MEMS技術(shù)-概述(2)_20131030

1、MEMS與微電子與微電子 學(xué)學(xué)MEMS Micro- Electronics 1MEMS與微電子學(xué)與微電子學(xué)微電子IC工藝MEMS半導(dǎo)體物理半導(dǎo)體器件固體物理電子學(xué)力熱光流體生物2微電子機(jī)械機(jī)械部分部分傳感傳感執(zhí)行執(zhí)行控制部分控制部分電子學(xué)電子學(xué)MEMS微電子學(xué)微電子學(xué)MEMS與微電子學(xué)與微電子學(xué)3微電子學(xué)：微電子學(xué)：MicroelectronicsMicroelectronicsu微電子學(xué)微電子學(xué)微型電子學(xué)微型電子學(xué)u微電子學(xué)核心微電子學(xué)核心集成電路集成電路IC：通過一系列：通過一系列特定的加工工藝特定的加工工藝，將晶體管、二極，將晶體管、二極管等管等有源器件有源器件和電阻、電容等和電阻、電

2、容等無源器件無源器件，按照一定，按照一定的電路互連，的電路互連，“集成集成”在一塊半導(dǎo)體單晶片（如硅在一塊半導(dǎo)體單晶片（如硅或砷化鎵）上，封裝在一個(gè)外殼內(nèi)，執(zhí)行或砷化鎵）上，封裝在一個(gè)外殼內(nèi)，執(zhí)行特定電路特定電路或系統(tǒng)功能或系統(tǒng)功能。4 集成電路芯片的顯微照片集成電路芯片的顯微照片5 50 m100 m頭發(fā)絲粗細(xì)頭發(fā)絲粗細(xì) 30 m1 m 1 m(晶體管的大小晶體管的大小)3050 m(皮膚細(xì)胞的大小皮膚細(xì)胞的大小) 90年代生產(chǎn)的集成電路中晶體管大小與人類頭發(fā)年代生產(chǎn)的集成電路中晶體管大小與人類頭發(fā)絲粗細(xì)、皮膚細(xì)胞大小的比較絲粗細(xì)、皮膚細(xì)胞大小的比較6u 不斷提高產(chǎn)品的性價(jià)比是微電子技術(shù)發(fā)不

3、斷提高產(chǎn)品的性價(jià)比是微電子技術(shù)發(fā)展的動力展的動力u 集成電路芯片的集成度每三年提高集成電路芯片的集成度每三年提高4 4倍，倍，而加工特征尺寸縮小而加工特征尺寸縮小 倍，這就是摩爾倍，這就是摩爾定律定律2微電子的發(fā)展規(guī)律微電子的發(fā)展規(guī)律7微電子的特點(diǎn)微電子的特點(diǎn)o 微電子學(xué)：電子學(xué)的一門分支學(xué)科o 微電子學(xué)以實(shí)現(xiàn)電路和系統(tǒng)的集成為目的，實(shí)用性極強(qiáng)。o 微電子學(xué)中的空間尺度通常是以微米和納米為單位。o 微電子學(xué)是信息領(lǐng)域的重要基礎(chǔ)學(xué)科8o 微電子學(xué)是一門綜合性很強(qiáng)的邊緣學(xué)科 涉及固體物理學(xué)、量子力學(xué)、熱力學(xué)與統(tǒng)計(jì)物理學(xué)、材料科學(xué)、電子線路、信號處理、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、測試與加工、圖論、化學(xué)等多個(gè)學(xué)科

4、o 微電子學(xué)是一門發(fā)展迅速的學(xué)科，高集成度、低功耗、高性能、高可靠性是微電子學(xué)發(fā)展的方向o 微電子學(xué)的滲透性極強(qiáng)，它可以是與其他學(xué)科結(jié)合而誕生出一系列新的交叉學(xué)科，MEMSMEMS就是其中之一。9MEMSMEMS與微電子工藝的兼容性與微電子工藝的兼容性 MEMS是在微電子技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來是在微電子技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，融的，融合了合了硅微加工、硅微加工、LIGA技術(shù)和精密機(jī)械加工技術(shù)和精密機(jī)械加工等多種微等多種微加工技術(shù)。這表明微電子技術(shù)是加工技術(shù)。這表明微電子技術(shù)是MEMS技術(shù)的重要基技術(shù)的重要基礎(chǔ)，礎(chǔ)，微電子加工手段微電子加工手段是是MEMS的重要加工手段之一，的重要加工手段之一，微

