MEMS设计技术

MEMS设计,电话mail:duxl2008,主讲人：杜西亮,课程简介,MEMS是英文microelectromechanicalsystem的缩写，译作微电子机械系统，简称为微机电系统。顾名思义，MEMS是由微机械和微电子线路组成的微系统。它是从20世纪80年代发展起来的一种综合性的技术。微机电系统，在欧美称为MEMS，在日本通常称之为称为微机械(micromachining)。MEMS被认为是微电子技术的又一次革命，对21世纪的科学技术、生产方式和人类生活质量都会有深远的影响。通常，开发一个新的MEMS产品需要5年时间，这个产品进入市场还要一个5年时间。计算机辅助设计(CAD)软件包可以大大缩短开发和生产周期。本课程主要介绍美国IntelliSense公司开发的MEMSCAD软件IntelliSuite6.3，学习如何利用它在硅片上设计微传感器、微执行器以及进行模拟仿真。,教材及主要参考文献,1.IntelliSuiteCADofMEMS美国Intellisense公司.2002年.2.MEMS和微系统设计与制造，徐泰然著.机械工业出版社，2003.3.微传感器和微执行器，戈雷戈里.科学出版社，2003.,第1章绪论,主要内容：1.1MEMS定义1.2典型MEMS产品1.3MEMS所涉及的技术领域及应用领域1.4MEMS和微电子之间的联系1.5微系统加工工艺与微制造技术1.6MEMS计算机辅助设计,1.1MEMS定义MEMS是英文microelectromechanicalsystem的缩写，译作微电子机械系统，简称为微机电系统。顾名思义，MEMS是由微机械和微电子线路组成的微系统。它是从20世纪80年代发展起来的一种综合性的技术。对于微机电系统，目前国际上还没有比较统一的定义，国内一般定义为：微机电系统是在微电子技术的基础上发展起来的，融合了硅、非硅微加工和精密机械加工技术制作的，包括微传感器、微执行器和微能源等微机械基本部分以及高性能的电子集成线路组成的微机电器件与装置。微机电系统将信息获取、处理和执行一体化地集成在一个器件上。从加工及应用的角度来看，微机电系统是指采用微机械加工技术可以批量制作的、集微传感器感器、微机构、微执行器以及信号处理和控制电路、接口、通信等模块于一体（一般为硅衬底材料）的微型器件或微型系统。,典型的MEMS系统与外部世界相互作用的示意图,MEMS的研究公认自20世纪80年代开始。1987年，美国加州大学伯克利实验室首次做出直径100m、60m的微电机，引起国际学术界和产业界的高度重视。1989年的MEMS国际会议上一致认为，用微电子技术制造微机电系统是一项崭新的技术。MEMS具有的共同特点是：尺寸小（1m-1mm）、重量轻、性能稳定、功耗低、谐振频率高、响应时间短、易于大批量生产、生产成本低、产品易于更新换代、比大尺寸设备更可靠。,微压力传感器封装后产品,利用静电致动的MEMS,AnalogDevices公司的ADXL276/250微加速度传感器,汽车气囊展开系统智能惯性传感器,1-微齿轮,1.2典型MEMS产品,2-微马达,3-微涡轮,4-微光学器件(朗讯1X2MEMS光开关),MEMS所涉及的技术领域,1.3MEMS所涉及的技术领域及应用领域,MEMS涉及力学、材料、电学、光学、热学、机械、生物、化学等学科，是这些学科前沿的综合。,MEMS的应用,信息业、航空、航天业、医疗、生物技术及环境科学等领域。,1.4MEMS和微电子之间的联系微电子是20世纪最有影响力的技术之一。没有微电子技术的成熟，近年来微机电系统工业的繁荣是不可能的。事实上，当前MEMS领域里的很多工程师和科学家也都是微电子领域的专家，正如这两个领域共享很多关键技术一样。然而过分地强调这两个技术的相似性不仅不准确，而且会严重阻碍微系统发展的脚步。在设计和封装上，微系统与集成电路及微电子都有非常大的差异。工程师承认这些差异并有针对性的开发必需术的方法和技术是必不可少的。