第60期“见微知著”培训课程：新兴MEMS传感器和执行器技术

本次课程内容涵盖惯性传感器及其接口电路、谐振式MEMS器件、MEMS微镜、压电式MEMS器件（PMUT、麦克风、扬声器）、生物MEMS传感器（神经探针、生物反应器状态监测传感器），以及MEMS器件设计的进化算法。

Emerging MEMS Sensor and Actuator Technologies

时间：2024年7月6日至7日

地点：北京理工大学重庆微电子研究院

主办单位：麦姆斯咨询、比利时法兰德斯布拉班特省经济局中国代表处、北京理工大学重庆微电子研究院

授课老师：Michael Kraft博士，比利时鲁汶大学电气工程系教授

助理老师：WANG Chen博士，比利时鲁汶大学电气工程系博士后研究员
（注：助理老师负责翻译及中文释疑）

授课老师：谢会开博士，北京理工大学集成电路与电子学院教授/北京理工大学重庆微电子研究院院长

助理老师：姜森林博士，北京理工大学重庆微电子研究院副院长
（注：助理老师负责先进微纳工艺研究中心参观）

为什么参加本次培训课程？

微纳系统（Micro and Nano Systems，MNS）无疑是21世纪的一项关键使能技术，因为其可以帮助解决人类面临的几乎所有重大社会挑战，例如可持续增长、流动性、环境问题，特别是气候变化、健康和可再生能源。这一令人着迷的多学科交叉研究领域必定会在未来数年强劲发展，并且已经成为一项重要的经济驱动因素。

本次培训课程将讲解新兴微机电系统（MEMS）传感器和执行器技术的最新发展及其在各种领域的典型应用，讨论一系列MEMS传感器和执行器的创新概念——所有这些内容都是授课老师Michael Kraft教授积极参与的研究方向。本次培训课程涵盖的主题包括惯性传感器、电容式惯性传感器的接口电路、谐振式MEMS器件、压电式MEMS器件（PMUT、麦克风、扬声器）、生物MEMS传感器（神经探针、生物反应器状态监测传感器），以及MEMS器件设计的进化算法。此外，Michael Kraft教授还带了四个潜在合作项目，涉及PMUT、神经探针、生物反应器状态监测用传感器、电流传感器，可以与国内科研机构及厂商开展研究合作及商业化落地。

本次培训课程还将由北京理工大学集成电路与电子学院谢会开教授讲授MEMS微镜设计、制造及应用，为学员们剖析四种MEMS微镜结构、驱动原理、设计与制造工艺，并分析其典型的光学应用案例，包括MEMS激光雷达、MEMS内窥显微成像、MEMS微型傅里叶变换光谱仪。最后，还将带领学员们参观北京理工大学重庆微电子研究院先进微纳工艺研究中心，该中心拥有一条6英寸微纳加工工艺研发线，现有十级、百级、千级等各类超净间面积1100多平方米，聚焦光学MEMS、声学MEMS、惯性MEMS等工艺研发及加工，同时具备新型半导体材料生长、CMOS-MEMS集成以及三维异质异构集成等先进工艺开发能力。

谁应该参加本次培训课程？

计划进入或最近已经进入高价值MEMS领域的公司工程师；计划从事或已经从事MEMS研究工作的教师、博士或硕士研究生；希望了解MEMS前沿研究和新兴应用的专业人士及投资机构。如果您具备MEMS设计与制造基础知识，那么对于学习本次课程更加有利。

授课结束后，为学员颁发麦姆斯咨询的结业证书。

课程内容：

课程一：MEMS简介及市场潜力

老师：比利时鲁汶大学 教授 Michael Kraft

本课程概述MEMS技术并探讨其市场发展潜力：讨论MEMS器件的基本原理，重点介绍MEMS器件的小型化、集成化和多功能性；探讨MEMS技术在消费电子、汽车电子、生物医疗、航空航天等行业的多样化应用。本课程旨在通过洞察MEMS器件的市场潜力，展示对MEMS产品不断增长的需求以及MEMS市场创新和扩张的机会。

