电子二世纪末发展起来的一门新兴的前沿学科,它是在微电子二维表面加工技术的基础上发展起来的,以硅、玻璃、有机材料维表面加工技术的基础上发展起来的,以硅、玻璃、有机材料以及金属材料的三维加工技术为基础,结合功能材料及薄膜化以及金属材料的三维加工技术为基础,结合功能材料及薄膜化制备工艺,把微型传感单元、执行单元、微能源以及微电子电制备工艺,把微型传感单元、执行单元、微能源以及微电子电路集成在一个芯片上的具有传感、执行和数据处理功能的微型路集成在一个芯片上的具有传感、执行和数据处理功能的微型系统。
系统。
1.MEMS1.MEMS的定义的定义一一、MEMSMEMS的定义及组成的定义及组成n美国:
微型机电系统美国:
微型机电系统(Microelectro-mechanicalSystem,MEMS)n日本:
微机械日本:
微机械(Micro-machine)n欧洲:
微系统欧洲:
微系统(Micro-system)我们把这些通称为微机电系统我们把这些通称为微机电系统(MEMS)2.MEMS2.MEMS的三大流派的三大流派小型小型(mini-)机械机械(1mm10mm)微型微型(micro-)机械机械(1m1mm)纳米纳米(nano-)机械机械(1nm1mm)1mm=10-6m(微米)、(微米)、1nm=10-9m(纳米)(纳米)1um100mm为微米尺度为微米尺度100nm1mm为亚微米尺度为亚微米尺度1nm100nm为纳米尺度为纳米尺度小于小于1nm为原子团簇为原子团簇一一、MEMSMEMS的定义及组成的定义及组成3.3.微型机械尺寸范围微型机械尺寸范围(按特征尺寸)(按特征尺寸)微型机械微型机械三、三、MEMS组成组成MEMSMEMS是微电子同微机械的结合,如果把微电子电路比作人的大脑,是微电子同微机械的结合,如果把微电子电路比作人的大脑,微机械比作人的五官(传感器)和手脚(执行器),两者的紧密结合,微机械比作人的五官(传感器)和手脚(执行器),两者的紧密结合,就是一个功能齐全而强大的微系统。
就是一个功能齐全而强大的微系统。
4.MEMS4.MEMS的组成的组成一、一、MEMSMEMS的定义及组成的定义及组成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MEMSMEMS控制部分控制部分微电子学微电子学传统的机械电传统的机械电子系统子系统ICIC工艺发展后的工艺发展后的机械电子系统机械电子系统机械系统和传感系统缩小机械系统和传感系统缩小后与控制系统平衡的后与控制系统平衡的MEMSMEMS4.MEMS4.MEMS的组成的组成一、一、MEMSMEMS的定义及组成的定义及组成二、二、微微机电发机电发展史展史“如果有一天可以按照如果有一天可以按照人们的意志安排一个个人们的意志安排一个个原子,那将会产生什么原子,那将会产生什么样的奇迹呢?
样的奇迹呢?
”1959195919591959年年年年量子物理学家理查德量子物理学家理查德费曼费曼在加州理工学院演讲在加州理工学院演讲推荐书:
推荐书:
别逗了,费曼先生:
怪才历险记别逗了,费曼先生:
怪才历险记1.1.追溯追溯(11)起始点)起始点(2020世纪世纪5050年代末、年代末、6060年代初)年代初)集成电路(集成电路(ICIC)技术出现,实现在微米尺度上规模制作电)技术出现,实现在微米尺度上规模制作电子元器件和电路。
子元器件和电路。
重要研究成果重要研究成果:
19541954年:
史密斯发现了压阻效应。
年:
19581958年:
人们用单晶硅制作了半导体应变片,其灵敏度是年:
人们用单晶硅制作了半导体应变片,其灵敏度是金属应变片的数十倍。
金属应变片的数十倍。
19621962年:
第一个硅压力传感器问世。
二、二、微微机电发机电发展史展史2.2.三十年的积累三十年的积累(2020世纪世纪5050年代末到年代末到2020世纪世纪8080年代末)年代末)
(2)萌芽阶段)萌芽阶段(20世纪世纪60年代中期到年代中期到20世纪世纪80年代)年代)开展了一些有关开展了一些有关MEMS的零散研究的零散研究:
硅各向异性腐蚀技术用于在平面硅衬底上加工三维结构。
利用集成电路的加工技术制造利用集成电路的加工技术制造MEMS器件,如悬臂梁、薄膜器件,如悬臂梁、薄膜和喷嘴等。
和喷嘴等。
20世纪世纪70年代,年代,IBM实验室研发了薄膜型硅微压力传感器。
实验室研发了薄膜型硅微压力传感器。
这种传感器比传统薄膜传感器有更高灵敏度,并可批量化生这种传感器比传统薄膜传感器有更高灵敏度,并可批量化生产。
产。
二、二、微微机电发机电发展史展史2.2.三十年的积累三十年的积累1987年年,微机电微机电研究真正研究真正兴兴起起标志标志:
加州大加州大学学伯克利分校研伯克利分校研制制成功成功了了直直径为径为10mm的的硅硅微微马达马达。
