微传感器原理与技术

1、1、 名词解释： MEMS：其英文全称为Micro-Electro-Mechanical System，是用微电子，即microelectronic的技术手段制备的微型机械系统。第一个M也代表器件的特征尺寸为微米量级，如果是纳米量级，相应的M这个词头就有nano来替代，变为NEMS，纳机电。MEMS及NEMS是在微电子技术的基础上发展起来的，融合了硅微加工、LIGA技术等的多种精密机械微加工方法，用于制作微型的梁、隔膜、凹槽、孔、反射镜、密封洞、锥、针尖、弹簧及所构成的复杂机械结构。（点击）它继承了微电子技术中的光刻、掺杂、薄膜沉积等加工工艺，进而发展出刻蚀、牺牲层技术、键合、LIGA、纳米压

2、印、甚至包括最新的3D打印技术SOI: SOI（Silicon-On-Insulator，绝缘衬底上的硅）技术是在顶层硅和背衬底之间引入了一层埋氧化层。 通过在绝缘体上形成半导体薄膜，SOI材料具有了体硅所无法比拟的优点：可以实现集成电路中元器件的介质隔离，彻底消除了体硅CMOS电路中的寄生闩锁效应；采用这种材料制成的集成电路还具有寄生电容小、集成密度高、速度快、工艺简单、短沟道效应小及特别适用于低压低功耗电路等优势，因此可以说SOI将有可能成为深亚微米的低压、低功耗集成电路的主流技术。SOC:SOC-System on Chip，高级的MEMS是集微型传感器、微型执行器以及信号处理和控制电路

3、、直至接口、通信和电源等于一体的微型器件或系统，这样的系统也称为SOC，即在一个芯片上实现传感、信号处理、直至运动反馈的整个过程。LIGA:LIGA是德文光刻、电镀和模铸三个词的缩写。它是在一个导电的基板上旋涂厚的光刻胶，然后利用x射线曝光，显影后形成光刻胶的模具，再用电镀的方法在模具的空腔中生长金属，脱模后形成金属的微结构。特点：该工艺最显著的特点是高深宽比，若用于加工一个细长杆，杆的直径只有1微米，而高度可达500微米，深宽比大于500，这是其他技术无法比拟的。其次，它还具有材料广泛的特点，可加工金属、陶瓷、聚合物和玻璃。但传统的LIGA采用的x射线曝光工艺极其昂贵，近年来采用SU-8光刻

4、胶替代PMMA光刻胶，紫外曝光代替x射线曝光的准LIGA技术获得了更广泛的发展和应用。DRIE:反应离子深刻蚀（Deep RIE）。干法刻蚀的典型工艺是DRIE深槽刻蚀。刻蚀分为两步，第一步，通入SF6刻蚀气体进行反应离子刻蚀，刻蚀是各向同性的，即槽底不仅要被刻蚀，槽壁也会被刻蚀。如果就一直这样刻下去，刻蚀的图形和掩模定义的图形将完全不一样，很难控制微结构的尺寸。解决此问题的方法是分步刻蚀，逐次推进。在刻蚀进行10多秒钟转入第二步，快速地将刻蚀气体切换成保护气体C4F8，C4F8在等离子的作用下进行聚合，生成类似于特氟龙这种不粘锅材料，沉积在槽底和槽壁上。10多秒钟后，又切换成SF6刻蚀气体，

5、等离子体中的正离子在电场加速作用下只轰击槽底，而不怎么轰击槽壁，优先将槽底的聚合物保护膜打掉，暴露出硅片表面，从而使得化学刻蚀反应能够再次进行。刻蚀时，由于槽壁上仍然保留有保护膜，而不会被刻蚀。重复这样的刻蚀-保护过程，就能在硅片上刻蚀出垂直的深槽。深槽在宏观上的垂直度能达到88-92°，但微观上其侧壁是有多段小弧形连接而成。干法刻蚀不再象湿法腐蚀那样需要晶向的对准，因此可以制备出齿轮、弹簧等复杂的图形。2、 多项选择题 第一章、1、MEMS器件的尺寸范围是：（1）（1）从1um到1mm （2）从1nm到1um （3）从1mm到1cm3、微系统部件的“深宽比”被定义为（1）之比（1）

