第四章1-新一代制造技术-MEMS.ppt

1 先进制造技术第四章新一代制造技术微机电系统 青岛科技大学机电学院 2 了解MEMS的基本含义 发展和应用状况 英语单词 本节课要点 MEMS MicroElectroMechanicalSystems 微机电系统 3 产生背景 信息系统的微型化不仅使系统体积大大减小 功能大大提高 同时也使性能 可靠性大幅度上升 功耗和价格却大幅度降低 以集成电路 IC IntegratedCruit 为中心的微电子学的飞跃进步提供了基础技术 摩尔定律 微电子和微机械巧妙结合 MEMS的基础技术 硅各向异性腐蚀技术 硅 硅键合技术 表面微机械技术 LIGA技术 包括X射线深度光刻 微电铸和微塑铸等 新材料 微机械理论 加工技术的进步 使得单片微电子机械系统正在变为现实 美 日 欧三方举办的IEEE国际微机电系统年会 4 MEMS的含义 微机电系统MEMS概念于20世纪80年代末提出 一般泛指特征尺度在亚微米至毫米范围的装置 目前尚未有统一的名称和定义 美国 在半导体集成电路工艺技术基础上延伸和拓展而来的 美国北卡罗莱纳微电子中心给的定义是 微机电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处理工艺制造的 并且尺寸在微米到毫米之间 它将计算 传感与执行融为一体 改变了我们感知和控制自然界的方式 5 欧洲 称为Microsystem 即微系统 更强调系统的观点 即如何将多个微型化的传感器 执行器 处理电路等元部件集成为一个智能化的有机整体 给出的定义 微结构产品具有微米级结构 并具有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 以提高一种或多种特定功能 在许多场合包括微电子功能 6 日本 称为Micromachine 即微机械 给出的定义 微机械是由只有几个毫米大小的功能元件组成的 它能执行复杂 细微的任务 MEMS主要包括三部分 微型传感器 执行器和相应的处理电路 7 MEMS的特征 器件微型化 集成化 尺寸达到纳米数量级 在一个几毫米的硅芯片上完成信号处理单元集成 功能集成 甚至是整个微型计算机的集成 功能多样化 智能化 特殊化硅具有光电效应 压电效应 PN结特性等 能耗低 灵敏度高 工作效率高消耗能量远小于传统机电系统 却能以10倍以上速度完成同样工作 不存在信号延迟问题 8 MEMS的研究领域 一门多学科的综合技术 涉及微电子学 现代光学 气动力学 流体力学 热学 磁学 自动控制 仿真学 材料科学以及表面物理和化学等领域 研究分为 基础理论 技术基础和应用领域三个部分 9 基础理论微小型化的尺寸效应和微小型化的理论基础 尺寸小到一定程度 有些宏观物理量甚至要重新定义 随着尺寸减小 需进一步研究微结构学 微动力学 微摩擦学 微电子学 微光学等 技术基础微系统设计技术微细加工技术微机械材料微系统测量技术微系统的集成和控制 微机器人进入人体血管 10 应用领域主要是微传感器 1995年 全球60亿美元的传感器市场中采用微机械技术的传感器占据约25 的市场份额 主要是微机械压力和加速度传感器 另一领域是微致动器 11 MEMS的加工 硅基微机械加工技术体硅微机械加工 以单晶硅材料为加工对象 采用腐蚀 镀膜 键合等工艺 在硅体上有选择的去除一部分材料 湿法腐蚀工艺 当腐蚀剂为液体时所进行的腐蚀 图4 4 干法腐蚀工艺 当腐蚀剂为气体时所进行的腐蚀 图4 5 各向同性腐蚀与各向异性腐蚀 图4 3 12 13 14 表面硅微机械加工技术以硅片为基体 利用微电子加工技术中的氧化 淀积 光刻 腐蚀等工艺 在硅片表面上形成多层薄膜图形 然后把下面的牺牲层腐蚀掉 以保留上面的微结构图形 图4 6 15 其它加工技术 LIGA加工技术德文Lithographie