5、電子中的主要加工手段均在微電子中的主要加工手段均在MEMS制備中發(fā)揮極大制備中發(fā)揮極大作用。包括：作用。包括：Si材料制備、光刻、氧化、刻蝕、擴(kuò)散、材料制備、光刻、氧化、刻蝕、擴(kuò)散、注入、金屬化、注入、金屬化、PECVD、LPCVD及封裝及封裝等。等。10MEMS與集成電路工藝的區(qū)別與集成電路工藝的區(qū)別集成電路集成電路薄膜工藝薄膜工藝 制作各種晶體管、電阻電容等制作各種晶體管、電阻電容等 重視電參數(shù)的準(zhǔn)確性和一致性重視電參數(shù)的準(zhǔn)確性和一致性MEMS工藝多樣化工藝多樣化 制作制作梁、隔膜、凹槽、孔、密封洞、錐、梁、隔膜、凹槽、孔、密封洞、錐、 針尖、彈簧及所構(gòu)成的復(fù)雜機(jī)械結(jié)構(gòu)針尖、彈簧及所構(gòu)成的

6、復(fù)雜機(jī)械結(jié)構(gòu) 更重視更重視材料的機(jī)械特性材料的機(jī)械特性，特別是，特別是應(yīng)力特性應(yīng)力特性11MEMS與微電子的比較與微電子的比較MEMS微電子單晶硅、GaAs、石英、聚合物、金屬單晶硅、硅化合物、塑料實(shí)現(xiàn)包括生物、化學(xué)、機(jī)電和光學(xué)等功能傳輸電流以實(shí)現(xiàn)特定的電路功能有活動部件結(jié)構(gòu)固定3維結(jié)構(gòu)2維平面結(jié)構(gòu)基底上簡單結(jié)構(gòu)基底上高密度復(fù)雜結(jié)構(gòu)無工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)有工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)缺乏工程設(shè)計(jì)方法學(xué)和引線成熟的集成電路設(shè)計(jì)方法學(xué)封裝技術(shù)尚未成熟封裝技術(shù)相當(dāng)完善12Advantages of MEMSIC TechnologyPrecisionBatch FabricationMiniaturizationIntegrate

7、d Multiple FunctionsImproved performanceReduced Manufacturing cost & TimePortabilityRuggednessLow Power ConsumptionEasily & Massively DeployedEasily Maintained & ReplacedLittle Harm to Environmentp 軍事領(lǐng)域o 航空、航天o 信息領(lǐng)域o 生物、醫(yī)療p 工業(yè)控制、汽車o 環(huán)境保護(hù)o 消費(fèi)類、玩具M(jìn)EMS技術(shù)的應(yīng)用技術(shù)的應(yīng)用14MEMSMEMS在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用慣性慣

8、性 MEMSMEMS1617對于陸軍戰(zhàn)士的MEMS計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)/ /無線電子系統(tǒng)無線電子系統(tǒng) 計(jì)算機(jī) 戰(zhàn)士電臺 國家電臺 GPS 手持式平板顯示器 視頻采集防護(hù)服和個(gè)人設(shè)備子防護(hù)服和個(gè)人設(shè)備子系統(tǒng)系統(tǒng) 先進(jìn)的承載能力 化學(xué)/生物服裝/手套/靴子 戰(zhàn)斗編號完整的頭盔子系統(tǒng)裝完整的頭盔子系統(tǒng)裝配配 有懸架的輕型頭盔 頭盔顯示器 圖像放大器 激光探測器 化學(xué)/生物 面具 彈道/激光眼保護(hù)武器子系統(tǒng)武器子系統(tǒng) 激光測距儀 數(shù)字羅盤 安全帶 攝像機(jī) 熱武器瞄準(zhǔn)具 近距離作戰(zhàn)光學(xué)儀18 遠(yuǎn)程醫(yī)療T恤 DARPA and DLA PROJECTNRaD, GIT, MRC and ILC Dover Eri

9、c J. Lind19o 航空：改進(jìn)飛機(jī)性能、保證飛機(jī)安全舒適、減少躁聲o 航天：天際信息網(wǎng)、微重力測量MEMSMEMS在航天、航空領(lǐng)域的應(yīng)用在航天、航空領(lǐng)域的應(yīng)用2021FLUDIC MEMSFLUDIC MEMS222324o 全光通信網(wǎng)：光開關(guān)和開關(guān)陣列、光可變衰減器、光無源互連耦合器、可調(diào)濾波器、光相干探測器、光功率限幅器、微透鏡、光交叉連接器OXC、光分插復(fù)用器OADM和波分復(fù)用器o 無線電話； MEMS電容、電感、傳輸線、RF MEMS濾波器、RF MEMS振蕩器、MEMS移相器、微波收發(fā)機(jī)MEMS集成化射頻前端o 計(jì)算機(jī)；攝像頭、鼠標(biāo)o 投影儀、噴墨打印機(jī)o 數(shù)據(jù)存儲MEMSME

