1、1 隨著微隨著微/納米科學與技術納米科學與技術(Micro-Nano- Science and Technology)的發展，以形狀尺寸微小或操作尺度的發展，以形狀尺寸微小或操作尺度極小為特征的微機械已成為人們在微觀領域認識和改造極小為特征的微機械已成為人們在微觀領域認識和改造客觀世界的一種高新技術。微機械由于具有能夠在狹小客觀世界的一種高新技術。微機械由于具有能夠在狹小空間內進行作業而又不擾亂工作環境和對象的特點，在空間內進行作業而又不擾亂工作環境和對象的特點，在航空航天、精密儀器、生物醫療等領域有著廣闊的應用航空航天、精密儀器、生物醫療等領域有著廣闊的應用潛力，并成為納米技術研究的重要手段

2、，因而受到各國潛力，并成為納米技術研究的重要手段，因而受到各國的高度重視，被列為的高度重視，被列為21世紀關鍵技術之首。世紀關鍵技術之首。 微機械微機械美國國會已把微機械的研究作為美國國會已把微機械的研究作為21世紀重點發展的學世紀重點發展的學科之一，美國國家基金會也撥巨資開始了微機械的研究；科之一，美國國家基金會也撥巨資開始了微機械的研究；日本通產省日本通產省1991年開始啟動一項為期年開始啟動一項為期10年耗資年耗資250億億日元的微機械研究計劃；日元的微機械研究計劃；歐共體國家在尤里卡計劃中將微機械作為一個重要的歐共體國家在尤里卡計劃中將微機械作為一個重要的研究內容，并在法、德兩國組織實

3、施。研究內容，并在法、德兩國組織實施。在我國，微機械的研究也逐漸得到重視，國家科委、在我國，微機械的研究也逐漸得到重視，國家科委、原國防科工委、國家自然科學基金委等部門將其列為重原國防科工委、國家自然科學基金委等部門將其列為重點發展項目。點發展項目。 微機械國內外現狀微機械國內外現狀美國：美國：MEMS (Micro ElectroMechanical System) )微機電系統微機電系統日本：日本：Micro-Machine，微機械，微機械歐洲：歐洲：MicroSystems，微系統，微系統第十章第十章 微系統簡介微系統簡介微系統的習慣用語微系統的習慣用語第十章第十章 微系統簡介微系統簡介

4、 微機電系統微機電系統(Microelectro Mechanical Systems, MEMS)(Microelectro Mechanical Systems, MEMS)是在微電子技術基礎上發展起來的多學科交叉的前沿研是在微電子技術基礎上發展起來的多學科交叉的前沿研究領域。經過幾十年的發展，已成為世界矚目的重大科究領域。經過幾十年的發展，已成為世界矚目的重大科技領域之一。它涉及電子、機械、材料、物理學、化學、技領域之一。它涉及電子、機械、材料、物理學、化學、生物學、醫學等多種學科與技術，具有廣闊的應用前景。生物學、醫學等多種學科與技術，具有廣闊的應用前景。目前，全世界有大約目前，全世界

5、有大約600600余家單位從事余家單位從事MEMSMEMS的研制和的研制和生產工作，已研制出包括微型壓力傳感器、加速度傳感生產工作，已研制出包括微型壓力傳感器、加速度傳感器、微噴墨打印頭、數字微鏡顯示器在內的幾百種產品，器、微噴墨打印頭、數字微鏡顯示器在內的幾百種產品，其中微傳感器占相當大的比例。其中微傳感器占相當大的比例。微機電系統微機電系統51 1 什么是微系統什么是微系統2 2 微系統涉及的學科微系統涉及的學科3 3 微系統的特點微系統的特點4 4 微系統的基本特征微系統的基本特征5 5 微系統的實例微系統的實例一、微系統的有關概念一、微系統的有關概念第十章第十章 微系統簡介微系統簡介6

