当前课程知识点：MEMS与微系统 > 第一章 概述 > 第1小节 MEMS的定义 > MEMS的定义
各位同学大家好
从今天开始
我们一起来学习一门新的课程
MEMS与微系统
MEMS与微系统
在工业界是一个新的方向
在学术界是一个新的领域
它的人才培养模式、教材建设、课程体系等
还处于一个探索阶段
我们这门课尝试具有
一定深度和广度的课程体系
以此探索深入系统学习
MEMS的课程教材和教法
首先我们来介绍第一章的内容
关于MEMS的概述
MEMS是一个英文的缩写单词
MEMS
它是从Micro-Electro-Mechanical System
这样的一个组合英文词
字头缩写而得到的一个字组
我们把它定义为由微加工技术实现的
包括微结构、微传感器、微执行器
和控制处理电路等组成部分
能够实现测量、处理或执行
这样一些功能的尺度为微米到毫米量级的
一些集成器件 或者集成系统
我们也把它简称为微系统
这样的一个定义给出了MEMS描述
是一个什么东西
除此以外 MEMS的另一个含义
是指制造或者来实现这样一个系统的技术
我们结合第一个定义来看这幅图
这幅图给出了MEMS所能够实现功能的模块
包括测量也就是感知
信号处理、执行
执行还包括对外的信号输出
以及对环境的做功等
那么实现这些功能模块
需要哪些组成单元呢
实现测量和感知主要是依靠传感器
实现信号处理主要是依靠信号处理电路
实现对外的做功和信号输出
主要是依靠执行器
因此这幅图简单的
给出了一个MEMS组成部分
那么把刚才的概念进一步的实体化
MEMS到底是一个什么样子的呢
它实际上是一个片上的多功能系统
在芯片上制造的传感器、信号处理电路
和执行器
那么芯片主体上是硅
当然也包括玻璃或者是有机的一些材料
在这里我们需要注意的一点是
不是所有的MEMS都包含
我们上述的这些功能模块
有可能只包含一个或者是几个
因此从广义上讲
我们把电路系统的集成化叫做集成电路
也就是IC
把其他所有系统的微型化
都可以称为MEMS
那么MEMS是怎么实现的呢
我们首先来看
实现MEMS需要一些基础的工艺过程
这些基础的工艺过程我们可以分为两类
一类是集成电路的制造技术
还有一类是微加工技术
那么集成电路的制造技术对应的是
实现MEMS里边的信号处理电路这一部分
微加工这些工艺
对应着是实现一些基本的微结构
包括梁 板 各种各样的薄膜 体块
或者是缝隙 腔体
微加工技术和集成电路制造技术
结合在一起
也是实现微结构的一种手段
那么在实现一些基本的组成的基础上
我们可以进一步把这些基本单元
组成成一个功能的模块
比如说对于集成电路
我们可以实现信号的调理
实现数据的存储
实现运算
以及实现输出控制等
那么把微结构
把敏感器件组合到一起
我们就实现了一些微传感器、微执行器
这样的一些功能
进一步的我们把这二者再集成到一起
就可以实现测量、处理、执行
和信息处理这样的一些功能
因此对于MEMS
我们需要从基础的制造工艺
包括集成电路的制造工艺和微加工的技术
以此作为基础来实现一些
基本的组成模块
包括晶体管 包括一些梁、板
再由这些基本的组成模块
构成一些单元的功能模块
由功能模块组成整个MEMS的系统
我们来看几个典型的MEMS的例子
这幅图给大家看到的是
最典型的一个MEMS器件
这是ADI公司
开发的ADXL202加速度传感器
这个传感器的结构包括
位于芯片中间的一些机械结构
这些机械结构可以测量X轴和Y轴
两个方向的加速度
所测量的加速度的信号
传输给周围围绕在机械结构这样一圈
全部是信号处理电路
对所测量的加速度信号进行处理
因此这是一个特别典型的一个MEMS器件
这幅图给大家看到的是
美国桑迪亚国家实验室所开发的
齿轮、齿条和棘轮的系统
这是一个非常复杂的一个
用MEMS来实现的传统的机械结构
这个图看到的是一个压力传感器
那么它包括了一个膜片
