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1、第第 8 章章 物联网物联网硬件技术硬件技术 学习任务学习任务微电子机械系统（微电子机械系统（MEMSMEMS） 移动设备内置传感器硬件平台移动设备内置传感器硬件平台 数字化传感器及网络接口技术数字化传感器及网络接口技术 Click to add title in here 123本章主要涉及：本章主要涉及：8.1 微电子机械系统（微电子机械系统（MEMS） v微电子机械系统（微电子机械系统（Micro Electro Mechanical System）简称）简称MEMS，是集微型机构、微型传，是集微型机构、微型传感器、微型执行器以及信号处理控制电路、接口、感器、微型执行器以及信号处理控制电
2、路、接口、电源等于一体的机械装置。电源等于一体的机械装置。v它将自然界各种物理量，如声、光、压力、加速它将自然界各种物理量，如声、光、压力、加速度、温度以及生物、化学物质的浓度信息转化为度、温度以及生物、化学物质的浓度信息转化为电信号，并将电信号送入微处理器得到指令，指电信号，并将电信号送入微处理器得到指令，指令被随即发送到微执行器上，对自然界的变化做令被随即发送到微执行器上，对自然界的变化做出相应反应。出相应反应。8.1.1 MEMS简介简介vMEMS在美国称为微机电系统，在日本被称为微在美国称为微机电系统，在日本被称为微机械，在欧洲被称为微系统，机械，在欧洲被称为微系统，v它是指可批量制作
3、的，集微型机构、微型传感器、它是指可批量制作的，集微型机构、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、微型执行器以及信号处理和控制电路、直至接口、通信和电源等于一体的微型器件或系统。通信和电源等于一体的微型器件或系统。微电子机械系统（MEMS） 8.1.1 MEMS简介简介v微电子机械系统不但能够采集、处理与发送信息微电子机械系统不但能够采集、处理与发送信息或指令，还能够按照所获取的信息自主地或根据或指令，还能够按照所获取的信息自主地或根据外部指令采取行动。外部指令采取行动。v它用微电子技术和微加工技术（包括硅体微加工、它用微电子技术和微加工技术（包括硅体微加工、硅表面微加工、硅
4、表面微加工、LIGA和晶片键合等技术）相结和晶片键合等技术）相结合的制造工艺，制造出各种性能优异、价格低廉、合的制造工艺，制造出各种性能优异、价格低廉、微型化的传感器、执行器、驱动器和微系统。微型化的传感器、执行器、驱动器和微系统。 8.1.2 发展概述发展概述v完整的完整的MEMS是由微传感器、微执行器、信号是由微传感器、微执行器、信号处理和控制电路、通讯接口和电源等部件组成处理和控制电路、通讯接口和电源等部件组成的一体化的微型器件系统。的一体化的微型器件系统。v其目标是把信息的获取、处理和执行集成在一其目标是把信息的获取、处理和执行集成在一起，组成具有多功能的微型系统，集成于大尺起，组成具
5、有多功能的微型系统，集成于大尺寸系统中，从而大幅度地提高系统的自动化、寸系统中，从而大幅度地提高系统的自动化、智能化和可靠性水平。智能化和可靠性水平。 8.1.2 发展概述发展概述vMEMS第一轮商业化浪潮始于第一轮商业化浪潮始于20世纪世纪70年代末年代末80年代初，当时用大型蚀刻硅片结构和背蚀刻膜年代初，当时用大型蚀刻硅片结构和背蚀刻膜片制作压力传感器。片制作压力传感器。v由于薄硅片振动膜在压力下变形，会影响其表面由于薄硅片振动膜在压力下变形，会影响其表面的压敏电阻曲线，这种变化可以把压力转换成电的压敏电阻曲线，这种变化可以把压力转换成电信号。信号。v后来的电路则包括电容感应移动质量加速计