6、 微機電系統是一種集成了微電子電路和微機械執微機電系統是一種集成了微電子電路和微機械執行器行器(和微機械傳感器和微機械傳感器)的微小器件的微小器件(或系統或系統)。它既可根。它既可根據電路信息的指令，控制執行器實現機械操作；也可據電路信息的指令，控制執行器實現機械操作；也可以利用傳感器探測或接受外部信息，傳感器轉換出來以利用傳感器探測或接受外部信息，傳感器轉換出來的信號經電路處理后，再由執行器變為機械操作，去的信號經電路處理后，再由執行器變為機械操作，去執行信息命令。可以說，微機電系統是一種獲取、處執行信息命令。可以說，微機電系統是一種獲取、處理信息和執行機械操作的集成器件。與微機電系統研理信

7、息和執行機械操作的集成器件。與微機電系統研究相關的基礎理論、設計、材料、加工、檢測和應用究相關的基礎理論、設計、材料、加工、檢測和應用技術稱為微機電系統技術。技術稱為微機電系統技術。微機電系統微機電系統-MEMS1. 什么是微機電系統什么是微機電系統 微機電系統微機電系統包括包括微傳感器微傳感器、微致動器微致動器（亦稱微（亦稱微執行器）、執行器）、微能源微能源等微機械基本部分以及高性能的等微機械基本部分以及高性能的電子集成線路組成的微機電器件與裝置。電子集成線路組成的微機電器件與裝置。 微機械：按外形尺寸特征，微機械可分成：微機械：按外形尺寸特征，微機械可分成： 1mm-10mm 微小型機械微

8、小型機械 1um-1mm 微機械微機械 1nm-1um 納米機械納米機械 第十章第十章 微系統簡介微系統簡介8 以微機械為研究對象的微機電系統技術涉及多種學以微機械為研究對象的微機電系統技術涉及多種學科科, ,主要包括主要包括微機械學微機械學、微電子學微電子學、自動控制自動控制、物理物理、化學化學、生物生物、以及、以及材料科學材料科學等基本內容等基本內容, ,是一個多學科、是一個多學科、高技術的邊緣學科。高技術的邊緣學科。 2. 微機電系統涉及的學科微機電系統涉及的學科第十章第十章 微系統簡介微系統簡介9 微機械的一個重要特點是微機械的一個重要特點是“微微”，而隨之帶來的，而隨之帶來的是微機械

9、的尺寸縮小所產生的是微機械的尺寸縮小所產生的尺寸效應尺寸效應現象，即隨著尺現象，即隨著尺寸縮小，物理量并非等比例縮小，當尺寸縮小到一定程寸縮小，物理量并非等比例縮小，當尺寸縮小到一定程度時，宏觀機械的模擬原理和相似理論不再適用。所以度時，宏觀機械的模擬原理和相似理論不再適用。所以微機械的特征和傳統機械有很多不同之處。微機械的特征和傳統機械有很多不同之處。 尺度效應對尺度效應對材料性能、機械特性、摩擦和粘附都材料性能、機械特性、摩擦和粘附都有影響。有影響。3. 微機電系統的特點微機電系統的特點第十章第十章 微系統簡介微系統簡介10 (1)(1)微機械中起主導作用的力是表面力微機械中起主導作用的力

10、是表面力。微型機。微型機械體積小、重量輕械體積小、重量輕, ,因此表面力與體積力相比成為主因此表面力與體積力相比成為主導作用的力。故隨著尺寸的縮小導作用的力。故隨著尺寸的縮小, ,靜電力與重力相比靜電力與重力相比成為主導作用力成為主導作用力, ,所以微機械常用靜電力驅動。與普所以微機械常用靜電力驅動。與普通機械相比通機械相比, ,摩擦力對微機械影響比重力更大一些。摩擦力對微機械影響比重力更大一些。 (2)(2)微機械并不是傳統機械的模擬縮小微機械并不是傳統機械的模擬縮小。設計微。設計微型機電系統并不是追求復雜的機械結構型機電系統并不是追求復雜的機械結構, ,而是著眼于而是著眼于用多個簡單的機械

