微机电课后作业

1、小组成员 :郑晨晨刘心 纪辉强方璐刘超朱剑锋2011.05.31第二章1. MEMS的设计涉及哪些学科？简述 MEMS的设计方法及特点。答：MEMS的设计涉及到系统设计、微传感器设计、微执行器设 计、接口设计和能量供给的设计。3 种设计方法：（1）从系统功能设计开始，展开到系统设计。在 进行系统设计时， 将元件及功能模块作为一个黑盒子， 只对其影响特 性进行分析。（2）从系统设计展开到子系统、元器件设计。对于系统 优化设计应该由系统设计转向子系统、 元器件设计。 首先确定系统应 该完成的功能、技术条件； 其次是确定功能模块的功能要求、技术条 件 ； 最 后 确 定 元 器 件 的 技 术 条

2、件 。（ 3） 中 间 相 遇 法 （Meet-in-the-Middle） 。它利用宏观模块， 对于元件简化模型进行分析， 只要模型能描述不同物理状态中的特性， 就能够在系统中进行合理的 仿真。2. 工程系统设计通常有几种方法？其主要思路是什么？试举例说明。答：通常有五种方法：J. Kawasaki法简称KJ法。KJ法是由底向 上处理大量数据之间关系的一种假设， 对于复杂问题进行分析， 使用这种方法， 可以使问题得到满意的解决。 它还可以应用来处理其他类 型的问题，这种问题可以是个别的群体，单一的或者连续的； M.Nakayama法简称NM法。NM法是在自然是日常生活中寻找比拟 法创造和开发

3、新技术观点，应用到不同的问题模式中。 NM 法是根据 人脑功能的一种假设，在Nakayama的“人脑计算机模型（HBQ”中 描述。这种方法试图解释当问题如理性思考，存在僵局，情感思考， 演绎和引导等解决的时候，人类思想行为的模式；Key-Needs法，中文称为关键需要法， 它是一种创造与使用者需要一致的新产品概念的 工具。这种方法用列出日常生活的需要，以及不被满足原因的描述， 用于产品观点的发明。 关键需要法是实用主义， 具有需要分析和概念 评估技术的扩展。为了消费者取得好感，而且不受限制，关键需要法 几乎不是根据人类需要的任何理论或者寻找任何概念， 而是从实际经 验中得到；Kepe ner-

4、Tregoe法分析问题、解决分析、位能问题分析和 位置评价的 4 种技术结合。它的目的在于应用标准模式一步一步处理 的方法，进行工业合理化管理。朱钟淦 -捤谷城方法，是针对机械电 子产品系统设计时应用，包括四个步骤：产品功能分析；为实施各模 块的功能，选择可实施的方案；多种方案的综合评价，优化设计；产 品芯片设计。5,在MEMS产品中如何应用尺度效应进行设计？其根据是什么？对于一 阶尺度 ,如表面-体积尺度变化规律是什么 ?通常,尺度的变化规律遵循着两个方面 .第一种规律是严格依据物体的尺寸 ,如几何结构的尺度 ,物体行为可以有物理规律所决定 ,这种尺度 规律包括刚体动力学 ,静电和电磁力等

5、;第二种尺度规律考虑到系统的 尺寸和材料特性 .所依据的尺度效应对几何结构学 ,刚体动力学 ,静电 力,力学 ,流体力学以及热传递中的物理量进行分析 ,并以量纲作为分 析工具体积和表面积是在MEMS产品设计中经常涉及的两个物理量， 体积与器件的质量和重量有关 ,与作用在器件上的力和热惯量有关 .热 惯量与物体的热容有关 ,热容是固体加热快慢的量度 ,它对于热执行器 的设计十分重要 .另一方面表面特性与流体力学的压力 ,浮力有关 ,也 与对流热传导中固体热吸收和耗散有关 .8, MEMS中如何应用CAD技术？MEMS中应用CAD技术映遵循以下原则：(1)MEMS技术涉及微电子微 机械,微动力学,