10、MS在信息領(lǐng)域的應(yīng)用在信息領(lǐng)域的應(yīng)用2526RF MEMSRF MEMS272829MEMSMEMS技術(shù)在工業(yè)控制和汽車領(lǐng)域的應(yīng)用技術(shù)在工業(yè)控制和汽車領(lǐng)域的應(yīng)用p 化工廠o 自動化控制中的探測器等o 每部汽車內(nèi)可安裝30余個(gè)傳感器： 氣囊，壓力、溫度、濕度、氣體等o 智能汽車控制系統(tǒng)o 微噴嘴3031MEMSMEMS在環(huán)境保護(hù)、消費(fèi)電子中的應(yīng)用在環(huán)境保護(hù)、消費(fèi)電子中的應(yīng)用o 無人值守大氣環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)o 高速公路環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)o 消費(fèi)類電器模糊控制：攝象機(jī)、洗衣機(jī)o 虛擬現(xiàn)實(shí)目鏡、游戲棒、智能玩具32MEMSMEMS技術(shù)在生物、醫(yī)療領(lǐng)域中的應(yīng)用技術(shù)在生物、醫(yī)療領(lǐng)域中的應(yīng)用o 生物芯片o Lab on

11、Chipo 血壓計(jì)o 新型噴霧器o 可在血管內(nèi)操作和檢測的微型儀器33342021-11-17硅微硅微MEMSMEMS工藝簡介工藝簡介微型制造技術(shù)微型制造技術(shù)精密加工精密加工微細(xì)超聲加工微細(xì)電解加工微細(xì)電火花加工立體光刻立體光刻能束加工能束加工激光加工電子束加工離子束加工 硅微細(xì)加工 硅微細(xì)加工光刻電鑄加工光刻電鑄加工準(zhǔn)LIGA加工LIGA加工體硅加工硅表面微加工各向 異性 腐蝕自停止 腐蝕深層離子刻蝕電化學(xué)腐蝕等離子及反應(yīng)離子刻蝕淀積光刻犧牲層腐蝕擴(kuò)散2021-11-17MEMS的典型生產(chǎn)流程膜越厚，腐蝕膜越厚，腐蝕 次數(shù)越少。次數(shù)越少。去除下層材料，去除下層材料，釋放機(jī)械結(jié)構(gòu)釋放機(jī)械結(jié)構(gòu)

12、采用特殊的檢測和劃采用特殊的檢測和劃片工藝保護(hù)釋放出來的機(jī)片工藝保護(hù)釋放出來的機(jī)械結(jié)構(gòu)械結(jié)構(gòu)封裝時(shí)暴露部分零件封裝時(shí)暴露部分零件機(jī)、電系統(tǒng)機(jī)、電系統(tǒng)全面測試全面測試DEPOSITION OF MATERIALPATTERN TRANSFERREMOVAL OF MATERIAL 多次循環(huán)多次循環(huán) PROBE TESTINGSECTIONINGINDIVIDUAL DIEASSEMBLY INTO PACKAGEPACKAGE SEALFINAL TEST成膜成膜光刻光刻腐蝕腐蝕 裸片淀積氧化層體微加工流程體微加工流程圖形化氧化層腐蝕 (Si)除去氧化層MEMS 器件的加工體硅工藝2021-11

13、-17典型MEMS工藝體硅腐蝕MEMS 器件的加工表面工藝 裸片 淀積薄膜 利用光刻圖形化利用光刻圖形化 淀積犧牲層膜 圖形化犧牲層 淀積機(jī)結(jié)構(gòu)械薄膜 圖形化釋放結(jié)構(gòu)表面微機(jī)械加工流程表面微機(jī)械加工流程2021-11-17典型MEMS工藝犧牲層腐蝕2021-11-17MEMS 器件的加工LIGA工藝2021-11-17MEMS 器件的加工2021-11-17MEMS 器件的加工2021-11-17MEMS 是利用機(jī)械和電子手段控制微觀流量的一種新方法。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、鍵合工藝)MEMSMEMS的市場的市場Sales4546o 最成熟、最早開始產(chǎn)業(yè)化o 壓阻式和電容式 壓阻式微壓力傳感器的精度：0.050.01，溫度誤差為2ppm，耐壓可達(dá)幾百兆帕，過壓保護(hù)范圍可

