MEMS技术-概述(2)_20131030

1、MEMS与微电子与微电子 学学MEMS Micro- Electronics 1MEMS与微电子学与微电子学微电子IC工艺MEMS半导体物理半导体器件固体物理电子学力热光流体生物2微电子机械机械部分部分传感传感执行执行控制部分控制部分电子学电子学MEMS微电子学微电子学MEMS与微电子学与微电子学3微电子学：微电子学：MicroelectronicsMicroelectronicsu微电子学微电子学微型电子学微型电子学u微电子学核心微电子学核心集成电路集成电路IC：通过一系列：通过一系列特定的加工工艺特定的加工工艺，将晶体管、二极，将晶体管、二极管等管等有源器件有源器件和电阻、电容等和电阻、电

2、容等无源器件无源器件，按照一定，按照一定的电路互连，的电路互连，“集成集成”在一块半导体单晶片（如硅在一块半导体单晶片（如硅或砷化镓）上，封装在一个外壳内，执行或砷化镓）上，封装在一个外壳内，执行特定电路特定电路或系统功能或系统功能。4 集成电路芯片的显微照片集成电路芯片的显微照片5 50 m100 m头发丝粗细头发丝粗细 30 m1 m 1 m(晶体管的大小晶体管的大小)3050 m(皮肤细胞的大小皮肤细胞的大小) 90年代生产的集成电路中晶体管大小与人类头发年代生产的集成电路中晶体管大小与人类头发丝粗细、皮肤细胞大小的比较丝粗细、皮肤细胞大小的比较6u 不断提高产品的性价比是微电子技术发不

3、断提高产品的性价比是微电子技术发展的动力展的动力u 集成电路芯片的集成度每三年提高集成电路芯片的集成度每三年提高4 4倍，倍，而加工特征尺寸缩小而加工特征尺寸缩小 倍，这就是摩尔倍，这就是摩尔定律定律2微电子的发展规律微电子的发展规律7微电子的特点微电子的特点o 微电子学：电子学的一门分支学科o 微电子学以实现电路和系统的集成为目的，实用性极强。o 微电子学中的空间尺度通常是以微米和纳米为单位。o 微电子学是信息领域的重要基础学科8o 微电子学是一门综合性很强的边缘学科 涉及固体物理学、量子力学、热力学与统计物理学、材料科学、电子线路、信号处理、计算机辅助设计、测试与加工、图论、化学等多个学科

4、o 微电子学是一门发展迅速的学科，高集成度、低功耗、高性能、高可靠性是微电子学发展的方向o 微电子学的渗透性极强，它可以是与其他学科结合而诞生出一系列新的交叉学科，MEMSMEMS就是其中之一。9MEMSMEMS与微电子工艺的兼容性与微电子工艺的兼容性 MEMS是在微电子技术的基础上发展起来是在微电子技术的基础上发展起来的，融的，融合了合了硅微加工、硅微加工、LIGA技术和精密机械加工技术和精密机械加工等多种微等多种微加工技术。这表明微电子技术是加工技术。这表明微电子技术是MEMS技术的重要基技术的重要基础，础，微电子加工手段微电子加工手段是是MEMS的重要加工手段之一，的重要加工手段之一，微

5、电子中的主要加工手段均在微电子中的主要加工手段均在MEMS制备中发挥极大制备中发挥极大作用。包括：作用。包括：Si材料制备、光刻、氧化、刻蚀、扩散、材料制备、光刻、氧化、刻蚀、扩散、注入、金属化、注入、金属化、PECVD、LPCVD及封装及封装等。等。10MEMS与集成电路工艺的区别与集成电路工艺的区别集成电路集成电路薄膜工艺薄膜工艺 制作各种晶体管、电阻电容等制作各种晶体管、电阻电容等 重视电参数的准确性和一致性重视电参数的准确性和一致性MEMS工艺多样化工艺多样化 制作制作梁、隔膜、凹槽、孔、密封洞、锥、梁、隔膜、凹槽、孔、密封洞、锥、 针尖、弹簧及所构成的复杂机械结构针尖、弹簧及所构成的