6、微流体力学 ,微热力学,材料学,物理学,化学和生物学等 这些作用域相互作用，共同构成了完整的MEMS并实现确定的功能，多 能量域的耦合问题是MEMS的CAD最需要解决的，也是最难解决的问 题.(2)MEMS的CAD必须提供自动生成三维模型的工具，具有结构仿 真器.(3)MEMS的制造过程不会改变结构的几何参数，但会影响材料的 性质,而材料的性质又会影响结构的电子和机械特性 .因此 MEMS 的 CAD必须建立相应的材料特性数据库。根据工艺流程自动将材料的特 性引入到三维几何模型中。(4) MEMS的器件不仅是复杂的三维结构， 各种能量域相互耦合， 计算中需要进行内部的量化， 而且要考虑结构 外

7、部各种物理场，如电场，磁场，流场的耦合分析，这些计算量大且 耗时。因此要求MEMS的CAD具有快速，有效的算法作为分析计算 的基础。使用MEMS的CAD的过程是：通过对工艺和结构的直接描述， 由结构仿真器生成三维几何模型，然后从材料数据库中提取元件的材 料特性，将其引入几何模型中，生成完整的三维模型进行多能量域的 分析。第三章2、什么是外延技术？常用的外延技术有几种？他们主要的技术特点是什么？在单晶硅衬底上生长一层新薄层单晶的技术，称为外延生长。具体方法有：(1) .四氯化硅氢还原法，这种方法是目前生产中采用的主要方法。其优点是SiCl4易于纯化，操作安全，对其生长规律也比较了解。 但是，由于

8、它要求高的反应温度，同时存在可逆化学反应，引起了显 著的杂质扩散与自掺杂效应，因而难以控制外延层的杂质分布，也无 法制造杂质分布突变的p-n结。所以当要求薄至12m的外延层，且 对图形的漂移与畸变有更苛刻的要求的，此种方法就不适用了。(2) .硅烷热分解法外延，硅烷热分解法是在较低的分解温度下，分解出硅原子淀积在衬底上。反应中不存在对杂质起输送作用的氯离子，因而有利于克服杂质的扩散与自掺杂效应， 从而能获得杂质分布 可控的薄外延层与较徒的杂质分布。 此外，硅烷外延时基本上不存在 图形漂移与畸变现象。3、叙述氧化工艺的特点及二氧化硅的结构和性质。水汽氧化生成的二氧化硅膜结构疏松， 含水量多，对杂

9、质的掩蔽能力较差，因此生成中很少单独采用水汽氧化。干氧氧化生成的二氧化硅膜结构致密、干燥、均匀性和重复性好、掩 蔽能力强、敦化效果好，二氧化硅膜表面与光刻胶接触良好，光刻时 不易浮胶。其缺点是氧化速率很慢。湿氧氧化生长的二氧化硅膜，致密性虽略差于干氧生长的二氧化硅 膜，但其掩蔽能力和钝化效果都能满足一般器件的要求。其缺点是二氧化硅表面有硅烷醇存在，使二氧化硅与光刻胶接触不良，光刻时容 易浮胶。结构：二氧化硅薄膜具有无定形玻璃状结构， 这种结构的基本单元是 一个由Si-0原子组成的四面体。性质：（1）二氧化硅膜具有极高的化学稳定性。不溶于水，除氢氟酸 外，其他酸与其不起作用，可以被 HF所腐蚀（

10、2）当电池强度达到一 定值时，二氧化硅膜将失去其绝缘性能，称为击穿（3）在Si-SiO2界 面上存在着二氧化硅层中的可动离子电荷， 固定氧化物电荷，界面陷 阱电荷，氧化物陷阱电荷，还存在着二氧化硅层外表面上的正负离子 电荷。4、什么是掺杂工艺、 扩散工艺，其特点和方法是什么？掺杂是人为的方法，将所需杂质按要求的浓度与分布参入到材料中， 以达到改变材料的电学性质，形成半导体器件的目的。方法：热喷涂、热扩散、离子喷涂 扩散现象是指物质分子从高浓度区域向低浓度区域转移 直到均匀分 布的现象， 速率与物质的浓度梯度成正比。 扩散是由于分子热运动而 产生的质量迁移现象， 主要是由于密度差引起的。 扩散工