两者之间部分显著的差异如下：1相对微电子，微系统包括很多不同的材料。除了常用的硅材料，还有其他材料，例如石英、CaAs，作为微系统的基底材料。在利用LIGA工艺制作的微系统中，聚合物和金属材料是很常用的。微系统的封装材料包括玻璃、塑料和金属，而微电子的封装不用这些。,2相对微电子，微系统设计要面向大量的各种各样的功能，而微电子限定于电子功能设计。3很多微系统包括可动部分，例如微型阀、泵和齿轮。而微电子没有任何可动部件，或者流体或光发生关系。4.集成电路主要是两维结构，被限制在硅芯片表面。然而大部分微系统包括复杂的三维几何图形。5.微电产中的集成电路在封装后与环境绝缘。然而，微系统中的敏感元件和一些核心元件需要与工作介质接触，这导致一些设计和封装中的技术问题。6.微电子的制造和封装是成熟的技术，有规范成文的工业标准。微系统的生产与这种成熟程度还有非常大的距离。,1.5.1微加工工艺（1）光刻（2）扩散（3）离子注入（4）氧化（5）化学气相淀积（6）物理气相淀积（7）外延（8）腐蚀,1.5微系统加工工艺与微制造技术,光刻工艺是利用光成像和光敏胶膜在基底上图形化。光刻是微细加工中最重要的步骤。它也许是目前唯一可在基底上制作亚微米精度图形的技术。在微电子方面，图形化对于集成电路中的p-n结、二极管、电容器等都是必需的。然而，在微系统方面，光刻主要用来作掩模版、体硅工艺的空腔腐蚀、表面工艺中牺牲层薄膜的沉积和腐蚀以及传感器和致动器初级电信号处理电路的图形化处理。,光刻的一般步骤,基底的扩散掺杂,基底上的离子注入,二氧化硅的热氧化设备,PECVD设备,溅射工艺,外延淀积反应器,1.5.2微制造技术（1）硅基MEMS技术以硅为基础的微机械加工工艺往往归纳为两大类，即表面微加工技术(SurfaceMicromachining)和体微加工技术(BulkMicromachining)。表面微加工技术是把MEMS的“机械”(运动或传感)部分制作在沉积于硅晶体的表面膜上，然后使其局部与硅体部分分离，呈现可运动的机构。硅体机械加工最为常用的是利用硅腐蚀的各向异性，用此技术已经制作出硅微泵等MEMS器件。,磷硅酸盐玻璃（PSG）,（2）LIGA技术LIGA是3个德文单词的缩写，即平版印刷、电镀、浇铸。LIGA技术最早是1982年由前西德提出的，随后得到不断的完善，成为开展MEMS领域研究的重要技术。如下图所示，该方法类似于机械零件加工的铸造工艺，采用对X射线敏感的光刻胶，首先在导电材料(一般是金属)表面制备很厚的光刻胶(图a)，通过X射线深曝光和显影，在光刻胶层上形成微型、精密的型模（图b)。然后用精密电镀工艺取代熔融浇铸(图c)，去掉光刻胶后，即形成金属材料的微机械元件(图d)；该元件可以是最终的产品，也可作为模具进人下一道工序浇铸所需要的材料，如塑料(图e)，从而得到最终所需要的结构(图f)。LIGA技术是进行非硅材料三维立体微细加工的首选工艺。目前加工深度可达300500mm，加工宽度可小至1m，高的深宽比有利于提高执行器的性能。,MEMSCAD软件包可以帮助设计工程师很快地核定设计改变造成的影响，评测制造能力及产品的产量。很多CAD程序包的实体模型和动画制作性能能为设计工程师提供虚拟原型，具有仿真实际产品所希望功能的性能。利用MEMSCAD可以大大缩短开发和生产周期。,1.6MEMS计算机辅助设计,1.ConventorwareConventor是最早从事MEMSCAD研究与开发的软件公司，其创始人StephenD.Senturia是麻省理工学院（MIT）著名的MEMS专家，其个人专著Microsystemdesign全面地阐述了微系统的设计，为MEMS设计人员提供了宝贵资料。Conventor公司在原有的MEMCAD软件基础上针对MEMS的整个设计过程提出了一整套完整的解决方案提出了，CoventorWare软件采用全新的top-down设计方法，以期实现快速地进行MEMS设计。软件由四大部分组成：ARCHITECT、BUILDER、DESIGNER、ANALYZER，拥有几十个专业模块。