当前课程知识点:MEMS与微系统 > 第一章 概述 > 第3小节 MEMS的发展 > MSMS的发展
MEMS是一个新的学科领域
也是一个新的工业领域
它的发展时间
大概只有60年左右的时间
我们来看MEMS的发展
MEMS的发展大体上
是从20世纪的50年代开始
我们现在可以
把20世纪50年代叫做MEMS的萌芽时期
60年代是MEMS的起步时期
到了70年代MEMS开始比较快速的成长
到了80年代是MEMS的高速的发展时期
那么20世纪90年代
MEMS进入到了一个更加壮大的阶段
那么进入到一个新的世纪
可以说MEMS完全处于一个辉煌的时期
仙童公司实现了第一个平面集成电路
由此集成电路进入了
一个爆炸式的成长阶段
可以说MEMS的早期发展
与集成电路的早期发展
基本上时间是一致的
比如说1958年在德州仪器
第一个集成电路诞生的时候
Kurtz博士在美国成立了
第一个硅基传感器公司
这个传感器公司叫Kulite
今天他仍旧是传感器领域里
特别是高温压力传感器领域里
世界著名的产品生产商
那么他成立这个公司是
通过许可Bell实验室的专利
来生产硅的应变器件
在那个时候硅的制造技术
还没有充分的发展
因此硅的应变器件
是靠机械切削的办法
所切割出来的硅条来实现的
我们来看这个照片
这就是当初切削硅条
所实现的硅的硬件器件
这个照片是Kurtz博士
这个照片是Kulite
最开始成立的时候公司大门的照片
在50年代
Bell实验室发现硅的压阻效应的同时
他们也发现了
碱金属溶液对硅的不同的晶向
具有不同的腐蚀特性
那么这个成为
后来湿法各向异性刻蚀硅的基础
在1959年到1961年
Bell实验室先后报道了
用氢氟酸和硝酸混合溶液
来实现硅的各向同性刻蚀
这样的一个技术
那么这也奠定了
后续的硅的湿法
各向同性刻蚀的一些发展
在50年代一件非常重要的事情
是在1959年的时候
著名的物理学家
Feynman在美国加州的
喷气推进实验室
所召开的美国物理学年会上
做了一个标题为
There is plenty of room
at the bottom的一个演讲
在这个演讲过程中
Feynman博士提出了
在一个很小的面积上
来印刷或者刻蚀
很多字和图书这样的一个想法
提出了在原子尺度来
操作原子的这样一个想法
也提出了微小的马达
来促进血液流动这样的一个想法
那么这些想法直接
促进了MEMS纳米技术
量子计算
分子自组装等技术领域的诞生
可以说这一个演讲是
具有划时代意义的
它甚至于改变了今天人类社会的脚步
Feynman博士不仅是著名的物理学家
他在1963年获得了诺贝尔奖
他还是1988年
美国挑战者号升空以后
爆炸事故调查委员会的主任
同时据说他还非常喜欢开密码锁
到了20世纪60年代
在前面发展的基础上
开始出现简单的硅微的传感器
这里边比较典型的事例
1961年Bell实验室
首先申请了一个
以硅结构作为承载单元
在上面扩散压阻这样的一个想法
它以这个想法申请了美国专利
那么Kulite公司利用这样的
一个专利首先实现了
一个压阻式的压力传感器
他是在一个硅的膜片上扩散压阻
再把膜片
固定在一个圆环的支撑基底上
这个图就是这个示意图
我们来看出一个很薄的硅片
有扩散的压阻
当时的引线
然后一个圆环型的支撑基底
1962年Honeywell公司
第一次实现了
以各向同性技术刻蚀的硅薄膜
1966年Honeywell公司
又开发了用机械切削的办法
在一个体硅材料上
深钻一个孔洞以后留下一层薄膜
来作为压力的承载薄膜
那么除此以外
那么1971年Kulite公司
首先又开发了
第一个硅的加速度传感器
并且采用各向同性技术来
制造了压力传感器
那么体加工技术的发展
主要表现在湿法各向异性刻蚀上
在这里边Bell实验室
做出了突出的贡献
比如说在1966年到1970年之间
Bell实验室先后发表一系列的论文
报道了氢氧化钾刻蚀硅的一些技术
这些论文成为后续
完善氢氧化钾各向异性刻蚀的基础
那么1967年Bell实验室
又发现了利用有机的碱溶液EDP
也可以实现硅的各向异性刻蚀
EDP在发现以后的相当长一段时间里
由于它非常好的刻蚀稳定性
吸引了全世界的注意
但是近年来
由于它对环境的污染
和可能的致癌性已经逐渐被淘汰
在体加工技术发展的时候
1960年美国西屋公司