以及在膜片周围所布置的一些压敏电阻
通过外部压力改变膜片的变形
通过压敏电阻的应变大小的改变
来实现对压力的测量
这个图是德州仪器开发的数字微镜
它是一个更复杂的系统
可以通过对微镜的偏转角度
实现对入射光的反射路径的控制
可以用于图象显示等
这个图是美国SITIME公司开发的
硅的微机械谐振器
可以用来取代我们传统的石英谐振器
作为通信系统的一个重要的组成元件
我们从刚才的几个例子来看
结合MEMS的定义
我们可以看出来
如果想给MEMS的一个准确的定义
是很困难的
我们虽然把它叫做一个微机电系统
或者微电机系统
但是MEMS已经从早期的微机和电
发展到包含了热、光、流体、生化等
非常多的能量域
第二它的处理功能
包括了信号获取 处理 执行 控制 生化反应
有可能只有一种
也有可能有多种
虽然给一个准确的定义还是比较困难的
但是我们能够总结出来MEMS
所具有的一般性的一个特点
我们把它缩写为3M
第一个呢就是微型化
所谓的微型化是指MEMS的尺寸和结构
都比较微小
它的结构通常来讲是几微米
到几十微米 上百微米
那么多个结构组成在一起的芯片
是毫米
最大的也可以到厘米量级
第二个呢是它的多能量域或者多功能
这样的一个特点
也就是MEMS处理的
不仅仅是机械的能或者是电能
而是机械能或者电能
甚至于包括热、光、声、化、磁等等
多个能量域
因此也可以实现复杂的测量
信号处理以及控制等多功能
第三个特点呢是
都是基于微加工技术制造的
虽然也有一些体系或者是器件
或者是系统处于我们前面所说的
这样的一个尺寸范畴
但是如果不是用微加工技术来制造
那么我们也很少把它定义成MEMS
还是看德州仪器DMD的这个例子
那么它是一个最典型的MEMS的一个器件
我们可以看出来
它通过电信号控制微镜的偏转
由微镜的偏转再控制入射光的反射角度
因此这一个体系里边包含了电信号
包含了机械 还包含了光学
因此这是一个多能量的一个系统
那么它的结构和尺寸
又和每一个像素单元的大小有关
通常来讲是在十几微米的尺寸
因此这个符合我们的定义
第三它是基于微加工技术制造出来的
如此小的一个尺寸
如此复杂的一个多层结构
那么只有通过微加工的技术才能实现
在MEMS一般性的特点的基础上
我们可以分析一下
MEMS有哪些的优点
比如说微加工技术这样的一个特点
那么它对应着优点
例如批量生产
可以和集成电路集成
同时呢由于它可以微加工
所以它可以很容易的实现器件的冗余
或者是组成阵列
这样带来的一些成本低
系统简单噪声低
可靠性高等
那么对应着微型化
它的两个特点
一个是小的尺寸
那么小的尺寸在很多器件
可以获得更高的灵敏度
它的响应速度也更快
另外它抗冲击
抗过载的能力也会更强
那么对应着它的尺度效应
所谓的尺度效应是指
随着尺寸减小到一定程度
才出现的一些物理或者化学效应
比如说在尺度效应里边
对应的隧穿效应
那么在宏观的情况下是不容易出现的
但是在微观的情况下
我们可以在满足一定条件的情况下
获得隧穿效应
那么这些隧穿效应可以作为传感器的
一个新的敏感的机理
最后一个是多样性
这里边包括了多功能和多能量域
那么这些特点可以为我们获得一些
复杂功能系统提供一些有意的帮助
-第1小节 MEMS的定义
--MEMS的定义
-第1小节 MEMS的定义--作业
-第2小节 MEMS的应用领域
-第2小节 MEMS的应用领域--作业
-第3小节 MEMS的发展
--MSMS的发展
-第3小节 MEMS的发展--作业
-第4小节 MEMS的发展（续）
-第4小节 MEMS的发展（续）--作业
-第1小节 应力和应变
--应力与应变
-第1小节 应力和应变--作业
-第2小节 弹性梁
--弹性梁
-第2小节 弹性梁--作业
-第3小节 弹性梁（续）
--弹性梁（续）
-第3小节 弹性梁（续）--作业
-第4小节 薄板与流体的基本概念