课程提纲：
• 我的背景
• MEMS从何而来？
  - 历史
  - 定义
  - 发展
• 当前MEMS市场和未来预测
• 值得关注的新兴MEMS应用和公司

课程二：MEMS惯性传感器的最新发展

老师：比利时鲁汶大学 教授 Michael Kraft

本课程讲解MEMS惯性传感器领域的最新进展和创新之路，包括精度、灵敏度、小型化和集成能力的改进与提升，以及新兴的技术发展趋势，例如使用新型材料、先进的信号处理技术和增强的校准方法来提高MEMS惯性传感器的性能。此外，本课程还介绍MEMS惯性传感器在导航系统、运动跟踪、机器人、虚拟现实（VR）/增强现实（AR）等领域的应用情况，展示惯性传感技术进步对众多行业的潜在影响。

课程提纲：
• MEMS加速度计工作原理
• 商用MEMS加速度计示例
• 高性能MEMS加速度计
• 反弹簧（Anti-spring）低噪声MEMS加速度计
  - 案例研究：自动调谐静电式反弹簧MEMS加速度计
• MEMS陀螺仪工作原理
• 商用MEMS陀螺仪示例
• 案例研究：调频MEMS陀螺仪

课程三：电容式MEMS惯性传感器的智能控制接口

老师：比利时鲁汶大学 教授 Michael Kraft

本课程深入探讨专为电容式MEMS惯性传感器定制开发的智能控制接口，研究如何通过实施先进的控制算法和智能接口来增强MEMS惯性传感器的性能和功能。通过集成智能控制策略，该接口技术旨在优化电容式MEMS惯性传感器的感测工作，从而在各种应用中实现精确的运动检测和准确的测量数据。本课程讲解电容式MEMS惯性传感器的智能控制接口的设计原理、优点和潜在应用，强调其在推进传感器技术和提高系统性能方面的重要意义。

课程提纲：
• 工作原理
• 闭环力反馈
• 用于MEMS加速度计和陀螺仪的机电Σ-Δ调制器
  - 二阶机电Σ-Δ调制器
  - 高阶机电Σ-Δ调制器

课程四：谐振式MEMS器件

老师：比利时鲁汶大学 教授 Michael Kraft

本课程重点剖析谐振式MEMS器件：探讨利用谐振原理进行传感、驱动和信号处理的MEMS器件的设计、制造和应用；讨论谐振式MEMS器件的特性和优势，强调其在电信、传感器和精密仪器等各个领域的发展潜力。此外，本课程还讲解各种工程应用的谐振式MEMS器件相关挑战和未来前景。

课程提纲：
• 谐振式MEMS基本原理
• 谐振式MEMS器件示例
• 案例研究：高动态范围谐振式MEMS加速度计
• 耦合谐振器：工作原理和优点
• 用于质量传感器的自激振荡耦合谐振器
• 采用蓝移边带（blue sideband）激励的多模谐振器

课程五：MEMS微镜设计、制造及应用

老师：北京理工大学 教授/北京理工大学重庆微电子研究院 院长 谢会开

MEMS微镜指采用MEMS制造技术，把微光反射镜与MEMS驱动器集成在一起的光学器件。它是反射型微光学器件的典型代表，在投影仪、激光雷达、汽车智能前灯、光刻机、OCT内窥镜、光谱仪、光通信等应用领域扮演着重要角色。尤其是基于MEMS微镜的激光雷达，兼顾了寿命、车规、量产、成本等优势，近期受到自动驾驶汽车领域的热捧，并逐步取代传统的机械式激光雷达。在本次课程中，老师将为学员们剖析四种MEMS微镜结构、驱动原理、设计与制造工艺，并分析其典型的光学应用案例。