6、高度方向尺寸和表面方向尺寸 （2）表面方向尺寸和高度方向尺寸 （3）宽度方向尺寸和长度方向尺寸4、目前为止，商品化最好的MEMS器件是（2） （1）压力传感器  (2)喷墨打印头 （3）加速度传感器第二章、1、在曝光后被溶解的光刻胶是（1）（1）正胶 （2）负胶 （3）正胶或负胶2、光刻中用正胶将导致的效果（3）（1）更好 （2）更劣 （3）与应用负胶相同3、 常用光刻中光源的波长范围是：（2） （1）100-300nm （2）300-500nm （3）500-700nm4、MEMS光刻与IC光刻的主要区别在于：（1）（1）MEMS光刻需要在更为不平整的表面上进行（2）MEMS光刻的

7、线条更细（3）MEMS光刻都需要双面进行5、 光刻技术中的曝光方式有（1）（2）（3） （1）接近式曝光 （2）接触式曝光 （3）投影式曝光6、曝光方式中，图形尺寸和掩膜尺寸一致（1）（2） （1）接近式曝光 （2）接触式曝光 （3）投影式曝光7、 影像光刻线宽的最主要因素是（1） （1）光的衍射 （2）光的干涉 （3）光的反射8、剥离法制备图形的薄膜的基本步骤（2）（1）（3） （1）沉积薄膜 （2）光刻胶图形化 （3）去除光刻胶9、 在传统的投影曝光机中，一般实现的最小线宽为（2） （1）0.5 （2）1 （3）2 第三章、 1、体硅制造主要涉及部分材料从基底上的（2） （1）增加 （2）

8、减除 （3）既有增加也有减除 2、体硅制造中主要采用的微加工工艺为（1） （1）腐蚀 （2）沉积 （3）扩散 3、各向同性腐蚀在微制造中几乎是不理想的，原因是（3） （1）腐蚀速度太慢 （2）成本太高 （3）难于控制腐蚀方向 4、硅的（1）晶向之间的腐蚀速率比时400:1 （1）100和111 （2）110和111 （3）110和100 5、硅晶体中（111）晶面和（100）晶面的夹角（2） （1）50.74 （2）54.74 （3）57.47 6、各向异性腐蚀和各向同性腐蚀的速率相比（3） （1）更快 （2）更慢 （3）差不多相同 7、KOH腐蚀剂对sio2的腐蚀速率要比对硅的腐蚀速率慢（1

9、） （1）100倍 （2）1000倍 （3）20000倍 8、氮化硅的抗腐蚀性要比sio2（1） （1）更强 （2）更弱 （3）几乎相同 9、材料的选择比越高， 作为腐蚀掩膜的能力越（1） （1） 越好 （2）越坏 （3）不好也不坏 10、在HNA腐蚀液中，掺杂的硅片的腐蚀速度会（1） （1）更快 （2）更慢 （3）没有影响 11、在湿法腐蚀时，（1）处会和掩膜的图形不一样 （1）凸角 （2）凹角 （3）两者都会 12、湿法腐蚀时保留下来的时腐蚀速度（2）的晶面 （1）快 （2）慢 （3）与速度无关 13、湿法腐蚀的腐蚀深度控制技术有（1）（2）（3） （1）p-n结停止腐蚀技术（2）浓硼腐蚀

10、停止技术 （3）中间层停止技术 14、p-n结腐蚀停止技术又叫做（1）（2） （1）偏压腐蚀 （2）电化学腐蚀 （3）p+腐蚀 15、在（100）硅片的湿法腐蚀中，腐蚀出来的线条会沿（2）晶向族 （1）100 （2）110 （3）111 16、在（110）硅片的湿法腐蚀中，掩膜上的线条必须沿 晶向族（3） （1）100 （2）110 （3）111 17、采用湿法腐蚀，下述硅片能实现高深宽比的有（2） （1）100 （2）110 （3）111 18、硅的过分掺杂会导致-残余应力 19、湿法腐蚀可以在（P-N掺杂硅）边界停止  20、如图所示，制备在（100）硅片上的U形氮化硅掩膜对硅片