6、复杂机械结构 更重视更重视材料的机械特性材料的机械特性，特别是，特别是应力特性应力特性11MEMS与微电子的比较与微电子的比较MEMS微电子单晶硅、GaAs、石英、聚合物、金属单晶硅、硅化合物、塑料实现包括生物、化学、机电和光学等功能传输电流以实现特定的电路功能有活动部件结构固定3维结构2维平面结构基底上简单结构基底上高密度复杂结构无工业标准有工业标准缺乏工程设计方法学和引线成熟的集成电路设计方法学封装技术尚未成熟封装技术相当完善12Advantages of MEMSIC TechnologyPrecisionBatch FabricationMiniaturizationIntegrate

7、d Multiple FunctionsImproved performanceReduced Manufacturing cost & TimePortabilityRuggednessLow Power ConsumptionEasily & Massively DeployedEasily Maintained & ReplacedLittle Harm to Environmentp 军事领域o 航空、航天o 信息领域o 生物、医疗p 工业控制、汽车o 环境保护o 消费类、玩具MEMS技术的应用技术的应用14MEMSMEMS在军事领域的应用在军事领域的应用惯性惯

8、性 MEMSMEMS1617对于陆军战士的MEMS计算机计算机/ /无线电子系统无线电子系统 计算机 战士电台 国家电台 GPS 手持式平板显示器 视频采集防护服和个人设备子防护服和个人设备子系统系统 先进的承载能力 化学/生物服装/手套/靴子 战斗编号完整的头盔子系统装完整的头盔子系统装配配 有悬架的轻型头盔 头盔显示器 图像放大器 激光探测器 化学/生物 面具 弹道/激光眼保护武器子系统武器子系统 激光测距仪 数字罗盘 安全带 摄像机 热武器瞄准具 近距离作战光学仪18 远程医疗T恤 DARPA and DLA PROJECTNRaD, GIT, MRC and ILC Dover Eri

9、c J. Lind19o 航空：改进飞机性能、保证飞机安全舒适、减少躁声o 航天：天际信息网、微重力测量MEMSMEMS在航天、航空领域的应用在航天、航空领域的应用2021FLUDIC MEMSFLUDIC MEMS222324o 全光通信网：光开关和开关阵列、光可变衰减器、光无源互连耦合器、可调滤波器、光相干探测器、光功率限幅器、微透镜、光交叉连接器OXC、光分插复用器OADM和波分复用器o 无线电话； MEMS电容、电感、传输线、RF MEMS滤波器、RF MEMS振荡器、MEMS移相器、微波收发机MEMS集成化射频前端o 计算机；摄像头、鼠标o 投影仪、喷墨打印机o 数据存储MEMSME

10、MS在信息领域的应用在信息领域的应用2526RF MEMSRF MEMS272829MEMSMEMS技术在工业控制和汽车领域的应用技术在工业控制和汽车领域的应用p 化工厂o 自动化控制中的探测器等o 每部汽车内可安装30余个传感器： 气囊，压力、温度、湿度、气体等o 智能汽车控制系统o 微喷嘴3031MEMSMEMS在环境保护、消费电子中的应用在环境保护、消费电子中的应用o 无人值守大气环境监测网o 高速公路环境监测网o 消费类电器模糊控制：摄象机、洗衣机o 虚拟现实目镜、游戏棒、智能玩具32MEMSMEMS技术在生物、医疗领域中的应用技术在生物、医疗领域中的应用o 生物芯片o Lab on

11、Chipo 血压计o 新型喷雾器o 可在血管内操作和检测的微型仪器33342021-12-13硅微硅微MEMSMEMS工艺简介工艺简介微型制造技术微型制造技术精密加工精密加工微细超声加工微细电解加工微细电火花加工立体光刻立体光刻能束加工能束加工激光加工电子束加工离子束加工 硅微细加工 硅微细加工光刻电铸加工光刻电铸加工准LIGA加工LIGA加工体硅加工硅表面微加工各向 异性 腐蚀自停止 腐蚀深层离子刻蚀电化学腐蚀等离子及反应离子刻蚀淀积光刻牺牲层腐蚀扩散2021-12-13MEMS的典型生产流程膜越厚，腐蚀膜越厚，腐蚀 次数越少。次数越少。去除下层材料，去除下层材料，释放机械结构释放机械结构