11、艺指的是利 用扩散的原理，对各种材料进行某些目的的加工和处理的方法。方法：在气 -固扩散中包含液态源扩散、粉状源扩散、气状源扩散； 固-固扩散中包含乳胶源扩散、 CVD 掺杂二氧化硅源扩散。5、什么是化学气相沉淀？化学气相沉淀有几种？它们各有什么特 点？化学气相沉积（CVD是使一种或数种物质的气体以某种方式激活后， 在衬底表面发生化学反应，并沉淀出所需固体薄膜的生长技术。常用方法：（ 1）常压化学气相沉淀、 （ 2）低压气相沉淀、（ 3）等离子 体化学气相沉淀 特点：（1）常用于生长掺杂与不掺杂的二氧化硅。 （ 2）膜厚均匀性良 好、装片量大。（ 3）可以降低沉淀温度。6、氮化硅的性质、用途及

12、其制备方法是什么？ 性质：对水、氧、钠、铝、镓、铟都具有极强的扩散阻挡能力，因此 是一种比较理想的钝化材料。用途：氮化硅在集成电路制造中用做钝化膜、 局部氧化膜、 扩散掩膜、 绝缘介质膜，以及杂志或缺陷的萃取膜。制备方法：热生长法，反应溅射法，蒸发法，CVD法等9、什么是光刻工艺？简述光刻工艺质量以及影响光刻质量的主要因 素。光刻工艺是一种图象复印同刻蚀 （化学的，物理的，或两者兼而有之） 相结合的综合性技术。光刻的质量，可以由分辨率，光刻精度（包括线宽尺寸及套刻精度） 以及缺陷密度（包括图形完整性，针孔，小岛等）等来衡量.影响光刻质量的主要因素是： 光刻胶，曝光方式（曝光系统） 及刻蚀方法等

13、。显影时光刻胶的膨胀是影响成象分辨率和线宽的主要原因。 显影时间 影响条宽控制精度。对于负胶，显影时间越长，光刻胶的膨胀程度越 严重，条宽的变化越大， 因此负胶显影应合理选择一组既能保证显影 充分，又不至于使条宽变化过大的显影条件。10、光刻工艺中使用的光刻胶有哪两大类？它们的优缺点各是什么？在光刻工艺中使用的光刻胶有两大类：一类叫负性光刻胶,其未感光部分能被适当的溶剂溶除， 而感光的部分则留下， 所得的图形与光刻 掩模图形相反； 另一类叫正性光刻胶， 其感光部分能被适当的溶剂溶 除而留下未感光的部分，所得的图形与光刻掩模图形相同。采用负性光刻胶制作图形其涂层对环境因素不那么灵敏， 且具有很高

14、 的感光速度，极好的粘附性和搞蚀能力，成本低，适用于工业化大生 产。目前刻蚀 5m 左右线条主要使用负性光刻胶。负性光刻胶的主要 缺点是分辨率较低，不适于细线条光刻。正性光刻胶有较高的固有分辨率（1m,甚至更小），较强的抗干法腐 蚀能力和抗热处理能力。 正性光刻胶利用溶质的水溶液进行显影， 因 而可使溶胀现象减至最小。正性光刻胶可涂得很厚（23m ）而不影响 其分辨率,因此具有良好的台阶覆盖。在 3m 左右线条的光刻中,负 性胶已逐步被正性胶所代替。正性光刻胶的粘附性差 ,抗湿法腐蚀能 力差,而且成本高。13、叙述各种干法腐蚀的特点。 干法腐蚀具有分辨率高,各向异性,腐蚀能力强,不同材料的腐蚀

15、选 择比大,腐蚀均匀性重复性好,以及易于实现连续自动操作等优点, 干法腐蚀已成为超大规模集成电路制造的标准腐蚀技术。（ 1 ）等离子体腐蚀 等离子体腐蚀是依靠高频辉光放电形成的化学活性游离基与被腐蚀材料发生化学反应的一种选择性腐蚀方法。 它可以用集成电路工艺中 常用的光刻胶作掩模， 对抗蚀剂的粘附性没有严格要求。 与湿法腐蚀 相比，它具有干燥，清洁 ,工艺简单，分辨率高和尺寸公差小等优点。 腐蚀后可立即在同一设备内用氧等离子体进行去胶提高了效率和加 工质量。（2）反应离子腐蚀大规模集成电路的刻蚀线宽通常小于 2 am,此时采用等离子刻蚀就不 能满足要求， 溅射腐蚀与离子束铣削虽然具有极强的各向