11、进行KOH湿法腐蚀， 最终获得的微结构是（氮化硅的悬臂梁）21、在（100）硅片上制备圆形的掩膜（硅片被遮住的部分为图形），利用碱液进行湿 法腐蚀会获得（2）微结构。 （1）硅的圆柱 （2）硅的四愣锥 （3）硅的三楞锥第四章 干法1、反映离子刻蚀的机理包括（1）（2） （1）等离子体增强化学气相反应 （2）溅射轰击 （3）侧壁保护 2、DRIE代表（3） （1）干法腐蚀 （2）干法反映离子刻蚀 （3）深层反应离子刻蚀 3、DRIE的主要工艺方法有（1）（2）（1）刻蚀和侧壁保护顺序进行的方法（2）刻蚀和侧壁保护同时进行的方法（3）不需要侧壁保护的方法 4、在BOSCH和低温两种DRIE刻蚀工艺

12、中，侧壁更为光滑的是（2）（1）BOSCH （2）低温工艺  （3）两者区别不大 5、在RIE刻蚀中，深宽比越大，刻蚀速率越（2）（1）快 （2）慢 （3）一样 6、 在干法刻蚀中，掩模板的线条与硅片晶向的关系为（3） （1）必须沿110方向 （2）必须沿111方向 （3）与方向无关 7、干刻中刻蚀硅的气体有：（1）（2）（1）四氟化碳 （2）四氟化硫 （3）C4F8 8、氟基气体干法刻蚀硅片在本质上是：（1）（1）各向同性的 （2）各向异性的 （3）与温度有关 9、表面硅制造中主要采用的微加工工艺为（2） （1）腐蚀 （2）薄膜沉积 （3）扩散 第五章 表面加工方法1、P

13、SG代表（2） （1）多晶硅玻璃 （2）磷硅酸盐玻璃 （3）磷硅玻璃2、表面微加工中的牺牲层被用于（2）（1）强化微结构 （2）在微结构中产生必要的几何空间 （3）作为结构的部分3、表面微加工中最常用的结构材料是：（2）（1）PSG （2）多晶硅 （3）二氧化硅4、在表面微加工中，牺牲层的腐蚀速率与其他层的腐蚀速率相比必须（3）（1）慢得多 （2）几乎相同 （3）快得多 5、粘连存在于：（2）（1）体硅微制造 （2）表面微加工  （3）激光微加工6、在由表面微加工制作完成的微结构中，粘连会造成：（3）（1）不匹配材料层 （2）薄膜 （3）层间原子力 7、可用于减少

14、粘连的方法主要有：（1）（2）（3）（1）表面厌水处理（2）干法释放（3）在粘连面上设计凸点8、设计的平面微结构经表面加工后向上弯曲，说明薄膜中存在（2） （1）压应力 （2）  拉应力  （3）中心是压应力，边缘是拉应力9、薄膜应力的主要类型是：（1）（3）（1）热应力 （2）界面应力 （3）生长应力 10、薄膜的制备温度越高，热应力越：（1）（1）大  （2）小 （3）与温度无关11、减少应力的方法主要有：（1）（2）（3）（1）优化薄膜制备工艺（2）退火处理 （3）多层薄膜，应力补偿。 12、多晶硅被普遍应用