-第4小节 薄板与流体的基本概念--作业
-第5小节 流体的基本概念（续）
-第5小节 流体的基本概念（续）--作业
-第6小节 静电力
--静电力
-第6小节 静电力--作业
-第7小节 尺寸效应
--尺寸效应
-第7小节 尺寸效应--作业
-第1小节 MEMS光刻技术
--MEMS光刻技术
-第1小节 MEMS光刻技术--作业
-第2小节 体微加工技术—各向同性湿法刻蚀
-第2小节 体微加工技术—各向同性湿法刻蚀--作业
-第3小节 体微加工技术—各向异性湿法刻蚀
-第3小节 体微加工技术—各向异性湿法刻蚀--作业
-第4小节 体微加工技术—各向异性湿法刻蚀（续）
-第4小节 体微加工技术—各向异性湿法刻蚀（续）--作业
-第5小节 体微加工技术—干法刻蚀
-第5小节 体微加工技术—干法刻蚀--作业
-第6小节 体微加工技术—时分复用深刻蚀
-第6小节 体微加工技术—时分复用深刻蚀--作业
-第7小节 体微加工技术—时分复用深刻蚀（续）
-第7小节 体微加工技术—时分复用深刻蚀（续）--作业
-第8小节 体微加工技术—稳态深刻蚀
-- 体微加工技术—稳态深刻蚀
-第8小节 体微加工技术—稳态深刻蚀--作业
-第9小节 体微加工技术—干法刻蚀设备与应用
-第9小节 体微加工技术—干法刻蚀设备与应用--作业
-第1小节 表面微加工技术概述
-- 表面微加工技术概述
-第1小节 表面微加工技术概述--作业
-第2小节 表面微加工技术的几个问题
-第2小节 表面微加工技术的几个问题--作业
-第3小节 表面微加工代工工艺
-第3小节 表面微加工代工工艺--作业
-第4小节 表面微加工的应用
--表面微加工的应用
-第4小节 表面微加工的应用--作业
-第5小节 厚结构层技术
-- 厚结构层技术
-第5小节 厚结构层技术--作业
-第1小节 键合概述与直接键合
-- 键合概述与直接键合
-第1小节 键合概述与直接键合--作业
-第2小节 阳极键合与聚合物键合
-第2小节 阳极键合与聚合物键合--作业
-第3小节 金属键合与键合设备
-- 金属键合与键合设备
-第3小节 金属键合与键合设备--作业
-第1小节 工艺集成
-- 工艺集成
-第1小节 工艺集成--作业
-第2小节 系统集成
--系统集成
-第2小节 系统集成--作业
-第3小节 单芯片集成与多芯片集成
-第3小节 单芯片集成与多芯片集成--作业
-第4小节 三维集成
--三维集成
-第4小节 三维集成--作业
-第5小节 MEMS封装
--MEMS封装
-第5小节 MEMS封装--作业
-第6小节 MEMS封装(续)
-第6小节 MEMS封装(续)--作业
-第1小节 概述
--概述
-第1小节 概述--作业
-第2小节 压阻传感器
--压阻传感器
-第2小节 压阻传感器--作业
-第3小节 电容传感器与压电传感器
-第3小节 电容传感器与压电传感器--作业
-第4小节 谐振传感器与遂穿传感器
-第4小节 谐振传感器与遂穿传感器--作业
-第1小节 压力传感器
--压力传感器
-第1小节 压力传感器--作业
-第2小节 压阻式压力传感器
-- 压阻式压力传感器
-第2小节 压阻式压力传感器--作业
-第3小节 压阻式压力传感器（续）
-第3小节 压阻式压力传感器（续）--作业
-第4小节 电容式压力传感器与谐振式压力传感器
-第4小节 电容式压力传感器与谐振式压力传感器--作业
-第5小节 硅微麦克风
--硅微麦克风
-第5小节 硅微麦克风--作业
-第1小节 惯性传感器与加速度传感器概述
-第1小节 惯性传感器与加速度传感器概述--作业
-第2小节 压阻式与电容式加速度传感器
-第2小节 压阻式与电容式加速度传感器--作业
-第3小节 电容式与热传导式加速度传感器
-第3小节 电容式与热传导式加速度传感器--作业
-第4小节 微机械陀螺概述