其功能覆盖设计、工艺、器件级有限元及边界元分析仿真、微流体分析、多物理场耦合分析、MEMS系统级仿真等各个领域。,2.IntelliSuiteIntelliSuite是由美国IntelliSense公司创造的全球第一个MEMS专业设计与模拟仿真软件。软件模块包括版图建模、材料特性、工艺、各向同性和各向异性腐蚀模拟仿真、多物理场量（电、机械、热、磁等）耦合分析（包括线性、非线性分析，静态、动态分析等）以及系统级分析。提供从概念设计到产品制造的MEMS解决方案。可进行多物理量的分析，其模拟和分析模块使用户无须进入实际生产即可评估所设计器件的工艺可行性和工作性能。它的突出特点是将著名的开发工具与先进的流水相结合，使MEMS产品迅速走向市场。,3.MEMSProMEMSCAP公司的MEMSPro提供掩模版图自动化设计、设计规则验证、三维几何实体生成。此外，MEMSPro与ANSYS公司合作实现了ANSYS的3D模型与MEMSPro的系统级和掩膜工具的连接，从而沟通了掩膜和加工工艺描述数据与3D建模和分析之间的数据传递。该软件具有系统级、器件级、工艺级等设计模块。MEMSPro为工程设计中普通MEMS设计者和MEMS专家提供考虑MEMS和IC混合作用的、在Windows操作系统下的设计环境。MEMSPro是一个用户化的易于使用的平台，还可以根据某个厂家的制造工艺进行工艺处理定义。MEMSPro有两个版本帮助你迅速可靠地占领MEMS相关产品的市场。,本课程介绍的IntelliSuite6.3包括如下九个模块：1.3DBuilder（Interactivelybuild3Dmodel）三维模型的构造2.AnisE(Simulateanisotropicetchprocess)模拟各向异性腐蚀过程3.Electromechanical(ElectromechanicalAnalysis)电动机械分析4.Electrostatic(Electrostaticanalysis)静电学分析5.IntelliFab(SimulateMEMSmanufacturingprocess)模拟MEMS过程6.IntelliMask(Construatmask)建立掩膜7.Mechanical(Mechanicalandthermalanalysis)机械和热分析8.MEMaterial(SimulateandmodelMEMSmaterials)MEMS材料的模型和模拟9.Microfluidic(Microfluidicanalysis)微流体分析,2.13DBuilder的启动方式1.直接启动点击开始（Start）程序（Programs）IntelliSuite3DBuilder2.间接启动从ElectroMechanical模块、Electrostatic模块、Mechanical模块、MicrofluidicAnalysis模块中启动3DBuilder模块。3.3DBuilder文档启动,第二章3DBuilder,2.23DBuilder的操作界面及操作方式1.二维窗口区域2.三维窗口区域3.下拉菜单4.层窗口区域5.实体窗口区域基本操作介绍FileViewDrawingElementControlWindowsHelp,Refinemesh（精炼，细化）1.MultipleSlices(多片)2.Spiderweb(蜘蛛网)3.Cornerframe(角框架)4.Zipper(拉链),例1.采用3DBuilder设计制作如下图所示的C型硅杯的结构。,图1C型硅杯结构,微压力传感器的典型封装,图2网格划分后的C型硅杯内部结构,图3网格划分后的C型硅杯表面,例2.采用3DBuilder设计制作如下图所示的悬臂梁结构结构。本题设计的悬臂梁在第六章Mechanical中将用于分析悬臂梁的力学特性、温度特性等。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