12、采用特殊的检测和划采用特殊的检测和划片工艺保护释放出来的机片工艺保护释放出来的机械结构械结构封装时暴露部分零件封装时暴露部分零件机、电系统机、电系统全面测试全面测试DEPOSITION OF MATERIALPATTERN TRANSFERREMOVAL OF MATERIAL 多次循环多次循环 PROBE TESTINGSECTIONINGINDIVIDUAL DIEASSEMBLY INTO PACKAGEPACKAGE SEALFINAL TEST成膜成膜光刻光刻腐蚀腐蚀 裸片淀积氧化层体微加工流程体微加工流程图形化氧化层腐蚀 (Si)除去氧化层MEMS 器件的加工体硅工艺2021-12

13、-13典型MEMS工艺体硅腐蚀MEMS 器件的加工表面工艺 裸片 淀积薄膜 利用光刻图形化利用光刻图形化 淀积牺牲层膜 图形化牺牲层 淀积机结构械薄膜 图形化释放结构表面微机械加工流程表面微机械加工流程2021-12-13典型MEMS工艺牺牲层腐蚀2021-12-13MEMS 器件的加工LIGA工艺2021-12-13MEMS 器件的加工2021-12-13MEMS 器件的加工2021-12-13MEMS 是利用机械和电子手段控制微观流量的一种新方法。LIGA*, Deep UVIrradiationDevelopmentElectroformingMold SeparationSynchro

14、tronResistMaskmembraneSubstrateResiststructurePlasticmoldmaterialPlasticstructureMetalSubstrateSource: IMM (Mainz Institute for Microtechnology)Mold cavityMold FillingAbsorberstructureMold InsertCreate etch stops and gap in backFuse siliconProcess top and etch massEtch beam and bond PyrexPyrexAir ga

15、p forsqueeze filmdampingDevice waferMass waferBuilt-inover-accelerationstopsSensingelements and interconnectionsMass waferWafer-to-Wafer Bonding*Lithographie, Galvanoformung, AbformungMEMS 器件的加工 (LIGA、键合工艺)MEMSMEMS的市场的市场Sales4546o 最成熟、最早开始产业化o 压阻式和电容式 压阻式微压力传感器的精度：0.050.01，温度误差为2ppm，耐压可达几百兆帕，过压保护范围可

16、达传感器量程的20倍以上。 (1) (1) 压力传感器压力传感器o 电容微压力传感器：日本富士公司和美国的罗斯蒙特公司精度可达0.1%-0.075%，传感器在几年的使用时间里免维护o 微谐振式压力传感器：准数字信号输出，抗干扰能力强，分辨率和测量精度高。国内目前有中科院电子所、北京航空航天大学和西安交通大学从事这方面的研究，精度可达到0.37。o 微加速度计是微型惯性测量组合的关键基础元件p 应用于汽车安全气囊系统：体积小、成本低、集成化等特点p 随后自检功能和集成CMOS电路o 从单轴向多轴集成o 测量范围：从1g1000g，精度从0.1%2%(2) (2) 微加速度计微加速度计 1979年

17、第一个压阻式微加速度计：满量程范围为200g，灵敏度为50V/(gVsupply)，偏轴灵敏度为10%，压阻效应的稳定系数为-0.2-0.3%/(即灵敏度对温度的变化值)谐振频率为2330Hz。1)压阻式微加速度计压阻式微加速度计压敏电阻空隙玻璃盖板质量块导电胶引线第一个压阻式微加速度计的剖面结构示意图o 美国AD公司的ADXL-05和ADXL-50系列单片集成差动电容式微加速度计，现月产量达到200万只，年产值超过2亿美元。o 美国摩托罗拉公司批量生产汽车用MMAS40G电容式微加速度计，选择双芯片设计制作技术，封装微双列直插式或单列直插式塑封，加速度测量范围为40g。2)电容式微加速度计电

18、容式微加速度计 o基于MOEMS(微光机电系统)技术的微喷已成为MOEMS领域的一种典型器件，它的应用涉及科学仪器、工业控制以及生物医疗等多个领域，目前主要的应用方向有喷墨打印、芯片冷却、气流控制以及微推进系统，应用于药物雾化供给的微喷研究也正在兴起。o喷墨打印机的喷墨打印头，年产值数亿美元(3)(3)微喷微喷o 根据MST news的统计，2003年在微光机电系统的相关产品中，喷墨头的需求已增加至100亿美元；ITIS 统计数字显示2001年全球墨盒需求量约为9.71亿颗、2002年已达11.15亿颗其年增长率为14.08。2003年随着数字打印的需求日渐普及，墨水匣需求量成长至12.54亿