首先利用表面微加工技术
实现了一个可以谐振的机械结构
那么这个机械结构
可以作为谐振的晶体管使用
虽然在60年代这个器件的出现
标志着表面微加工技术的出现
但实际上由于
并没有足够的注意力吸引到
这个上面来
所以表面技术的发展
比体微加工技术的发展要晚很多
那么1969年
就提出了阳极键合技术
这是后续压力传感器
能够快速发展一个很重要的原因
到了70年代
由于各向异性刻蚀技术的完善
压力传感器产品开始走入市场
比如说1976年
Kulite用各向异性刻蚀
来制造压力传感器
那么1979年IBM
首先实现了氟化氙对硅的各向同性刻蚀
那么这个技术
沉寂相当长的一段时间以后
近年来得到了非常广泛的应用
同时传感器技术
也表现出非常多样性的一些特点
比如说1971年
美国Case Western Reserve University
第一个实现了电路集成的压力传感器
那么1977年
斯坦福大学研制出
第一个电容式的压力传感器
1978年斯坦福大学
又研制成功
第一个压阻式的加速度传感器
那么1978年
加州大学伯克利分校
研制成功
第一个电容式的加速度传感器
那么这个是斯坦福大学
研制成的第一个
压阻式压力传感器的结构图
它的基本结构敏感机理
跟我们今天所使用的
压阻式加速传感器完全一样
那么70年代
除了简单的压力和加速传感器以外
MEMS已经开始向不同的领域扩张
比较典型的代表是
1975年斯坦福大学
已经开始实现了神经探针
实现了气相色谱器件
虽然这个气相色谱器件实现的很早
但是当时并没有引起广泛的注意
那么1977年和1979年
IBM公司和惠普公司
先后实现了热驱动的喷墨打印机喷头
在这样的一个技术的基础上
从80年代开始
喷墨打印机技术逐渐实用化
到90年代在全世界迅速的发展起来
直到相当长的一段时间
喷墨打印机头一直
是MEMS领域里非常重要的产品之一
那么到20世纪的70年代末
出现了全世界的
第一轮MEMS产业化的高潮
这个主要是
以汽车压力传感器
和医疗用的压力传感器
特别是微创手术用的
一次性可抛弃压力传感器
作为主要的牵引力
尽管前面讲到了
很多压力传感器的生产
但是真正开始大批量生产
独立式压力传感器的
是1974年美国国家半导体公司
当然这个公司现在已经被收购
到70年代末开始Honeywell公司
和Motorola以及
飞利浦等都分别推出了
自己的压力传感器产品
进入到80年代
MEMS进入到了一个高速的发展时期
80年代里最重要的事件
是表面微加工技术的诞生
在80年代初
表面微加工技术
在加州大学伯克利开始慢慢的发展
那么它的标志性的事件
是1983年所实现的第一个多晶硅器件
它是以多晶硅作为器件的结构层
以二氧化硅作为器件的牺牲层
所实现的一个谐振器式的结构
在这样的一个技术基础上
伯克利先后在1988年和1989年
报道了一个静电驱动的旋转马达
和横向运动的梳状插指
这个可以旋转的马达
是整个MEMS领域里边的
里程碑式的事件
让人们第一次看到了
MEMS可以实现
一个在某一个坐标轴上
可以无限制运动下去的
这样的一个器件
那么它就具有了
传统机械所具有的功能
因此旋转马达的诞生促进了
全世界在MEMS领域里大量的资金
人力物力的投入
也促使了后来90年代
MEMS的高速发展
除了表面微加工技术
那么新的制造技术也在不断的出现
1982年在德国的卡尔斯鲁厄
诞生了LIGA技术
这个技术结合了
传统机械加工和微加工的共同特点
但是由于需要采用高能的光束
才能进行光刻
这个技术发展一直比较缓慢
近年来采用紫外光
进行LIGA光刻的技术的发展
才使它又一次得到了广泛的应用
那么1986年东芝公司
首先实现了硅片直接键合技术
那么这一技术的发展
对后续SOI等不同技术领域里
起到了重要的推动作用
同时在80年代MIT已经开始了
MEMS计算机辅助设计
也就是CAD的工作
在MEMS制造技术发展的同时
它的新器件也不断的涌现
1980年IBM的K. Petersen
第一个实现了可扭转的微镜
那么这为后续光通信
以及光控制的发展奠定了一个基础
1983年基于硅结构
和氧化锌压电材料的麦克风
第一次出现
那么1986年第一个电容式的
麦克风就已经出现了
这为后续硅微麦克风的发展
奠定了基础
1983年Honeywell
第一次实现了一个可以一次性使用