15、的原因是它被制成：（1）（3）（1）半导体（2）绝缘体（3）电导体 13、硅的湿氧化常被采用，由于（1）（1）二氧化硅质量好 （2）快的氧化速度 （3）低成本14、硅石理想的MEMS材料的主要原因是：（1）（2）（3）（1）在很大温度范围内的尺寸稳定（2）轻和结实（3）容易得到 15、PECVD是：（3）（1）低压化学气象沉积（2）常压化学气相沉积（3）等离子体增强化学气相沉积第六章其他方法1、LIGA工艺制造MEMS，常用材料：（3）注：几乎没有限制（1）限于硅 （2）限于陶瓷 （3）可以是单晶材料 2、同步X射线在LIGA工艺中用于光刻的原因是：（3）（1）它

16、对光刻更有效（2）它是更便宜的光源（3）它能深入光刻胶材料 3、LIGA工艺的主要优势是它能够产生：（1）（1）高深宽比的微材料 （2）低成本的微结构 （3）尺寸精确的微结构4、LIGA工艺中必须使用导电基板的原因是需要：（2）（1）信号··· （2）金属的电镀 （3）···电加热 5、LIGA工艺中最好的光刻胶是：（3）（1）PCM （2）PMI （3）PMMA 6、UV-LIGA是在LIGA工艺的改造，其特点是：（1）（2）（1）能制备高深宽比的微结构（2）成本比LIGA大大降低 

17、（3）能制备悬臂梁、空中的腔等7、成本最低的微制造技术是：（1）（1）体硅制造法  （2）表面微加工 （3）LIGA工艺8、最灵活的微制造技术：（2）（1）体硅制造法  （2）表面微加工 （3）LIGA工艺9、一个硅玻璃的阳极键合发生于：（2）（1）高温下 （2）高温高电压下  （3）高温和高压下10、硅熔融键合需要的工艺条件有：（1）（2）（1）高温（2）平整的硅片 （3）高温和高压下 11、SOI代表： （2）绝缘体（隔离层）上的硅（1）离子分层 （2）隔离物上的硅 （3）隔离物下的基质12、SCI是为了阻止：（1）漏电（1）电的泄露 （2

18、）热效应的泄露 （3） 硅基上腐蚀的扩散13、SOI工艺通常发生在：（1）（1）1000左右的高温上  （2）5000左右的中温 （3）低200左右的低温14、微系统中的封装费用：（2）很贵。（1）微小的 （2）十分昂贵的 （3）在生产花费中有时昂贵15、预制备一个100m的微型中空球，应该采用（3）（1）DRIE （2）表面加工技术 （3） 三维加工 技术第七章 1、CMOS(电路)与MEMS（微系统）一体化加工中的方法共有（2）种。 （1）2 （2） 3 （3） 4 2、CMOS电路和MEMS微结构的一体化加工

19、，最主要的工艺兼容问题： （2）（1）应力导致结构变形（2）温度导致电性能变化。（CMOS）（3）结构释放时的粘连3、Pre-CMOS的流程是（2）（1）先制备CMOS电路，再制备MEMS结构 （2）先制作MEMS结构，再制作CMOS电路（3）CMOS电路和MEMS电路同步进行4、MEMS中哪些是高温工艺，会影响IC性能 （1）（3）（1)多晶硅结构层薄膜沉积 （2）氧化硅牺牲层薄膜沉积 （3）薄膜的退火5、 下述关于MEMS封装的描述正确的是（1）（3）（1）MEMS封装很贵，可占据总成本的80% （2）MEMS封装比IC有更多的管脚（3）有些MEMS传感器不能完全密封第八章 1、

20、硅材料有（1） 个压阻系数张量的分量。  （1）3 （2）4 （3）6 2、单独使用硅压电电阻主要缺点： （3） （1）生产这种电阻的高成本 （2）对信号转换的高敏感性 （3）对温度的高敏感性。 3、 要得到硅压阻传感器的最大灵敏度，应该使 （1） 达到最大程度 （1）应力 （2）应变 （3）薄膜变形 4、 对于微压力传感器，正方形膜片的几何形状是：比较常见5、  压力传感器膜片中间设有一个硬心，是为了 测更大压力 6、  压阻系数用张量表示，是 4 阶张量7、压电

