孙道恒

张玉德

王明亮

郑剑铭

Xiamen University Institutional Repository

综 述  52 微机电系统（MEMS）的研究进展 孙道恒  王明亮  郑剑铭  张玉德 (厦门大学机电工程系) 一、MEMS的发展概况 1. 微机电系统的定义   美国：MicroEletroMechanical Systems (MEMS), are integrated micro-devices or systems combining electrical and mechanical components, fabricated using integrated circuit (IC) compatible batch-processing techniques, and varying in size from micrometers to millimeters. These systems merge computation with sensing and actuation to change the way we perceive and control the physical world. 日本：Micromachines are composed of functional elements only a few millimeters in size and are capable of performing complex microscopic tasks. 欧洲：A Microsystem is an intelligent miniaturized system comprising sensing, processing and/or actuating functions. These would normally combine two or more of the following: electrical, mechanical, optical, chemical, biological, magnetic or other properties, integrated onto a single or multichip hybrid. NEXUS：Microstructure products have structures in the micron range and have their technical function provided by the shape of the microstucture. Microsystems combine several microcomponents, optimized as an entire system, to provide one or several specific function in many cases including microelectronics. IEC：微系统是微米量级内的设计和制造技术。它集成了多种元件，并适于以低成本、大批量生产。——概括了各定义的共性。 2. 微机电系统(MEMS)的发展 1959：美国物理学家、诺贝尔奖获得者R. Feynmam 提出微型机械的设想。 1962：硅微压力传感器问世。  1987：静电微电机，直径 60~120m，美国 1988 年起：美国科学财团、政府部门每年投入数以千万美元的经费；德国在 MEMS 的研究方面每年投资7千万美元 ； 1992：日本通产省启动一项为期十年、耗资 250亿日元的“微型机械研究计划”。投资3000万美元筹建微机器人研究中心；韩国、香港、台湾等。 力 其它 光 声 温度 化学 传     感      器 模拟信号处理 数字信号处理 模拟信号处理 与其它微系统的通讯/接口 执      行      器 能量 其它 状态 运动 信息 综 述  531990：在柏林召开了第一届国际微系统技术会议，144篇论文； 1991、1992、1994 年又在柏林分别举行了第二、三和四届国际微系统技术会议。 IEEE 已举办了多次国际会议。四个国际组织（IDF、AIP、IEEE、ASNE）联合创办了《微型机械学与微型工程》杂志（季刊，美国）。 1988：国家自然科学基金委批准首项 MEMS 基金申请；1992 年又立重点项目“微型机械理论及基础技术研究”，由清华大学主持，主要研究微型马达、微型泵；1990 年 12 月中国科学院在北京召开第一届微型机械研讨会 ，至今第五届。 1999：直径为 2mm和 1mm的微电机，上海交通大学  器件：Micro Sensor (Accel, Gyro, Pressure etc.), Actuator (Motor, Relay,etc.), Fluidic, (Pump, Pipe, etc.),  Communication (RF,Optical Switch), TAS, DMD, Systems.加工工艺：DRIE，LIGA、激光堆积 设计：Coventer、Intellisense、ANSYS 3. MEMS 市场需求  二、MEMS器件及其应用 1、 传感器  压力、惯性、温度、化学等传感器 应用：汽车轮胎 2、微致动器 微马达：胃肠检查、机器人、飞机 微进给：精密加工、微操作 微泵：施药系统、芯片冷却、体内循环继电器   NEXUS市场分析与预测   新兴 MEMS 产品市场份额   MEMS 产品市场需求变化   1996、2002 年各类 MEMS 器件的市场份额  1996、2002 年，MEMS 器件应用领域 综 述  54 驱动方式：压电、静电、电磁、热、激光 3、通讯器件 RF、Optical Switch、天线、电感 4、MEMS 系统 微机器人、微飞机、皮卫星、Smart Dust、生物芯片、芯片实验室、DMD、测微计、微机械锁 三、MEMS 的主要研究内容 1. MEMS 的特点 优点：体积小、重量轻、惯性小、功耗低、谐振频率高、响应时间短、性能稳定、性能一致性好及可批量生产等。