6、，用后来的电路则包括电容感应移动质量加速计，用于触发汽车安全气囊和定位陀螺仪。于触发汽车安全气囊和定位陀螺仪。8.1.2 发展概述发展概述v 第二轮商业化出现于第二轮商业化出现于20世纪世纪90年代，主要围年代，主要围绕着绕着PC和信息技术的兴起。和信息技术的兴起。TI公司根据静电驱动公司根据静电驱动斜微镜阵列推出了投影仪，而热式喷墨打印头现斜微镜阵列推出了投影仪，而热式喷墨打印头现在仍然大行其道。在仍然大行其道。 v第三轮商业化可以说出现于世纪之交，微光第三轮商业化可以说出现于世纪之交，微光学器件通过全光开关及相关器件而成为光纤通讯学器件通过全光开关及相关器件而成为光纤通讯的补充。尽管该市场
7、现在萧条，但微光学器件从的补充。尽管该市场现在萧条，但微光学器件从长期看来将是长期看来将是MEMS一个增长强劲的领域。一个增长强劲的领域。 8.1.2 发展概述发展概述v目前目前MEMS产业呈现的新趋势是产品应用的扩产业呈现的新趋势是产品应用的扩展，其开始向工业、医疗、测试仪器等新领域展，其开始向工业、医疗、测试仪器等新领域扩张。扩张。v推动第四轮商业化的其它应用包括一些面向射推动第四轮商业化的其它应用包括一些面向射频无源元件、在硅片上制作的音频、生物和神频无源元件、在硅片上制作的音频、生物和神经元探针，以及所谓的经元探针，以及所谓的片上实验室片上实验室生化药品生化药品开发系统和微型药品输送系
8、统的静态和移动器开发系统和微型药品输送系统的静态和移动器件。件。8.1.3 微电子机械系统的应用领域微电子机械系统的应用领域vMEMS用于取代现有仪器或系统中的元器件，用于取代现有仪器或系统中的元器件，最终发展方向是取代现有大系统的集成微光机最终发展方向是取代现有大系统的集成微光机电系统（电系统（Micro Optical Electro Mechanical System，MOEMS）。）。vMEMS目前主要应用在微机械元器件制造、信目前主要应用在微机械元器件制造、信息、汽车工业、生物医学工程、航空航天、国息、汽车工业、生物医学工程、航空航天、国防军事等多个领域。防军事等多个领域。 8.1.
9、3 微电子机械系统的应用领域微电子机械系统的应用领域（1）微机械元器件制造领域）微机械元器件制造领域v 微马达、微镊子、微齿轮、微开关、微电感、微微马达、微镊子、微齿轮、微开关、微电感、微透镜阵列、微射流器件等，它可使现有仪器设备透镜阵列、微射流器件等，它可使现有仪器设备体积更小、重量更轻、能耗更低、可靠性更高。体积更小、重量更轻、能耗更低、可靠性更高。 （2）信息领域）信息领域v 硬盘、光盘读写头、喷墨打印头，光开关、光衰硬盘、光盘读写头、喷墨打印头，光开关、光衰减器、光滤波器、射频开关、射频移相器、数字减器、光滤波器、射频开关、射频移相器、数字微镜器件（微镜器件（digital mirro
10、r device，DMD）、）、蜂窝电话元器件等都已采用蜂窝电话元器件等都已采用MEMS技术制造。技术制造。8.1.3 微电子机械系统的应用领域微电子机械系统的应用领域（3）汽车工业）汽车工业v 汽车上用于保护驾驶员安全的安全气囊是最汽车上用于保护驾驶员安全的安全气囊是最成熟的成熟的MEMS系统。此外，汽车上的压力传感器、系统。此外，汽车上的压力传感器、废气传感器、碰撞传感器、电喷控制、空气流量废气传感器、碰撞传感器、电喷控制、空气流量传感器和陀螺等也应用了传感器和陀螺等也应用了MEMS技术。技术。（4）生物医学工程）生物医学工程v MEMS技术还可用于制造药物输出系统，如技术还可用于制造药物
11、输出系统，如微泵、微阀、药物喷雾器等。同时，血压传感器、微泵、微阀、药物喷雾器等。同时，血压传感器、血糖分析传感器、生物芯片、心脏起搏器和植入血糖分析传感器、生物芯片、心脏起搏器和植入式微系统等均在研发中。式微系统等均在研发中。8.1.3 微电子机械系统的应用领域微电子机械系统的应用领域（5）航空航天领域）航空航天领域v微陀螺、微加速度计、用于姿态控制的微推进系微陀螺、微加速度计、用于姿态控制的微推进系统、微机械红外非制冷成像系统、微飞行器和微统、微机械红外非制冷成像系统、微飞行器和微（纳、皮）卫星等仪器中也有所应用。（纳、皮）卫星等仪器中也有所应用。（6）国防军事领域）国防军事领域v化学武器