21、是表示外力与极化的关系，按张量的定义，压电常数是 3 阶张量简答题（各8分，共48分）1、 碱液腐蚀单晶硅，为何不同晶体方向的腐蚀速度不一致？（第三章P19）(1) 不用晶面上原子排列不一样，密排面刻蚀速度慢。(2) 不同晶面上的悬挂键数目不一样，背键数不一样，例如（100）晶面的背键数为2，（111）晶面的背键数为3，因此（100）晶面刻蚀速度最快，（111）晶面为刻蚀停止面。(3) 水分子的屏蔽作用（反作用，但很慢）。2、 简述电化学腐蚀停止技术的基本原理和特点。原理：电化学钝化，当硅片相对于刻蚀液具有足够大的阳极电位，硅片氧化，刻蚀停止。PN结返向电压，无电流。不参与

22、钝化作用，P型硅被刻蚀，当P硅刻蚀完以后，PN结消失，钝化电流通过，N硅被钝化而不刻蚀。即：无电流 碱液腐蚀Si。有电流 生产SiO2.产生钝化不进行腐蚀。特点：P型硅和N型硅的钝化电势不同。P型硅钝化电势>N型硅钝化电势。电势需在P型硅和N型硅的钝化电势之间，P型硅被腐蚀，N型硅被钝化。3、 简述BOSCH工艺干法刻蚀制备垂直深槽的基本原理和过程。（第四章P14时分复用）基本原理：SF6刻蚀硅片，具有各向同性。会发生刻蚀。通过保护气体C4F8形成保护膜，然后通过等离子体的轰击作用使SF6对水平面的硅优先刻蚀。（等离子体有方向性）过程：SF6C4F8SF6C4F8。4、 试采用表面硅加工

23、法制备下图所示的活页结构，阐述加工步骤，画出每一步掩膜板的侧视图和俯视图。5、 LIGA技术的原理和特点。（第六章P22）原理：通过光刻、电铸和模铸工艺进行加工的技术。特点：1、传统机械与微加工的结合，适合大批量生产。2、材料广泛：高分子、金属、陶瓷等材料。3、能够制造大深宽比的结构：厚度达1mm，深宽比1000高深宽比是是LIGA技术最鲜明的特征，具有高深宽比的原因是短波长X射线光刻：能量高（1GEv），聚焦能力强，穿透能力强，吸收低，衍射弱导致分辨率到达亚微米。6、 简述硅玻璃键合的基本原理和工艺过程。（第六章P11）基本原理：用含钠玻璃接阴极、硅接阳极施加电压和一定温度，通过静电作用将S

24、i和玻璃等多个基底结合为一个基底的技术。工艺过程：当温度到400时Na2O分解为Na+和O2-，电场下正离子（Na+）向阳极移动，玻璃表面形成带负电的耗尽层，O2向硅片移动，出现带正电的印象电荷区。通过静电吸引，E=500MV/m，距离进一步接近，分子间作用力开始起作用。最后界面处生成氧化硅Si+2O2-=SiO2+4e-7、 请例举出MEMS传感器应用的具体例子。（第1章）例1：MEMS微陀螺芯片(典型尺寸：3x5x1mm3,典型重量： 3g 第一章)例2：MEMS微型色谱（芯片面积： 1.5x3.0cm2，厚度： 1mm，功耗：数十w 第一章）例3：MEMS麦克风（2003年，Motoro

25、la）例4：加速度传感器，也称为重力感应器（2006年，任天堂wii游戏机，大多数智能手机里都有）例5：陀螺仪（最早在iphone4中应用，现在还大量用于数码相机和摄像机）例6：MEMS传感器在汽车上也大量应用，比如压力传感器、加速计、陀螺仪和流量传感器，MEMS压力传感器主要用于发动机控制系统，MEMS加速传感器主要用于安全气囊，MEMS陀螺仪主要用于主动安全控制和惯性导航系统中例7：MEMS传感器在医疗健康上也大量应用，MEMS压力传感器很小，可以分布于义齿基托内，更准确地测试咬合面。植入式传感器用于检测动脉瘤的心脏血流压力传感器体积非常小巧例8：MEMS技术还用于制备人工视网膜芯片的微小