16、异性， 可以 刻蚀亚微米级的线条，但存在腐蚀选择性差，腐蚀速率低，晶格损伤 严重以及再淀积等缺点， 因而无法应用于大规模集成电路的选择性刻 蚀。采用反应离子腐蚀也称作反应溅射腐蚀 ,是较好的解决方法。第四章1. MEM制造工艺有哪两类主要技术？叙述各类技术的主要内容。答：MEMS勺制造技术主要包括两类技术：体微加工和表面微加工.这两类加工技术的基本材料都用硅 , 而加工工艺的基础都是集成电路 制造技术 . 体微加工技术包含硅的湿法和干法技术 ,硅刻蚀自终止技 术丄IGA技术,以及DEM技术.表面微加工技术，来自金属膜的概念. 在硅腐蚀的基础上 , 采用不同薄膜淀积腐蚀方法 , 在硅片表面形成不

17、 同形状的层状微结构 .2. 叙述硅刻蚀的湿法技术的主要工艺流程。各向同性的刻蚀的特点是什么？各向异性刻蚀的机理是什么 ? 答：首先将硅氧化成含水的硅化合物 KOH+ H2O=K+2OH-+H+ Si+2OH-+4 H2O Si(OH)2- 然后与异丙醇反应 ,形成可溶解的硅 络合物不断离开硅的表面 KOH,EDP 腐蚀系统 (各向异性腐蚀 ) 各向同性的刻蚀的特点是各个方向上的腐蚀速率是均匀的。 硅体的各向异性刻蚀的腐蚀剂基本是碱性溶液 ,而氢氧化钾溶液占一 半以上 ,因此氢氧化钾是硅体的各向异性腐蚀重要的和常用的腐蚀剂3. 叙述硅刻蚀的干法技术主要工艺流程。 答：干法刻蚀具有分辨率高 ,

18、各向异性腐蚀能力强 ,腐蚀的选择比大 以及能进行自动化操作等优点 . 因此, 干法刻蚀在体微加工中将逐渐 占有重要地位 .干法刻蚀的过程可分为以下几个步骤 :(1) 腐蚀性气体粒子的产生 ;(2) 粒子向衬底的传输(3) 衬底表面的腐蚀 ;(4) 腐蚀反映物的排除 .6. LIGA 体微加工技术的组成部分是什么？其主要工艺流程。答：四个工艺组成部分 :LIGA 掩模板制造工艺 ;X 光深层光刻工艺 ; 微 电铸工艺 ;微复制工艺 .LIGA技术的工艺流程需平行的 X 光光源. 由于需要曝光的光刻胶的厚度要达到几百微米 , 用一般的X光光源需要很长的曝光时间.同步辐射X光光源不仅能提 供平行的X

19、光,并且强度是普通X光的几十万倍，这样可以大大缩短曝 光时间 .10. MEMS制造工艺中表面微加工的机理和特点是什么？答：表微加工机理：首先在硅片上沉淀一隔离层，用于电绝缘货基体 保护层；然后沉淀牺牲层和图形加工，再沉积结构层并加工图形；最 后溶解牺牲层，形成一个悬臂梁的微结构。表面微加工的特点与体微加工和键合相比较 , 在表面微加工中 , 硅片本身不被刻蚀 . 没有 孔穿过硅片 , 硅片背面也无凹坑 . 比较两者结构尺寸 ( 如表 4.8 所示), 可以看出表面微加工适用于微小结构件的加工 , 结构尺寸的主要限制 因素是加工多晶硅的反应离子刻蚀 (RIE) 工艺. 表面微加工形成的层 状结