能完成大系统不能完成的任务，从而改变人类感知和控制物质世界的方法。 特点： 突破性：MEMS 是对传统大尺寸机电系统概念上的突破。特征尺寸小到微米和/或纳米量级，大尺寸机电系统的某些物理特性可能不再适用，需要进行微小尺寸机械的机理研究，突破传统理论的限制。首先需要突破大尺寸机械的概念，开展微机理研究，包括尺度效应和表面效应、微流体力学效应、力学及热力学效应。还需开展微机械特性、微摩擦、微光学、微系统表征与计量方法的研究。注意利用机电热、固液气、物理和化学相结合的交叉、耦合研究方法。 多学科综合性：涉及微电子学、微机械学、微动力学、微流体学、微热力学、微摩擦学、微光学、材料学、物理学、化学及生物学等，还涉及元器件和系统的设计、制造、测试、控制、集成、能源、材料，以及与外界的联结等多方面。 创新性：MEMS 本身就是科技创新的产物，其概念、机理、设计、加工等方面都不同于传统的大系统。设计方面，宏观世界的结构知识与法则，有些对MEMS不再适用；材料方面，除微电子工业使用的  角振动传感器   角速度传感器  加速度传感器  Touch Mode pressure sensor (Ko, W.X.) 综 述  55材料外，微传感器和微执行器还需开发其他材料，如陶瓷和聚合物材料等，必须全面认识材料的机械特性，如残余应力、杨氏模量、泊松比、极限应力及疲劳强度等；制造方面，在微电子制造工艺的基础上，发展了体硅和表面硅加工工艺，后来又有深反应离子刻蚀（DRIE）、LIGA、准分子激光和光成型等多种工艺创新。 2、研究内容 (1) MEMS 基础理论研究 主要包括 MEMS的尺寸效应、微结构的力学性能、微系统的力热磁、固液气、物理化学等耦合作用的机理、本构关系以及新的微观物理效应的机理和应用等的研究。 (2) MEMS 计算机辅助分析、设计、性能仿真及其可视化（虚拟设计）的研究 考虑MEMS设计与制造的特殊性，MEMS CAD既不同于传统机电CAD，又不同于微电子CAD，必须研究开发适合于 MEMS的 CAD系统。主要包括多学科（多域）计算机仿真技术、制作工艺的模拟仿真与参数控制、微系统的虚拟设计技术、微系统的运行性能、状态的仿真等的研究。 (3) MEMS 制造技术的研究 制造技术是MEMS的基础，是实现 MEMS产业化的关键。包括材料、工艺、测试及封装技术等。  (4) MEMS 器件、系统及应用的开发研究 微传感器的研究与开发：主要包括压力、惯性传感器、生物、医学传感器、新型高精度惯性器件。 微致动器的研究与开发：主要包括压电、静电、电磁、热及光致动器等。 微通讯器件的研究与开发。 微系统的集成与应用系统的开发的研究。如微惯性测量组合与GPS的结合及其在航空、汽车、航海等领域的应用。 (5) 微传感器的产业化研究 针对几种微传感器，就如何达到批量生产、形成产品，提高产品的可靠性、降低成本等问题做必要的前期工作。 四、近期研究工作（厦门大学） 1、研究基础 (1) 筹建厦门大学“萨本栋微机电研究中心”，投入 4500万元； (2) 人才培训 ； (3) 校友、国际著名传感器专家葛文勋教授将其设计且已经形成产品的系列微 压力传感器的相关技术提供给我校，作为“萨本栋机电研究中心”先期技术与产品；  (4) 厦门大学 多学科特征； (5) 几年来厦门大学承担了多项国家、部、省级及校自筹经费的MEMS研究项目，项目经费约180万元。 2、近期研究工作 ( 1 )  M E M S 系统级建模与仿真理论与方法的研究 (a) MEMS 是典型的多域耦合问题 涉及力学、机械、电子、光学、流体、电磁及化学、生物等多个技术领域与学科。 MEMS强调集成思想：在单一或多个芯片上集成传感、信号处理、控制及驱动于一体; MEMS 更强调系统整体特性，如传感器、致动器。必须将场、电路分析结合起来，建立系统方程，统一求解。当前，这一问题在国际上倍受关注，是 MEMS研究领域的热点之一。如 ACRS，IEEE; DARPA，NSF; ANSYS，CFDRC，Coventer, MEMSCAP, Intellisense, Motorola⋯ (b) MEMS 的系统级建模方法 直接进行大规模数值计算，精度较高，但计算费用相当大，分析、设计周期长，同时也不利于MEMS设计、制造人员的接受和使用。 人们更倾向于在不显著降低精度的前提下，对耦合场进行简化，大幅度减少系统的自由度数，建 综 述  56    综 述  57是 GP具有同时确定模型的结构、参数的能力。 SPIE 2001 (e)系统级建模的理论基础 基变换：Arnoldi, 图像压缩, 小波变换 ( 2 )  M E M S 器件的研究 微机械隧道陀螺仪及其产业化的研究 微压力传感器及其产业化的研究 微温度传感器 微继电器 光开关  ( 3 )  M E M S 电化学加工工艺（CELT）的研究   五、总  结 MEMS 的发展将引起一次新的技术革命，是公认的二十一世纪最具潜力的高新技术之一。  MEMS 发展虽然非常迅速，但距离实用化、市场化相差甚远，还需做大量艰苦的工作。   

微机电系统(MEMS)的研究进展

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微机电系统(MEMS)的研究进展

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