11、元件、傳感器和人工智能的器件完用多個簡單的機械元件、傳感器和人工智能的器件完成復雜的工作。成復雜的工作。4. 微機電系統的基本特征微機電系統的基本特征第十章第十章 微系統簡介微系統簡介11 (3)(3)在能源供給上在能源供給上, ,如果微型機械系統具有移動和如果微型機械系統具有移動和轉動功能轉動功能, ,電纜就會成為運動的障礙電纜就會成為運動的障礙, ,所以微機械一般所以微機械一般采用靜電力供能，或者使用靜電力激勵供能。因此采用靜電力供能，或者使用靜電力激勵供能。因此, ,原原有適用于傳統機械的方法和原理對于微型機械已不再有適用于傳統機械的方法和原理對于微型機械已不再適用。適用。4. 微機電系

12、統的基本特征微機電系統的基本特征第十章第十章 微系統簡介微系統簡介125 微系統的實例微系統的實例微馬達微馬達第十章第十章 微系統簡介微系統簡介135 微系統的實例微系統的實例微齒輪微齒輪微流量計活動微齒輪，微流量計活動微齒輪，Ni光刻而成，齒輪半徑光刻而成，齒輪半徑200um，高，高230um第十章第十章 微系統簡介微系統簡介145 微系統的實例微系統的實例日本日本DensoDenso公司研制的微型汽車公司研制的微型汽車第十章第十章 微系統簡介微系統簡介15微型軸承微型軸承第十章第十章 微系統簡介微系統簡介5 微系統的實例微系統的實例微軸承微軸承16彈簧，厚彈簧，厚3um，間隙，間隙3-4u

13、m第十章第十章 微系統簡介微系統簡介5 微系統的實例微系統的實例微彈簧微彈簧17微齒輪微齒輪第十章第十章 微系統簡介微系統簡介5 微系統的實例微系統的實例微齒輪組微齒輪組18由由4um厚的多晶硅加工而成，細梁寬厚的多晶硅加工而成，細梁寬2.5um，長，長283um第十章第十章 微系統簡介微系統簡介5 微系統的實例微系統的實例微平行四邊形微平行四邊形19微系統微系統信號處理信號處理傳感器傳感器致動器致動器外部接口外部接口 微系統一般由傳感器模塊（微系統一般由傳感器模塊（微傳感器微傳感器）、執行元）、執行元件模塊（件模塊（微致動器微致動器）、信號處理模塊（處理單元）和）、信號處理模塊（處理單元）和

14、外部接口模塊構成。外部接口模塊構成。二、微系統的組成與應用二、微系統的組成與應用第十章第十章 微系統簡介微系統簡介20 微傳感器是采用微電子和微機械加工技術制造出微傳感器是采用微電子和微機械加工技術制造出來的新型傳感器。與傳統的傳感器相比，它具有體積來的新型傳感器。與傳統的傳感器相比，它具有體積小、重量輕、成本低、功耗低、可靠性高、適于批量小、重量輕、成本低、功耗低、可靠性高、適于批量化生產、易于集成和實現智能化的特點。同時，在微化生產、易于集成和實現智能化的特點。同時，在微米量級的特征尺寸使得它可以完成某些傳統機械傳感米量級的特征尺寸使得它可以完成某些傳統機械傳感器所不能實現的功能。器所不能

15、實現的功能。1. 微傳感器微傳感器第十章第十章 微系統簡介微系統簡介212.微致動器微致動器 將由微傳感器輸出的電、光或熱信號將由微傳感器輸出的電、光或熱信號/信號處理信號處理單元的信號轉換為力、轉矩、位移和相位等物理參單元的信號轉換為力、轉矩、位移和相位等物理參數輸出。數輸出。第十章第十章 微系統簡介微系統簡介22 工作原理是將其他能量（一般是電能）轉換為機械工作原理是將其他能量（一般是電能）轉換為機械能。實現這一轉換的執行機制有：能。實現這一轉換的執行機制有：靜電力靜電力驅動、驅動、電磁力電磁力驅動、驅動、壓電力壓電力驅動、驅動、熱膨脹力熱膨脹力驅動、驅動、磁致伸縮磁致伸縮式驅動、式驅動、