Galvanoformung Abformung三个字头缩写 是深度X射线腐蚀 电铸成型 塑料铸模等技术的结合 工艺过程 同步辐射深度X光曝光 显影 电铸 塑铸 铸模 16 其它加工技术 激光微机械加工技术 工艺简单 成本低深等离子体腐蚀技术 紫外线厚胶腐蚀技术 17 MEMS的技术本质 MEMS的技术本质意涵 若说集成电路 IC 是将电子组件极度缩小化 使相同面积内可放入更庞杂的运作电路 那么MEMS可说是将机械组件同样极缩化 成为微型机械 并且再与IC的微型电子 电路搭配整合运用 如此就成了 微机电 更进一步说 IC芯片内具有众多的电阻 电容 二极管 晶体管等电子组件 那么在MEMS中除了可以包含所有IC所具备的组件外 还可以有传感器 Sensor 致动器 Actuator 等机械性组件 甚至可以有齿轮 马达等 所以IC是极精巧的 电路 而MEMS是极精巧的 电路 机械 微缩化的益处也与IC相同 如体积小 重量轻 耗电低等 此外 为了能有自动化量产效益 MEMS在制作工艺上也尽可能与IC一致 所以MEMS在许多制作技术上能与IC兼容 以及现有晶圆厂 封测厂的生产线环境 设备也可部分沿用 18 MEMS广泛应用 以下列举数个较具代表性的MEMS应用 家庭 DLP投影机内的 数字微镜装置 DMD 喷墨打印机 相片打印机内的 微型喷嘴 Micronozzle 压电组件 Piezoelectricelement 微流体装置 Microfluidic Wii电视游乐器的遥控器内的 加速度传感器 Accelerometer 汽车 安全气囊的 加速度传感器 方位导航的 陀螺仪 Gyro 轮胎内胎压监视系统的 压力传感器 Pressuresensor 19 通讯 光通讯设备的 光开关 Opticalswitch 交叉连接器 Cross connect 可变光衰减器 Variableopticalattenuator 可调激光器 Tunablelasser 可调滤波器 Tunablefilter 硬盘 读写臂上的 读取头 Head 晃振感应与防护之用的 加速度传感器 除上述外 也还有许多相关应用 如手机内的无线射频 RF 组件 消费性电子 CE 所用的微型麦克风 MIC 微型喇叭 SPK 也称 扬声器 等 统统是运用MEMS技术所实现 20 更多应用的未来 从各层面看 MEMS未来尚有更多的可以运用及实现 例如在医疗上可以有智能型胶囊 可用来治疗细微的血管 神经等疾病 或如智能型灰尘 SmartDust 可进行环境监控等 可以想象与发挥的应用仍相当宽广 有待更成熟技术来逐项实现 更令人兴奋的是 MEMS技术持续精缩发展的结果 将逐渐迈入纳米尺寸等级的层次 届时MEMS一词将不再受用 当改成 纳机电 NanoElectro MechanicalSystems NEMS 同时更精缩化也意味着有更多的应用可能 由此可知MEMS的未来将无可限量 21 图右为一只虱子 图左则为六个用MEMS技术制成的齿轮 由此可知微机电技术的微小程度 图片来源 www mems sandia gov 22 图2图为DMD微镜装置中的两片微镜面 镜面之下透过机械操作来改变镜面的倾斜角度 以角度的操作来决定光源的折射 往透镜方向折射则使光显露 往光源吸收器方向折射则使光遮蔽 一个DMD内有上千片的光源反射镜 图片来源 23 图3美国Sandia国家实验室用计算机所绘制的加速度传感器 加速度传感器也是最典型的MEMS装置 24 图4飞思卡尔 Freescale 的加速度传感器芯片之显微图 图中偏左下位置的是控制IC 而偏右上位置的则是加速度的感测组件 组件位在方体的内部 图片来源 25 图5加州柏克莉大学 U C Berkeley 的SmartDust Mote等项目属于环境监测性的应用科学 也相当需要用上能更微小化的MEMS技术 图为SmartDust的封装