20、构特点为微器件设计提供了较大的灵活性 . 在中心轴上加工转子 是不可能的 , 而采用键合又会使工艺变得非常复杂 , 而表面微加工技 术的另一个主要特点是可实现微小可动部件的加工 .氧化硅作为牺牲层材料 , 氮化硅作为基体绝缘材料 , 氢氟酸作为化学 腐蚀剂.已经能够加工复杂的表面微结构零件 , 如悬臂梁 , 齿轮组, 涡机, 曲柄, 镊子等. 多晶硅表面微加工已是许多静电执行器的主要加工手段 .第五章2.物理微传感器中能量传递关系是什么 ? 答：传感器原理的基础是物理和化学效应， 其中传感器可以通过将 压力，温度，形变等等外在能量转化为自身的属性变化，大多是自身 属性的变化可以引起电路中电流的

21、变化。3.压力微传感器有几种机理？试比较各种机理为传感器的优缺点？ 答：压力微传感器有压阻效应、电容效应、和谐振效应三种机理。压阻效应和压力微传感器随温度变化明显； 电容效应压力微传感 器的工作机理避开了压阻温度效应， 电容效应压力微传感器输出的重 复性和长期稳定也明显由于压阻效应压力微传感器谐振效应压力 微传感器性能主要取决于谐振子的机械性质， 受电路参数变化的影响 很小，测量精度、稳定性及测量分辨力均较优。8.磁微传感器的基本特点， 其主要元件的机理有哪些？ 答：磁微传感器是一种能够探测磁场， 并从磁场中获取信息的传感 器。磁微传感器是将磁场信号转换成电信号的器件。 磁微传感器具有 小的结

22、构尺寸，其材料和制备技术及工作条件能与微电子电路兼容。 其主要元件霍耳器件在给定的电流强度下， 产生的霍尔电动势与磁 场强度成正比。 可以利用这一原理来测量磁场强度。 磁阻元件其基 本原理是磁场存在与否情况下的电阻的变化， 主要分为两种形式： 铁 磁性薄膜的磁阻元件和半导体磁阻元件。第六章1.微执行器最常用的执行方式有哪两种？各有什么特点？各自的应 用方面是哪些？答: (1)最常用的执行方式是电磁效应和热效应 .(2) 电磁效应的特点 : 电磁微执行方法是静电 ,压电和磁的执行方法 . 热效应的特点 : 热执行方式包括双金属 ,形状记忆合金和热气动 .(3) 电磁效应的应用 : 静电执行方式还

23、可产生基板平面内的运动 .静电 力还可产生在基板内的旋转 ,实现机械结构型的微执行器 .如静电型微 马达.压电膜可制作多种微执行器 ,如阀 ,泵,定位器件和超声微马达 .磁执行也可用于可变形结构型和机械结构型两种微执行器 中.电磁 型微马达.热效应的应用 :双金属微执行方式利用夹心层材料元件的热膨胀系数 之间的失配而产生力或位移 .形状记忆合金(SMA是一种具有形状恢复特性的金属， 它所产生的位移或力或两者的结合将是温度的函数 .热气动微执行方式是利用流体加热时发生体积膨胀来实现执行动作 的.4, 叙述各种静电型微马达的工作原理 .并举例说明 .答: (1) 静电力驱动变电容式步进微马达 :在

24、前一对电极产生步进后 ,相 邻的下一对电极的相对位置必须在转矩最大位置 .(2) 静电力驱动变电容式同步微马达 : 转子和定子同心运转的微马达 , 要达到高速运转 ,必须解决摩擦力 ,吸附力及以纳米为单位精度加工的 轴承.(3) 静电力驱动谐波式微马达 : 转子角频率的值取决于定子半径和转 子半径Rr之差，差值越小，比越小.(4) 电悬浮微马达 : 在电悬浮支承下的转子 ,能绕某一轴在悬浮平衡的 位置上运转 ;5, 叙述静电力驱动变容式步进微马达的工作原理,设计时应考虑的因素.答: (1) 工作原理 : 为确保转子相对定子的步进转动时序 ,在前一对电 极产生步进后 ,相邻的下一对电极的相对位置

25、必须在转矩最大位置上 , 才能使转子继续启动 ;极数关系：转子极数一般为2n;定子的静电极数为3X 2n.微马达的转动步幅是定子电极数ns和转子电极数nr的函数，步幅：(2)设计时应考虑的因素 ：能产生较大的驱动转矩 ,选择合理的电压 ;尽 可能减小摩擦 ,精细的角度分辨率 .10,电磁型微马达的作用机理是什么答：电磁型微马达的作用机理 ：将定子和转子重叠在一起画出 ,转子的 磁化方向垂直于膜面 ,具有 8个磁极.当一只定子驱动线圈通以电流时 , 由于受到定子上部转子的磁场作用 ,驱动线圈的两侧向 (径向 )导线受 到电磁力的作用 ,作用方向如图 6.20所示.由于绕组线圈在定孔子基片 上,定