--微机械陀螺概述
-第4小节 微机械陀螺概述--作业
-第5小节 典型微机械陀螺
--典型微机械陀螺
-第5小节 典型微机械陀螺--作业
-第6小节 典型微机械陀螺（续）
-第6小节 典型微机械陀螺（续）--作业
-第7小节 模态解耦合
--模态解耦合
-第7小节 模态解耦合--作业
-第1小节 执行器概述
--执行器概述
-第1小节 执行器概述--作业
-第2小节 静电执行器—平板电容执行器
-第2小节 静电执行器—平板电容执行器--作业
-第3小节 静电执行器—平板电容执行器（续）
-第3小节 静电执行器—平板电容执行器（续）--作业
-第4小节 静电执行器—叉指电容执行器
-第4小节 静电执行器—叉指电容执行器--作业
-第5小节 热执行器
--热执行器
-第5小节 热执行器--作业
-第6小节 压电执行器和磁执行器
-- 压电执行器和磁执行器
-第6小节 压电执行器和磁执行器--作业
-第1小节 RF MEMS概述
-- RF MEMS概述
-第1小节 RF MEMS概述--作业
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--MEMS开关I
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-第3小节 MEMS开关II
--MEMS开关II
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-第4小节 MEMS开关III--作业
-第5小节 MEMS谐振器—梳状谐振器
-第5小节 MEMS谐振器—梳状谐振器--作业
-第6小节 MEMS谐振器—板式谐振器
-第7小节 MEMS谐振器的制造
-第7小节 MEMS谐振器的制造--作业
-第1小节 光学MEMS概述
-- 光学MEMS概述
-第1小节 光学MEMS概述--作业
-第2小节 MEMS光开关I
--MEMS光开关I
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-第3小节 MEMS光开关II
-- MEMS光开关II
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-第4小节 影像再现I—反射器件
-- 影像再现I—反射器件
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-第5小节 影像再现II—衍射器件
-第5小节 影像再现II—衍射器件--作业
-第6小节 影像再现III—干涉器件
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-第1小节 概述
-- 概述
-第1小节 概述--作业
-第2小节 软光刻技术
--软光刻技术
-第2小节 软光刻技术--作业
-第3小节 微流体输运
--微流体输运
-第3小节 微流体输运--作业
-第4小节 微流体输运（续）
--微流体输运（续）
-第4小节 微流体输运（续）--作业
-第5小节 试样处理
--试样处理
-第5小节 试样处理--作业
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--试样处理（续）
-第7小节 检测技术
--检测技术
-第8小节 微流体应用
--微流体应用
-第8小节 微流体应用--作业
-第9小节 微流体应用（续）
--微流体应用（续）
-第9小节 微流体应用（续）--作业
-第1小节 概述
--概述
-第1小节 概述--作业
-第2小节 药物释放 神经探针 生物传感器
-第2小节 药物释放 神经探针 生物传感器--作业
-第3小节 可穿戴与可植入微系统
-第3小节 可穿戴与可植入微系统--作业