19、颗，约有11.08的增长幅度。p 电阻电热驱动的热气泡式喷墨打印头由德国柏德国柏林技术大学林技术大学研制，在有50个孔的小阵列微喷孔管道一侧采用微工艺制造出多晶硅加热电阻，阻值为30100 ，当给电阻在极短的时间内（25s）通以适当幅值的电压（60V）时，微管道内的墨水将急剧汽化形成气泡，将气泡前端的墨滴高速推出微管道，打印在纸上。p微喷孔的直径为几十微米，通过适当的设计，可以单独控制每个微喷孔，单个微管道中墨滴的喷射频率最高可达6kHz。o 与传统的CRT和LCD投影显示技术相比：具有足够的亮度，均匀性和稳定性o 反射显示：德州仪器设计的数字驱动微简易阵列芯片（DMD，Digital Mic

20、romirror Device)，实际上是反射式微光开关阵列。o 每一个微镜对应图象的一个像素，一个微镜的尺寸仅为16m16m。o DMD可以承受1500g的机械冲击、20g的机械振动，设备的使用寿命超过了100,000小时。o 一块完整的DMD半导体芯片：镜面是由一百三十万个微反射镜组成的长方形阵列，每个微镜对应于投影画面中的一个光学像素。(4)数字微镜器件数字微镜器件 微机电系统的相关资讯微机电系统的相关资讯RelatedInformation56参考书：参考书：n MEMS MEMS和微系统和微系统设计与制造设计与制造 王晓浩、熊继军等译王晓浩、熊继军等译 机械工业出版社机械工业出版社n

21、 微传感器与微执行器微传感器与微执行器 张文栋等译张文栋等译 科学技术出版社科学技术出版社n 微机械加工技术微机械加工技术 黄庆安，东南大学出版社，黄庆安，东南大学出版社，n 微机电系统技术微机电系统技术 石庚辰著，国防工业出版社石庚辰著，国防工业出版社n 微机械电子系统及其应用微机械电子系统及其应用 刘广玉等著刘广玉等著 航空航天大学出版社航空航天大学出版社n 硅微机械传感器硅微机械传感器 陶家渠陶家渠 中国宇航出版社中国宇航出版社57关键词：关键词：半导体工艺、集成电路工艺、微机械Key words: MEMS, Micromachining, Micro structure, Proce

22、ss, MEMS Fabrication, Microsystem58 期刊期刊n Sensor and ActuatorSensor and Actuatorn Journal of Microelectromechanical SystemsJournal of Microelectromechanical Systemsn Journal of micromechanics and Microengineering Journal of micromechanics and Microengineering n Microsystem TechnologiesMicrosystem Te

23、chnologiesn 仪表技术与传感器仪表技术与传感器n 光学、精密工程光学、精密工程n 微纳电子技术微纳电子技术n 半导体学报半导体学报n 固体电子学研究与进展固体电子学研究与进展n 传感技术学报传感技术学报59相关网站相关网站60相关公司相关公司61专业词汇专业词汇oMerge 融合融合oSelf-testing 自检自检oDigital compensation 数字补偿数字补偿oDrive technology 驱动技术驱动技术oPackage 封装封装oAssembly组装组装oScan tip 扫描探针扫描探针oNear field microscopy 近场显微镜近场显微镜oS

24、ealing technique 封焊技术封焊技术oImpurity-based etch-stop 基于掺杂的腐蚀停止技术基于掺杂的腐蚀停止技术62专业词汇专业词汇oResonant sensor 谐振传感器谐振传感器oMicroactuators 微致动器，微执行器微致动器，微执行器oSignal-to-Noise 信噪比信噪比oFlowmeter 流量计流量计oAccelerometer 加速度计加速度计oPositioning system 定位系统定位系统oHierarchical system 分级系统分级系统oMess spectrometer 质谱仪质谱仪oAutocalibration 自标定自标定oAnodic silicon-gla