26、子处于固定状态 ,所以转子受到的反作用力方向正好与线圈受到 的作用力大小相等而方向相反 .当对向线圈串接时 ,由于转子磁极也是 对称分布的 ,因此转子所受到的力矩为单只线圈的一倍 .当这一对磁极 转出该对线圈时 ,如该对线圈继续通电 ,转子上受到的反作用力方向将 阻止转子的转动 .这时 ,如将另一线圈接通电 .只要电流方向正确 ,转子 的转动方向与前述方向相同 .由于相邻磁极方向相反 ,当相邻一组线圈 通以一定方向的电流时 ,其驱动转子的转动方向正好与前述线圈的驱 动方向相同 .因此只要磁极方向判断正确 ,则每个时刻都有 4 只绕组线 圈同时通过电流驱动转子的转动 ,因而而保证微电机有较大的转

27、动力 矩.12,什么是微流量控制系统微泵有几种形式及其作用原理答:(1)微流量控制系统在微量化学反应分析系统 ,生物医疗微量药剂控 制系统及太空微型推进系统等微小流量计领域都有重要的应用 .微流 量控制系统具备基于电热原理测量的质量流量传感器,借助流量调制分布在传感器膜片上的恒温加热器阵列的热功率或温度分布 ,实现对 微流量的测量 .其中 ,微泵和微阀是微流量控制系统的关键执行器件,流量微传感器是检测器件 .这3 大件是微流量控制系统的主要组成部分 .(2)微泵的几种形式及其作用原理 :(A) 压电制动膜片式微泵：微阀结构设计的关键要素是，当阀门常闭时 在不同外界环境下 ,均要达到极低的流量泄

28、漏率 ;为此 ,阀座和阀门的 接触平面要非常平坦 ,在预紧力作用下能达到挤压密封 .(B) 双金属膜片热制动式微泵：双金属膜片热制动式微泵，双金属膜片 是由 2种热膨胀系数不同的材料 (不局限为金属 )熔接而成 ,利用受热的 双金属变形与温度的函数关系控制阀门开或关 .这是双金属热制动的 基本原理 .(C) 记忆合金制动式微泵：容腔体积的变化由钛一镍记忆合金膜片的热 弹性相变驱动和控制 .(D) 热一气制动式微泵：这种微泵依靠气动制动室内交变受热的气体(空气)形成压差 ,迫使膜片阀门处于开或关的两个稳定位置上,类同压力开关 ,控制流体的流量率 .15,梳状微谐振器的结构和工作原理是什么梳状弹性

29、系统的固有频率计算方法的要点是什么答：(1)结构：该谐振梳结构由上 ,下两层组成 ,上层为梳状结构 ,下层为硅 衬底.上层的左 ,右两侧对称配置可活动的梳齿结构 ,平行对插入固定 梳齿的齿间 .齿与齿之间的空隙一般设计在 2m 以内 ,齿的厚度也约为 2m.这样，齿与齿之间就形成了平板电容器.(2) 工作原理 ：悬挂在弹性支撑上的活动梳 ,在驱动电压的作用下 ,将沿 x方向产生像织布梭一样的往复振动.当驱动电压的频率与活动梳结构系统的固有频率一致时 ,活动梳系统便发生谐振动 .(3) 固有频率计算方法 ：根据,最终求得微谐振梳弹性系统的最低固有频率 由上式计算的固有频率是在不考虑阻尼情况得到的 ,而实际系统的谐 振频率总是与固有频率略有差异的 .差异取决于系统的阻尼 ,亦即机械 品质因数 Q 值.用于微传感器 ,微机电滤波器中的微谐振梳 ,必须是弱 阻尼系统 ,即具有很高的 Q 值;因此,微谐振梳必须在真空环境下工作 此时,Q值可高达