第一个丰收的季节第一个丰收的季节第一台静电微马达第一台静电微马达3.3.丰收的季节丰收的季节(2020世纪世纪8080年代末,年代末,9090年代初年代初)世界上第一个微电机(世界上第一个微电机(19881988)1212个固定电极、个固定电极、88个转子电极个转子电极19881988年,伯克利分校科研人员为年,伯克利分校科研人员为直径约直径约120120mm的静电马达通电并的静电马达通电并成功使其运转。
成功使其运转。
二、二、微微机电发机电发展史展史9090年代初,年代初,ADIADI的气囊的气囊加速度计实现产业化。
加速度计实现产业化。
9090年代末,年代末,SandiaSandia实验室实验室55层多晶硅技术代表最高水平。
层多晶硅技术代表最高水平。
二、二、微微机电发机电发展史展史3.3.丰收的季节丰收的季节三、三、MEMSMEMS的特的特点点MEMS器件器件体积体积小、重量小、重量轻轻、耗能低、耗能低、惯性惯性小、小、谐振频率谐振频率高、高、响应时间响应时间短短。
因为惯性质量小,小的系统比大的系统因为惯性质量小,小的系统比大的系统移动更迅速移动更迅速小器件的小尺寸所面临的小器件的小尺寸所面临的热变形热变形和和振动问题振动问题会更小会更小小系统除了具有小系统除了具有更精确的性能更精确的性能外,它们的小尺寸也使得它们外,它们的小尺寸也使得它们更适合应用在药品和手术中更适合应用在药品和手术中1.微型化微型化主要材料主要材料:
硅:
硅优优点:
强点:
强度、硬度度、硬度、杨、杨氏模量氏模量:
与铁:
与铁相相当当密度密度:
近:
近似似铝铝热传导热传导率率:
接近接近钼钼和和钨钨其他材料:
石英,砷化镓其他材料:
石英,砷化镓基底材料基底材料玻璃、塑料和金属玻璃、塑料和金属封装材料封装材料聚合物、金属材料聚合物、金属材料微系统制作微系统制作硅片硅片三、三、MEMSMEMS的特的特点点2.2.制造材料性能稳定制造材料性能稳定用用硅硅微加工工微加工工艺艺在一片在一片硅硅片上可同片上可同时制时制造成百上千造成百上千个个微微型型机电装机电装置或完整的置或完整的MEMSMEMS。
批量生。
批量生产产可大大降低生可大大降低生产产成本。
成本。
在在硅硅晶晶圆片圆片上上制制作作数数百百个压个压力力传感传感元件元件三、三、MEMSMEMS的特的特点点3.3.批量化生产批量化生产不同功能、敏感方向不同功能、敏感方向、致致动动方向的多方向的多个传感器个传感器或或执执行器集成行器集成于于一一体,体,形成形成复杂复杂的微系的微系统统。
集成了传感器、缓冲器、振集成了传感器、缓冲器、振荡器、解调器、信号发生器、载荡器、解调器、信号发生器、载波电容器等。
波电容器等。
三、三、MEMSMEMS的特的特点点4.4.集成化程度高集成化程度高ADIADI公司生产的微加速度计公司生产的微加速度计MEMSMEMS芯片芯片MEMS涉及涉及电电子、子、机机械、材料、械、材料、制制造、造、通讯和通讯和自自动动控控制、物理、化制、物理、化学学和生物等多和生物等多种学种学科科。
三、三、MEMSMEMS的特的特点点5.5.多学科交叉多学科交叉四、典型四、典型MEMSMEMS器件及应用器件及应用一个比蚂蚁头的尺寸还要小得多的齿轮一个比蚂蚁头的尺寸还要小得多的齿轮双层微齿轮双层微齿轮1.MEMS1.MEMS器件器件微齿轮微齿轮四、典型四、典型MEMSMEMS器件及应用器件及应用微齿轮微齿轮图正前方毛毛嘈嘈的东西是一粒灰尘,其后方是一个微机图正前方毛毛嘈嘈的东西是一粒灰尘,其后方是一个微机械部件,只有几个微米!
械部件,只有几个微米!
微机械部件微机械部件微泵微泵微机械部件微机械部件四、典型四、典型MEMSMEMS器件及应用器件及应用美国美国SandiaSandia实验室制作的微驱动系统实验室制作的微驱动系统与一只昆虫触须的对比图与一只昆虫触须的对比图新加坡南洋理工大学齿轮传动机构新加坡南洋理工大学齿轮传动机构微传动机构微传动机构微驱动系统微驱动系统微齿轮传动机构微齿轮传动机构四、典型四、典型MEMSMEMS器件及应用器件及应用超声微超声微马达马达在光纤多路开关中使用在光纤多路开关中使用的静电旋转微马达的静电旋转微马达静电静电微马达微马达电磁型微马达与芝麻电磁型微马达与芝麻微马达微马达国内自主开发几种微马达国内自主开发几种微马达四、典型四、典型MEMSMEMS器件及应用器件及应用远远比比蚂蚁还蚂蚁还小小的微涡轮的微涡轮四、典型四、典型MEMSMEMS器件及应用器件及应用微涡轮微涡轮微型涡轮叶片微型涡轮叶片微型光开关微型光开关用于控制来自光纤的用于控制来自光纤的入射光转到相应的接收光入射光转到相应的接收光纤中。
纤中。
微镜微镜四、典型四、典型MEMSMEMS器件及应用器件及应用MirrorSupportStructureSubstrateHingesTorsionHinges1stDOF2ndDOFForce-redirectingLinkage微镜微镜四、典型四、典型MEMSMEMS器件及应用器件及应用七、七、MEMSMEMS的应用的应用MEMSMEMS应用领域涉及计算机、汽车、通讯、医药、军事等应用领域涉及计算
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