12、识别系统、武器安全引爆系统、敌我识化学武器识别系统、武器安全引爆系统、敌我识别系统、用于地雷探索的磁强传感器，智能炮弹、别系统、用于地雷探索的磁强传感器，智能炮弹、导弹和微型侦察机等。导弹和微型侦察机等。 MEMS陀螺仪陀螺仪 8.1.4微电子机械系统技术微电子机械系统技术v微电子机械系统技术包含了材料、设计与模拟、微电子机械系统技术包含了材料、设计与模拟、加工制造、封装、测试五个方面。加工制造、封装、测试五个方面。（1）MEMS的材料的材料v包括导体、半导体和绝缘材料几类。根据不同包括导体、半导体和绝缘材料几类。根据不同的使用环境，的使用环境，MEMS材料要求耐高温、耐低温、材料要求耐高温、
13、耐低温、耐腐蚀和耐辐射。耐腐蚀和耐辐射。v在微传感器和微执行器的制造中，在微传感器和微执行器的制造中，MEMS需要需要使用具有各种功能的材料，如压电材料、压阻使用具有各种功能的材料，如压电材料、压阻材料、磁性材料和形状记忆合金等。材料、磁性材料和形状记忆合金等。8.1.4微电子机械系统技术微电子机械系统技术（2）MEMS设计与模拟技术设计与模拟技术v MEMS设计与模拟技术包括了专用集成电设计与模拟技术包括了专用集成电路（路（application specific integrated circuit，ASIC）设计、机械微结构设计、加）设计、机械微结构设计、加工工艺流程设计、掩模板设计，以
14、及微传感器工工艺流程设计、掩模板设计，以及微传感器和微执行器结构参数优化与性能模拟等。和微执行器结构参数优化与性能模拟等。8.1.4微电子机械系统技术微电子机械系统技术(3)MEMS加工技术加工技术v MEMS加工技术主要分为硅微加工技术和加工技术主要分为硅微加工技术和非硅微加工技术两类。非硅微加工技术两类。vMEMS硅微加工技术应用了微电子常规工艺，硅微加工技术应用了微电子常规工艺，包括氧化、薄膜制备、光刻、刻蚀、电镀、离包括氧化、薄膜制备、光刻、刻蚀、电镀、离子注入等。子注入等。8.1.4微电子机械系统技术微电子机械系统技术(4)非硅非硅MEMS微加工技术微加工技术v 非硅非硅MEMS微加
15、工技术包括微加工技术包括LIGA、激光、电、激光、电火花等微加工技术。火花等微加工技术。vLIGA技术是技术是Lithographie、Galvanoformung和和Abformung三个德语三个德语单词的缩写，该技术包含了同步辐射单词的缩写，该技术包含了同步辐射X射线光刻、射线光刻、微电铸和微复制三个工艺步骤，能制备高深宽比微电铸和微复制三个工艺步骤，能制备高深宽比聚合物和金属微结构，并能采用微复制工艺进行聚合物和金属微结构，并能采用微复制工艺进行批量生产。批量生产。8.1.4微电子机械系统技术微电子机械系统技术(5)MEMS封装技术封装技术v MEMS封装技术的目的是建立微传感器和微执封
16、装技术的目的是建立微传感器和微执行器与专用集成电路的连接，并减少外部环境对行器与专用集成电路的连接，并减少外部环境对微传感器和微执行器工作的影响。微传感器和微执行器工作的影响。vMEMS封装技术包括倒焊装、重布线、密封封装封装技术包括倒焊装、重布线、密封封装和真空封装等。和真空封装等。v设计设计MEMS器件的封装往往比设计普通集成电路器件的封装往往比设计普通集成电路的封装更加复杂，这是因为要满足工作在严酷环的封装更加复杂，这是因为要满足工作在严酷环境条件下的需求境条件下的需求,例如，冲击、震动、温度变化、例如，冲击、震动、温度变化、潮湿和潮湿和EMI/RFI等。等。 8.1.4微电子机械系统技术微电子机械系统技术(6) MEMS测试技术测试技术v MEMS测试技术主要是对微传感器和微执测试技术主要是对微传感器和微执行器的性能，如微结构力学性能、行器的性能，如微结构力学性能、MEMS器件器件的光学性能、电学性能、以及量程、分辨率、的光学性能、电学性能、以及量程、分辨率、响应频率等进行测试。响应频率等进行测试。v可靠性测试是可靠性测试是MEMS产品进入市场的前提，其产品进入市场的前提，其内