16、氣動氣動、電液電液致動、致動、凝膠凝膠致動、致動、光光致動、致動、超聲波超聲波致動、致動、氣氣泡泡驅動以及驅動以及形狀記憶合金膜片形狀記憶合金膜片驅動等。驅動等。 微致動器的類型、特點微致動器的類型、特點第十章第十章 微系統簡介微系統簡介23靜電致動原理靜電致動原理 靜電致動是一種使電能轉換成機械能（變形能、動靜電致動是一種使電能轉換成機械能（變形能、動能）的方法。靜電致動，可以看成是兩塊帶有相反電荷能）的方法。靜電致動，可以看成是兩塊帶有相反電荷的平行板相互吸引、產生變形而致動。在估算這種微執的平行板相互吸引、產生變形而致動。在估算這種微執行器產生的力時，往往需要忽略靜電力與施加電壓之間行器

17、產生的力時，往往需要忽略靜電力與施加電壓之間的非線性關系。的非線性關系。第十章第十章 微系統簡介微系統簡介24壓電致動原理壓電致動原理 利用壓電晶體（陶瓷、壓電薄膜等）的利用壓電晶體（陶瓷、壓電薄膜等）的逆壓電效應逆壓電效應或稱電致伸縮致動。或稱電致伸縮致動。壓電執行器的不足：壓電執行器的不足：制作工藝比較復雜，而且在電壓制作工藝比較復雜，而且在電壓驅動下位移很小，為了得到較大的位移，可采用雙壓驅動下位移很小，為了得到較大的位移，可采用雙壓電晶體片或多層壓電陶瓷。電晶體片或多層壓電陶瓷。第十章第十章 微系統簡介微系統簡介25壓電行波馬達原理壓電行波馬達原理第十章第十章 微系統簡介微系統簡介26

18、形狀記憶合金致動原理形狀記憶合金致動原理 形狀記憶臺金形狀記憶臺金(Shape Memory Alloy(Shape Memory Alloy，SMASMA) )具有具有形狀記憶效應，即這種合金在高溫定形后，冷卻到較形狀記憶效應，即這種合金在高溫定形后，冷卻到較低溫度，并施加變形，使其存在殘余變形；在這種狀低溫度，并施加變形，使其存在殘余變形；在這種狀態下稍加熱，可使其存在的殘余變形消失，并恢復到態下稍加熱，可使其存在的殘余變形消失，并恢復到高溫下所固有的形狀，就好像合金高溫下所固有的形狀，就好像合金“記住了記住了”高溫狀高溫狀態下所賦予的形狀一樣，所以稱為形狀記憶合金。態下所賦予的形狀一樣，

19、所以稱為形狀記憶合金。 常用的形狀記憶合金有鎳常用的形狀記憶合金有鎳鈦鈦(NiTi)(NiTi)合金、銅合金、銅鋁鋁鎳合金、鐵鎳合金、鐵鎳合金和鐵鎳合金和鐵鉑合金等。鉑合金等。 形狀記憶合金有形狀記憶合金有單程記憶單程記憶和和雙程記憶雙程記憶兩種。兩種。第十章第十章 微系統簡介微系統簡介27致動類型致動原理作用范圍作用力響應速度驅動電壓靜電力驅動電荷um-cm10N60000r/min500V壓電力驅動電荷張力nm-um大高超過1000V形狀記憶合金熱變形恢復力mm1N中等 300r/min5V膜驅動壓力大中等中等-電液驅動電流粘性力中等小到中等中等高機械化學驅動化學反應恢復力小小中等 25c