课程提纲：
1. MEMS微镜结构及驱动原理：静电驱动、电磁驱动、压电驱动和电热驱动
2. MEMS微镜分类及指标（扫描维度、镜面位姿、阵列大小等）
3. 典型MEMS微镜设计与制造工艺
 3.1 TI静电数字微镜（DMD）阵列
 3.2 MicroVision电磁微镜
 3.3 S型压电微镜
 3.4 TTP电热微镜
4. MEMS微镜的典型应用案例
 4.1 MEMS激光雷达
 4.2 MEMS内窥显微成像
 4.3 MEMS微型傅里叶变换光谱仪

课程六：压电式MEMS器件

老师：比利时鲁汶大学 教授 Michael Kraft

本课程重点剖析压电式MEMS器件，特别是压电式微机械超声换能器（PMUT）及其阵列、压电式MEMS麦克风和MEMS扬声器，深入讲解压电式MEMS器件的工作原理、材料选择（例如AlN、PZT）、器件设计与制造，以及潜在的增强功能，并强调PMUT在医疗成像领域的发展潜力。

PMUT及其阵列

课程提纲：
• PMUT
  - 工作原理
  - 设计与制造
  - 医疗应用案例研究
• 柔性PMUT
  - 案例研究：柔性衬底上的PZT PMUT
• 压电式MEMS麦克风和MEMS扬声器

课程七：MEMS生物医学应用

老师：比利时鲁汶大学 教授 Michael Kraft

本课程深入探讨MEMS技术在生物医学领域的重要应用，介绍集成MEMS器件的生物医学系统，例如医疗诊断设备、药物输送系统、植入式设备和芯片实验室系统等。本课程重点讲解MEMS器件在生物医学领域的关键进展、挑战和创新，展示MEMS技术对改善医疗保健的有效成果，以及对推进医学研究的潜在影响。

MEMS生物医学应用：神经探针让盲人重见光明

课程提纲：
• 神经探针
  - 设计与加工制作
  - 高密度神经探针
  - 刺激与记录
  - 为了让盲人重见光明
• 生物反应器状态监测传感器
  - 六参数传感器芯片

课程八：MEMS器件设计的进化算法

老师：比利时鲁汶大学 教授 Michael Kraft

本课程讲解如何将进化算法用于MEMS器件设计。进化算法旨在通过模仿自然选择过程来优化MEMS器件的性能和特性。通过迭代生成和选择机制，该算法旨在改进MEMS器件的设计参数，从而增强功能和效率。进化算法在MEMS器件设计中的应用为实现最佳性能和解决微系统技术领域的复杂设计挑战提供了一种有前途的方法。

课程提纲：
• 背景和概念
• 真正复杂的MEMS系统设计
• 自由几何形状（Freeform geometries）
• 案例研究：机械运动放大器
• 案例研究：微型夹持器（Microgripper）

潜在的MEMS合作项目介绍
• 用于医学成像的便携式PMUT设备
• 用于刺激视觉皮层的神经探针
• 用于生物反应器状态监测的多参数传感器平台
• 用于电缆侵入式测量的电流传感器

问答环节（Q&A）：Michael Kraft教授解答学员提出的问题

课程九：先进微纳工艺研究中心参观学习

老师：北京理工大学 教授/北京理工大学重庆微电子研究院 院长 谢会开

北京理工大学重庆微电子研究院先进微纳工艺研究中心（英文简称：AMFC）是研究院的核心制造平台，为研究院开展特色MEMS研发及产业化应用提供关键基础支撑。AMFC一期投入超过1.5亿元人民币，拥有一条6英寸微纳加工工艺研发线，现有十级、百级、千级等各类超净间面积1100多平方米。AMFC拥有步进投影光刻、双面对准光刻、晶圆键合、金属/介电质反应离子蚀刻、深硅蚀刻、自动RCA清洗机、化学气相沉积、磁控溅射、电子束蒸发等工艺设备，以及SEM电镜、膜厚测量、薄膜应力测量、高分辨表面形貌分析、引线键合等分析测试设备，可以实现完整的MEMS器件工艺加工流程。目前，AMFC聚焦光学MEMS、声学MEMS、惯性MEMS等工艺研发及加工，同时具备新型半导体材料生长、CMOS-MEMS集成以及三维异质异构集成等先进工艺开发能力。本课程带领学员们了解AMFC整体情况，结合现场参观加深对微纳工艺的理解。

