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微机电系统概述(王小静)
微机电系统概述
机电工程与自动化学院王小静
微机电系统(MEMS)
MEMS是适用于批量制作的,集微型机构、微型传感器、微型执行器、信号处理和控制及通讯接口电路、能源等于一体的能完成特定功能的微系统。
微飞行器
血液压力传感器
MEMS与相关学科领域
MEMS的特点
1)微型化:MEMS器件体积小、重量轻、耗能低、惯性小、谐振频率高、响应时间短。
2)以硅为主要材料,机械电器性能优良:硅的强度、硬度和杨氏模量与铁相当,密度类似铝,热传导率接近钼和钨。
3)批量生产:用硅微加工工艺在一片硅片上可同时制造成百上千个微型机电装置或完整的MEMS。批量生产可大大降低生产成本。
4)集成化:可以把不同功能、不同敏感方向或致动方向的多个传感器或执行器集成于一体,或形成微传感器阵列、微执行器阵列,甚至把多种功能的器件集成在一起,形成复杂的微系统。微传感器、微执行器和微电子器件的集成可制造出可靠性、稳定性很高的MEMS。
5)多学科交叉:MEMS涉及电子、机械、材料、制造、信息与自动控制、物理、化学和生物等多种学科,并集约了当今科学技术发展的许多尖端成果。
微机电系统研究得到了美国、日本、欧洲等各国政府机构、企业界、高等学校与研究机构的高度重视。源源不断涌现的MEMS器件和系统不但突破了某些传统加工技术的瓶颈,实现了技术的进步,甚至带来了观念的革命和产业结构的更新。其中以美国的表现最为突出。
从八十年代以来,美国政府机构把MEMS作为科技发展的三大重点之一,先后得到了NASA、DARPA、国家科学基金会等数亿美元的资助。1994年发布的《美国国防部技术计划》报告也将微机电系统列为关键技术项目。
本章主要内容
MEMS典型器件及系统
MEMS加工技术
MEMS基础性研究
MEMS典型器件及系统
微型传感器 Micro Sensor
微型致动器 Micro Actuator
射频微机电系统 RF MEMS
微型光机电器件和系统 MOEMS
微型生物机电系统 BioMEMS
微型机器人 Micro Robot
微型动力系统 Micro Power System
微型传感器
微型传感器是MEMS的一个重要组成部分。1962年第一个硅微型威力传感器问世,开创了MEMS的先河。
现在已经形成产品和正在研究中的微型传感器有:压力、力、力矩、加速度、速度、位置、流量、电量、磁场、温度、气体成分、湿度、pH值、离子浓度和生物浓度、微陀螺、触觉传感器等等。
微型传感器正朝着集成化和智能化的方向发展。
谐振式微磁强计
谐振式微加速度传感器
悬臂式微加速度传感器
国外某公司大批量生产的硅微加速度计,中间是传感的机械部分,四周为包括电信号源、放大器、信号处理和自校正电路等的集成电路,集成在3mm×3mm的芯片上,采用硅平面微细加工工艺制作,一块直径10厘米的硅片上可做出几百只微加速度计。已大量用于汽车的防碰撞气袋,每支只需几美元。有人预计微型传感器即将占邻40%的传感器的市场。
微型致动器
微型致动器有:微开关、微谐振器、微阀、微泵、微电机等。
用途:可用于物体的搬送、定位,用于飞机的灵巧蒙皮。
驱动方式主要有:静电驱动、压电驱动、电磁驱动、形状记忆合金驱动、热双金属驱动、热驱动等等。
微型电机是一种典型的微型致动器,可分为旋转式和直线式两类。
谐振式微致动器
电热驱动
射频微机电系统
谐振式MEMS滤波器
微型光机电器件和系统
随着信息技术、光通信技术的发展,宽带的多波段光纤网络将成为信息时代的主流,光通信中光器件的微小型化和大批量生产成为迫切的需求。MEMS技术与光器件的结合恰好能满足这一要求。由MEMS与光器件融合为一体的微型光机电系统(MOEMS)将成为MEMS领域中一个重要研究方向。
随着微机电研究的深入,光学内容逐渐进入其中,从而出现了将光、机、电系统集成在一起的系统,构成微光机电系统。
微光机电系统的研究内容主要有光通信用波分复用器、光开关、显示器、微型光谱仪、光学连接器、可调波长滤波器、微光扫描器、微斩波器、微干涉仪、微可变焦透镜、微外腔激光器、微镜阵列、透镜阵列、光学探测器、集成光学系统、光学编码器等。其中,光通讯用光开关、微型光学传感器以及显示器是目前最被看好的部分。
TI公司的数字微镜显示器(DMD),通过CMOS技术将数百万4×4平方微米的铝镜阵列与控制电路集成在一起。每个微镜可以进行±10度的扭转,从而达成“1”和“0”两个状态。其响应时间可以达到1ms。目前这一产品已经上市,并成功进入了投影仪市场。
TI公司推出的基于MEMS工艺的利用静电驱动的数字微镜
(DMD,Digitia