《微装配与MEMS仿真导论》第1章MEMS基本情况介绍.pptx
第一章MEMS基本情况介绍;
微电子机械系统——MEMS(Micro-ElectroMechanicalSystem)的概念于20世纪80年代末提出，它一般泛指特征尺度在亚微米至毫米范围的装置，目前各国对它的定义尚未完全统一。美国MCNC对MEMS的定义是：微电子机械系统是由电子和机械元件组成的集成化微器件或系统，它是采用与集成电路兼容的大批量工艺制造的，并且尺寸在微米到毫米之间。;它将计算、传感与执行融合为一体，从而改变了人类感知和控制自然世界的方式。日本微机械中心的定义是：微机械是由只有几个毫米大小的功能元件组成的，它能够执行复杂、细微的任务。欧洲NEXUS(theNetworkofExcellenceinMultifunctionalMicrosystems)的定义是：微结构产品具有微米级结构，并具有由微结构形状提供的技术功能。微系统由多个微元件组成，并作为一个完整的系统进行优化，以提供一种或多种特定功能，在许多场合包括微电子功能。;上述定义明显地与各国发展MEMS技术的特点、途径有密切关系。美国将与集成电路工艺兼容和集成化制造作为判定MEMS的主要条件，这与美国主要发展硅微加工技术，并在国际上保持领先地位有关。但是，这一定义过于狭隘，将大量非硅材料与工艺制作的微系统排除在MEMS之外。日本研究MEMS的重点是超精密机械加工，它侧重于传统机械的微型化，因此对MEMS的定义以微机械为主，而未对微电子功能作出明确要求。这显然与当前MEMS发展主流存在差距。在欧洲的定义中分为微结构和微系统两个概念，以包含采用LIGA技术制作的微型纯机械零件，但缺乏对MEMS的统一定义。;我们认为MEMS应通过尺寸和功能来定义，而不应限定于任何制作工艺，因为工艺技术是不断发展和完善的。MEMS器件并不能完全用总尺寸来定义，而应用特征尺寸来表征。特征尺寸是决定器件性质和加工工艺的关键尺寸，如静电马达的直径。特征尺寸在毫米级以上的机械电子系统基本上属于传统的机电一体化装置，传统的机械加工技术已经能够满足要求。而特征尺寸在亚微米以下的机械电子系统，由于纳米效应、量子效应的作用，其理论基础与加工技术已经完全改变，应属于最近几年新提出来的纳电子机械系统NEMS(Nano-Electro-MechanicalSystem)的研究范畴。;因此，我们认为MEMS应定义为：微电子机械系统是由特征尺寸在亚微米至毫米范围内的电子和机械元件组成的微器件或微系统，它将传感、处理与执行融为一体，以提供一种或多种特定功能。MEMS的发展使人类的操作和感知能力拓展到纳米、微米空间，将使传统机械产生革命性的变化，近十几年来已经成为世界各国竞相研究的热点。;在微小尺寸范围内，机械依特征尺寸可以划分为1~10mm的小型机械、1μm~1mm的微型机械以及1nm~1μm的纳米机械。微型系统由微型机械各单元构成，也可以包含小型和纳米机械。它是集微型驱动器、微型传感器、微型执行器以及信号处理和控制电路，直至接口、通信和电源等为一体的系统。它也可以是少量单元的集成。微型系统通常可以分为几个独立的功能单元，其输入常是物理量信号，通过传感器转换为电信号，经过信号处理后，由执行器与外界作用。;每一个微系统都可以通过电、光、磁等物理量信号与其他微系统进行通信。微型系统的目标在于通过微型化、集成化来探索新原理、新功能的元件和系统，开辟一个新技术领域，形成批量化产业。微型系统研究涉及元件和系统的设计、能源、材料、制造、测试、控制、集成，以及它们与宏观世界的接口等多方面。在理论上，它涉及微电学、微机械学、微光学、微流体学、微热力学、微摩擦学、材料学、物理学、化学和生物学等理论基础学科。;随着对MEMS研究的深入，不可避免地遇到了大量的力学问题，如“微机械尺度下材料的力学特性有何改变”、“微加工过程对微结构的力学性能有何影响”、“如何从力学角度来评价、选择和设计微执行器”。对微型机械中涉及的材料、结构和流动的力学分析与实验检测已经成为MEMS研究的一个重要分支。由于MEMS尺寸微小，其流动特性、材料与结构的力学行为和物理性质与宏观法则有明显不同，当它受不同环境(湿、热、电、磁、力等)和不同加工过程的影响时，力学参数也会有明显变化。MEMS表现出来的尺度效应、表面效应、隧道效应都远远超出了宏观力学和物理规律范畴。;迄今为止，宏观力学中的物理规律不能完全解释和指导MEMS设计、制造工艺、封装和应用中提出的问题，尤其是对其中很多重要问题还缺少有效的实验研究方法，有待于MEMS研究人员与力学研究人员共同进行深入的研究。;
单晶硅是MEMS中最基本、最常用的材料，因此必须首先对单晶硅的力学特性进行研究。表1.1为单晶硅与其他材料的基本力学