课程提纲：
1. 北京理工大学重庆微电子研究院简介
2. 先进微纳工艺研究中心工艺能力介绍
3. 重庆市集成电路展厅参观
4. 先进微纳工艺研究中心参观

师资介绍

Michael Kraft教授

Michael Kraft，博士，自2017年起担任比利时鲁汶大学（KU Leuven）电气工程系全职教授。他是鲁汶大学微纳系统（Micro & Nano Systems）研究部门的负责人、微纳集成研究所（LIMNI）的代理所长，还担任imec客座教授。他的研究小组目前包括22名博士生、4名博士后和2名技术人员。

在加入鲁汶大学之前，Michael Kraft是列日大学（University of Liege）的教授（2015至2017年），负责Microsys洁净室。2012至2014年，他在德国杜伊斯堡的弗劳恩霍夫（Fraunhofer）微电子电路与系统研究所担任微纳系统部门主任，专注于全集成微型传感器和生物混合系统的研究工作。他同时担任杜伊斯堡-埃森大学（University of Duisburg-Essen）集成微纳系统W3教授职位。

1999年至2012年，Michael Kraft在英国南安普顿大学（University of Southampton）任教，并担任微系统技术教授，1993年，他毕业于埃尔兰根-纽伦堡弗里德里希-亚历山大大学，获得电气与电子工程专业工学硕士学位。1997 年，他获得英国考文垂大学（Coventry University）博士学位，研究方向为MEMS加速度计。之后，他在美国加州大学（University of California）伯克利传感器和执行器中心工作了两年，研究集成MEMS陀螺仪。

Michael Kraft在微纳制造技术、微型传感器和执行器及其接口电路方面拥有20多年的经验。他对MEMS和纳米技术有着广泛的兴趣，从工艺开发到MEMS和纳米器件的系统集成。他作为作者或合著者在同行评审期刊和会议上发表了300多篇论文。他还作为作者和编辑为四本关于MEMS的教科书做出了贡献。他曾在多个国际会议的指导委员会和技术委员会任职，例如Transducers、ISSCC、IEEE Sensors、Eurosensors、MNE和MME，还担任过IEEE Sensors Letter、IEEE JMEMS、MDPI Sensors和AMA Journal of Sensors and Sensors Systems等期刊的副主编。

谢会开教授

谢会开，博士，北京理工大学集成电路与电子学院教授，国家海外高层次人才，北京理工大学重庆微电子研究院院长、首席科学家，集成声光电微纳系统教育部工程研究中心主任。他在北京理工大学微电子专业获得本科和硕士学位之后，到清华大学微电子学研究所从事科研及教学工作4年，之后赴美留学。他于2002年获得美国卡内基梅隆大学电子与计算博士学位，同年作为助理教授任教于美国佛罗里达大学电气与计算机工程系，并分别于2007年和2011年晋升为副教授/终身教授和正教授。2020年，他全职回到母校北京理工大学任教。他的主要研究方向包括MEMS/NEMS、光学/声学/惯性MEMS传感器、微纳光学、生物光子学、光学显微内窥影像、微型光谱仪和激光雷达，发表论文350余篇，获得授权美国专利19项、授权中国发明专利50余项。他担任国际期刊IEEE Sensors Letters和Sensors and Actuators A的副主编，2018年入选IEEE Fellow和SPIE Fellow。

报名咨询：

联系人：麦姆斯咨询 毕女士
电话：18921125675
邮箱：BISainan@MEMSConsulting.com

联系人：麦姆斯咨询 杨女士
电话：15950573633
邮箱：YANGNan@MEMSConsulting.com