20、m/min致動器的特性比較致動器的特性比較第十章第十章 微系統簡介微系統簡介28SMA薄膜彈簧薄膜彈簧SMA薄膜機械手薄膜機械手最大開合最大開合110um電熱制動器電熱制動器 800um長，最大伸縮變形長，最大伸縮變形5umSMA薄膜微驅動泵薄膜微驅動泵薄膜厚度薄膜厚度20um第十章第十章 微系統簡介微系統簡介29三、微結構分析時應該注意的問題三、微結構分析時應該注意的問題大變形及變形的非線性大變形及變形的非線性殘余應力效應殘余應力效應尺度效應尺度效應耦合效應耦合效應殘余應力引起的微梁屈曲殘余應力引起的微梁屈曲大變形大變形第十章第十章 微系統簡介微系統簡介30三、微系統的加工三、微系統的加工微

21、系統的加工包括兩個方面微系統的加工包括兩個方面 1 微器件的加工微器件的加工 2 微系統的封裝（裝配）微系統的封裝（裝配）第十章第十章 微系統簡介微系統簡介311. 微器件的加工工藝微器件的加工工藝微器件的加工方法主要有：微器件的加工方法主要有： 1）微電子加工）微電子加工 2）LIGA加工加工 3）機械微加工）機械微加工 4）放電微細加工）放電微細加工 5）激光微細加工）激光微細加工第十章第十章 微系統簡介微系統簡介321）微電子加工）微電子加工 微電子加工以集成電路的制作工藝為基礎，其加微電子加工以集成電路的制作工藝為基礎，其加工方法主要是蝕刻，即腐蝕（化學腐蝕和物理腐蝕）。工方法主要是蝕

22、刻，即腐蝕（化學腐蝕和物理腐蝕）。 集成電路的制作工藝過程如下：集成電路的制作工藝過程如下： 薄膜沉積薄膜沉積光刻光刻表面改性表面改性蝕刻蝕刻封裝封裝微電子加工分兩大類：微電子加工分兩大類： 1）表面微加工）表面微加工制制作兩維結構作兩維結構 2）體微加工）體微加工制制作三維結構作三維結構第十章第十章 微系統簡介微系統簡介33表面微加工舉例表面微加工舉例加工簡單加工簡單的懸臂梁的懸臂梁第十章第十章 微系統簡介微系統簡介34加工有固定錨接點和凸起點的懸臂梁加工有固定錨接點和凸起點的懸臂梁表面微加工舉例表面微加工舉例第十章第十章 微系統簡介微系統簡介352）LIGA加工加工 微系統技術中由集成電路

23、光刻技術、電化學電鑄微系統技術中由集成電路光刻技術、電化學電鑄技術、及高分子成型技術等整合的微光刻電鑄模造技術、及高分子成型技術等整合的微光刻電鑄模造 (LIGA) (LIGA) 工藝，是批量生產高深寬比微組件的最佳方法。工藝，是批量生產高深寬比微組件的最佳方法。標準的標準的 LIGA LIGA 制程使用同步輻射制程使用同步輻射 X X 光為光刻源，可制光為光刻源，可制作次微米精度之微結構，但因其制程成本高、程序復作次微米精度之微結構，但因其制程成本高、程序復雜、時程長，使得以紫外光、激光作為光源的類雜、時程長，使得以紫外光、激光作為光源的類 LIGA LIGA 工藝成為另一種發展趨勢。工藝成

24、為另一種發展趨勢。第十章第十章 微系統簡介微系統簡介36LIGALIGA工藝實例工藝實例第十章第十章 微系統簡介微系統簡介373 3）機械微加工）機械微加工第十章第十章 微系統簡介微系統簡介38在車床加工的槽在車床加工的槽第十章第十章 微系統簡介微系統簡介394 4）放電微細加工）放電微細加工主要有：主要有：微細電火花加工微細電火花加工微細孔加工微細孔加工/微細軸加工微細軸加工/微細銑削加工微細銑削加工微細電火花線切割加工微細電火花線切割加工微細二維零件和模具的加工微細二維零件和模具的加工微細電化學加工微細電化學加工微細孔加工微細孔加工/微細軸加工微細軸加工/微細銑削加工微細銑削加工第十章第十章 微系統簡介微系統簡介40微細電火花加工項目簡介微