机械电子工程学院专业选修课程 微机电系统 Micro-Electro-Mechanical-System(MEMS) 微机电系统.

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1 机械电子工程学院专业选修课程 微机电系统 Micro-Electro-Mechanical-System(MEMS) 微机电系统

2 教材 参考书籍 刘晓明,朱钟淦.《微机电系统设计与制造》国防工业出版社,2006 微系统技术，[德]W.Menz著，王春海等译，
化学工业出版社，2003 半导体制造技术，[美]Michael Quirk & Julian Serda著，韩郑生等译，电子工业出版社，2003

3 课程安排 课 时—— 32 hours 上课时间——第9周-第16周 周一10:20AM，主楼东Room401
考试方式——闭卷 考分比例——期末考试70% 不设中期考试 平时作业与出勤 30%

4 授课内容 微机电系统（MEMS）概论 (2 hours) MEMS的理论基础知识 (2 hours)

5 第一章 微机电系统（MEMS）概论 内容提要 MEMS的基本概念，与宏观机电系统的对比特征 MEMS技术的发展过程与大致技术现状

6 一、MEMS的形成与发展 1、MEMS的形成基础 学科交叉的产物 与机械电子学的关系 机械电子学——机械学、电子学、计算机技术交叉
不是简单的提升 基本组成相同

7 2、MEMS的特点 MEMS的内涵 MEMS的特点 “微” ——尺度效应的作用 “机电”——拓展向更多物理量的融合
“系统”——水平、实际应用现状 MEMS的特点 以实现新功能、特殊性能为前沿目标 微米量级空间里实现机电功能，提升已有性能（包括微型化、集成化、高可靠性等） 采用微加工，形成类似IC的批量制造、低成本、低消耗特征

8 3、MEMS的发展 MEMS发展的重要标志 MEMS与NEMS的关系
20世纪60年代-，集成电路制造工艺，CD目前已达45nm，在1mm2内有若干个G以上容量的单元电路 体微加工、深槽加工技术发展，形成MEMS制造技术。典型代表： 德国LIGA 技术 MEMS发展的重要标志 制作水平方面——微马达（静电） 应用水平方面——Lab-on-a-Chip、微飞行器、微机器人 MEMS与NEMS的关系 ——概念延伸、MEMS工艺为基础、对象向生物化学扩展 生物微马达 生物工程操作 碳纳米管

9 二、MEMS设计的基本问题 工程技术的三要素 MEMS目前阶段关键要素：材料、工艺、结构

10 MEMS设计要求和设计基本思想 要求——高性能/智能化/高效率/低成本/高可靠性 方法——设计中必须考虑 分系统设计层次 按信息流程
建立统一物理特征参量

11 按系统设计层次考虑设计 功能——MEMS主功能含变换、传输、存储三方面。为便于研究、分析、设计……
层次——分系统、子系统、元件（元素）三层次。子系统和元件（元素）之间必须平稳可靠地输入/输出物质、能量、信息…… 接口—— 硬接口—— 以硬件形式。分零接口/主动接口/被动接口/智能接口 软接口——对信息进行平稳的传递、变换、调整。例如平稳地输入输出规格、标准、程序、法律、符号等。

12 按信息、物质、能量流程考虑设计 信息流程、能量流程的概念 智能化的作用、内部构造、信息流程（见书）

13 建立统一的物理特征参量 作用——对机、电、磁、热、流、光等不同物理现象作统一方法的描述，从而纳入统一模型中进行分析
原理——各物理分支特征参量关系均遵从阻量、容量、惯量（感量）作用的相似规律 方法——都参照于同一概念的物理特征参量——电描述，因其分析方法较为成熟方便 阻量 ＝势能变化 / 速度、电流或流量的变化 容量 ＝质量或位移变化/ 势能变化 惯量 ＝势能变化/ 流量（速度或电流）每秒的变化

14 三、MEMS的制造方法概述 MEMS与IC工艺追求不同 从二维到“假三维” 、 “真三维” 以IC平台发展起来为主，非IC工艺日渐丰富

15 1、在IC加工平台上发展的工艺 体微加工技术 湿法加工（化学） 干法加工（物理/化学） 混合加工法 原理：局部区域化的电解电池作用。
特点：质量控制难，对腐蚀速度及腐蚀结构质量的影响因素多 干法加工（物理/化学） 原理：离子轰击、腐蚀分子与硅衬底表面反应 特点：分辨率高，各向异性腐蚀能力强，腐蚀选择比大，能进行自动化操作，设备与工艺成本高等 混合加工法 先进性在于制造新的微结构装置，如波导

16 LIGA= X射线光刻+电铸制模+注塑复制 德文lithograph galvanformung und abformug
高深宽比批量复制微加工技术 ——专为MEMS的LIGA 系工艺（LIGA/准LIGA/DEM） LIGA= X射线光刻+电铸制模+注塑复制 德文lithograph galvanformung und abformug 特点：深度可达数百至1000μm， 高宽比大于200 侧壁平行线偏离在亚微米范围内 利用微电铸和微塑铸可大规模生产 DEM技术 =深层刻蚀（Deepetching）+微电铸（Electroforming）+微复制工艺(Microreplication)

17 表面微加工技术 表面微加工是在基体上连续淀积结构层、牺牲层和图形加工制备微器件 。其应用材料为多晶硅、二氧化硅、氮化硅、磷硅玻璃等。

18 2、非IC工艺 特点 微细电火花 约束化学加工 激光微加工 微注塑、模压加工 激光微固化等 可实现二维半、真三维加工
与超精密机械加工互相借鉴，具有更广应用范围 与IC兼容性问题不利于目前在MEMS中的应用，需要解决

19 3、封装（键合、封装、检测） 键合 基本原理 是封装的主要手段 封装对于IC、MEMS的重要性

20 本章重点难点 重点：微机电系统的发展过程、实际意义与典型应用
难点：MEMS比宏观机电系统优越的基本原理，结合尺度效应理解；MEMS发展与加工技术的关系。 作业：教材第368页第1题

21 本章学习要求 理解MEMS的基本概念，明确其与宏观机电系统的对比特征。 了解MEMS技术的发展过程与大致技术现状。