26、电极，用于刺激视网膜上残余的正常神经细胞，帮助盲人恢复视力。8、 简述剥离法制备金属线条的基本原理和过程。9、 简述纳米压印技术的基本原理。（第六章P63）基本原理：采用绘有纳米图案的压膜将基片上的聚合物薄膜压出纳米级图形，再对压印件进行常规的刻蚀、剥离等加工，最终制成纳米结构和器件的技术。10、 纵观全课程，从所能实现的微结构的复杂性出发，说明湿法体硅加工、干法体硅加工、牺牲层技术、LIGA、三维立体光刻技术的区别和联系，着重描述各种技术所能完成什么样的微结构。（湿法第三章最后一页，LIGA第六章P20）湿法体硅加工、干法体硅加工都属于体微加工技术，都是向基地深度方向进行刻蚀的技术。湿法刻蚀

27、：分为各向同性和各向异性腐蚀，各向异性腐蚀具有晶面依赖性。湿法刻蚀具有操作简单，碱金属与IC不兼容，相对安全无毒，但操作不够灵活。掩膜存在对准问题，刻蚀停止线决定了槽深。受晶面方向性影响只能制造出特定形状的微结构。干法体硅加工：可以刻蚀任意图形的垂直深槽。相较于湿法刻蚀操作灵活很多，但是对设备和操作时间控制要求较高。LIGA：最鲜明的技术特征为能够制造大深宽比的结构，厚度达1mm，深宽比1000。三维立体光刻：是体加工技术和表面加工技术的补充，能够制备上述技术难以制备的曲面。11、 掌握不同深度微结构的深刻蚀技术的原理和方法，能画出光刻板图。描述具体的制备过程。（第六章，高深宽比结构的制造）（

28、1）SCREAM Single Crystalline Reactive Etching and Metallization(可实现10：1的深宽比，受氧化硅共形能力限制)制备过程：1）硅上生长氧化硅2）刻蚀氧化硅开窗3）DRIE深槽刻蚀4）氧化或CVD制备共形氧化硅或PSG5）刻蚀槽底的氧化硅6）继续深槽刻蚀7）各向同性刻蚀释放结构也可采用湿法腐蚀8）金属化（2）high aspect ratio polysilicon structures（多晶硅）（多晶硅和单晶硅之间形成电容）特点：DRIE + 多晶硅沉积 + 氧化硅牺牲层（将常规DRIE的深宽比50提高到200）制备过程：1）LPCV

29、D沉积氮化硅厚膜，DRIE刻蚀填充槽。要求：槽垂直，侧壁光滑2）高温LPCVD沉积氧化硅作为牺牲层。要求：深槽均匀覆盖氧化硅薄膜3）光刻氧化硅，露出氮化硅作为支撑锚点4）LPCVD沉积掺硼多晶硅填充深槽，刻蚀多晶硅/氧化硅形成支撑锚点，首先沉积硼源，再LPCVD填充多晶硅，然后高温推进扩散5）沉积Cr/Au或其他金属，剥离或腐蚀图形化；涂覆厚胶，开DRIE窗口6）DRIE刻硅，深度比最终结构10-20m；为避免RIE-lag, 刻槽应尽可能一样宽，所有多晶硅填充槽被包围7）SF6各向同性刻蚀（横向）刻蚀释放结构，大结构不会出现粘连；氧化硅牺牲层保护多晶硅不受刻蚀，但单晶硅会从下面减薄8）去除光刻胶；HF去除氧化硅释放多晶硅微结构。（3）DRIEBonding/SOI(Silicon on insulator)1）SOI硅双面氧化，光刻正面氧化硅；2）正面沉积氧化硅作为第二层掩模，涂敷光刻胶，曝光并显影3）RIE刻蚀形成单层或双层硬掩模；4）背面刻蚀氧化硅，重新定义光刻胶图案，在氧化硅开窗处