也就是可抛弃的集成型的血压传感器
1983年IBM苏黎士研究中心的研究人员
发表了扫描探针显微镜的研究成果
这个成果在1986年获得了诺贝尔物理奖
这是整个诺贝尔奖
历史上从成果公布到获奖
最短时间的记录只需要三年
1987年美国Draper实验室
实现了第一个微加工的平面陀螺
那么随后的十年里陀螺技术快速的发展
使我们今天能够享受到
MEMS陀螺所带来的好处
1988年Nova sensor公司
实现了键合的压力传感器
这个照片就是IBM的Petersen
那么下一个图是扫描探针
显微镜的一个工作原理
80年代注定是MEMS非常重要的一个阶段
因为在这里面产生了很多有影响的事件
1982年IBM的Petersen发表了一篇论文
论文的标题是
Silicon as a Mechanical Material
那么从这篇论文开始
硅在MEMS加工领域里的主流材料地位
得以确立
硅的很多加工制造方法
和电学力学特性
在这篇论文里都得到了充分的体现
1983年Feynman
又一次在美国喷气推进实验室
做了一次演讲
在这次演讲里
他回顾了他1959年演讲之后
到他第二次演讲期间
所实现的一些技术进展
并且进一步阐述了
一些超导量子计算等新的方向
那么1985年
IBM的Petersen创建了Nova Sensors公司
这个公司
在MEMS传感器领域里
有非常重要的地位
现在已经被美国通用电器公司收购
1985年惠普实验室的
Barth提出了用表面微加工
这样的一个名词
来表示如何在硅片上方通过牺牲层技术
来制造结构这样的一个工艺流程
这也是表面微加工第一次确定下来
1986年Utah大学
在给DARPA的一个项目建议里
首次使用了MEMS这一个词
这是今天我们能够检索到的
最早的将MEMS写在书面上的一份文献
因此我们一般认为
1986年是MEMS这一名词
第一次出现的年代
1987年在美国
召开了第一届Transducers国际会议
同年在美国召开的
另一个IEEE的国际会议上
有几十个会议的与会人员
在共同讨论这个新方向
到底起个什么名字
最后来自伯克利的
Rager Howe建议就用MEMS
作为这一个新的领域的名字
并且得到了大家的广泛认同
因此我们说在1986年
Utah大学第一次使用了MEMS这一个名字
到1987年MEMS这个名字
开始被学术界广泛认可
1989年在上述会议的基础上
在美国召开了
第一届IEEE MEMS的国际会议
那么这个会议一直维持到今天
是MEMS领域里最高水平的学术会议之一
到了20世纪的90年代
MEMS进一步的
以一个更快的速度壮大和发展
这里边最重要的事情
是1996年德国的Bosch公司
发明了ICPDRIE技术
也就是利用干法实现硅的深刻蚀技术
我们今天的很多MEMS器件
都依赖于这样的一个技术制造实现的
同时MEMS在射频 生物 光学等领域里的
应用也不断拓展
比如说Honeywell在90年代初
实现了微加工技术的非制冷焦平面阵列
那么这一技术路线一直是
今天非制冷化焦平面技术的主要路线
-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
-第2小节 MEMS开关I
--MEMS开关I
-第2小节 MEMS开关I--作业
-第3小节 MEMS开关II
--MEMS开关II
-第4小节 MEMS开关III
-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
-第2小节 MEMS光开关I--作业
-第3小节 MEMS光开关II
-- MEMS光开关II
-第3小节 MEMS光开关II--作业
-第4小节 影像再现I—反射器件
-- 影像再现I—反射器件
-第4小节 影像再现I—反射器件--作业
-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
-第6小节 影像再现III—干涉器件--作业
-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
-第6小节 试样处理(续)
--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