16、達(dá)傳感器量程的20倍以上。 (1) (1) 壓力傳感器壓力傳感器o 電容微壓力傳感器：日本富士公司和美國的羅斯蒙特公司精度可達(dá)0.1%-0.075%，傳感器在幾年的使用時(shí)間里免維護(hù)o 微諧振式壓力傳感器：準(zhǔn)數(shù)字信號輸出，抗干擾能力強(qiáng)，分辨率和測量精度高。國內(nèi)目前有中科院電子所、北京航空航天大學(xué)和西安交通大學(xué)從事這方面的研究，精度可達(dá)到0.37。o 微加速度計(jì)是微型慣性測量組合的關(guān)鍵基礎(chǔ)元件p 應(yīng)用于汽車安全氣囊系統(tǒng)：體積小、成本低、集成化等特點(diǎn)p 隨后自檢功能和集成CMOS電路o 從單軸向多軸集成o 測量范圍：從1g1000g，精度從0.1%2%(2) (2) 微加速度計(jì)微加速度計(jì) 1979年

17、第一個(gè)壓阻式微加速度計(jì)：滿量程范圍為200g，靈敏度為50V/(gVsupply)，偏軸靈敏度為10%，壓阻效應(yīng)的穩(wěn)定系數(shù)為-0.2-0.3%/(即靈敏度對溫度的變化值)諧振頻率為2330Hz。1)壓阻式微加速度計(jì)壓阻式微加速度計(jì)壓敏電阻空隙玻璃蓋板質(zhì)量塊導(dǎo)電膠引線第一個(gè)壓阻式微加速度計(jì)的剖面結(jié)構(gòu)示意圖o 美國AD公司的ADXL-05和ADXL-50系列單片集成差動電容式微加速度計(jì)，現(xiàn)月產(chǎn)量達(dá)到200萬只，年產(chǎn)值超過2億美元。o 美國摩托羅拉公司批量生產(chǎn)汽車用MMAS40G電容式微加速度計(jì)，選擇雙芯片設(shè)計(jì)制作技術(shù)，封裝微雙列直插式或單列直插式塑封，加速度測量范圍為40g。2)電容式微加速度計(jì)電

18、容式微加速度計(jì) o基于MOEMS(微光機(jī)電系統(tǒng))技術(shù)的微噴已成為MOEMS領(lǐng)域的一種典型器件，它的應(yīng)用涉及科學(xué)儀器、工業(yè)控制以及生物醫(yī)療等多個(gè)領(lǐng)域，目前主要的應(yīng)用方向有噴墨打印、芯片冷卻、氣流控制以及微推進(jìn)系統(tǒng)，應(yīng)用于藥物霧化供給的微噴研究也正在興起。o噴墨打印機(jī)的噴墨打印頭，年產(chǎn)值數(shù)億美元(3)(3)微噴微噴o 根據(jù)MST news的統(tǒng)計(jì)，2003年在微光機(jī)電系統(tǒng)的相關(guān)產(chǎn)品中，噴墨頭的需求已增加至100億美元；ITIS 統(tǒng)計(jì)數(shù)字顯示2001年全球墨盒需求量約為9.71億顆、2002年已達(dá)11.15億顆其年增長率為14.08。2003年隨著數(shù)字打印的需求日漸普及，墨水匣需求量成長至12.54億

19、顆，約有11.08的增長幅度。p 電阻電熱驅(qū)動的熱氣泡式噴墨打印頭由德國柏德國柏林技術(shù)大學(xué)林技術(shù)大學(xué)研制，在有50個(gè)孔的小陣列微噴孔管道一側(cè)采用微工藝制造出多晶硅加熱電阻，阻值為30100 ，當(dāng)給電阻在極短的時(shí)間內(nèi)（25s）通以適當(dāng)幅值的電壓（60V）時(shí)，微管道內(nèi)的墨水將急劇汽化形成氣泡，將氣泡前端的墨滴高速推出微管道，打印在紙上。p微噴孔的直徑為幾十微米，通過適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)，可以單獨(dú)控制每個(gè)微噴孔，單個(gè)微管道中墨滴的噴射頻率最高可達(dá)6kHz。o 與傳統(tǒng)的CRT和LCD投影顯示技術(shù)相比：具有足夠的亮度，均勻性和穩(wěn)定性o 反射顯示：德州儀器設(shè)計(jì)的數(shù)字驅(qū)動微簡易陣列芯片（DMD，Digital Mic

20、romirror Device)，實(shí)際上是反射式微光開關(guān)陣列。o 每一個(gè)微鏡對應(yīng)圖象的一個(gè)像素，一個(gè)微鏡的尺寸僅為16m16m。o DMD可以承受1500g的機(jī)械沖擊、20g的機(jī)械振動，設(shè)備的使用壽命超過了100,000小時(shí)。o 一塊完整的DMD半導(dǎo)體芯片：鏡面是由一百三十萬個(gè)微反射鏡組成的長方形陣列，每個(gè)微鏡對應(yīng)于投影畫面中的一個(gè)光學(xué)像素。(4)數(shù)字微鏡器件數(shù)字微鏡器件 微機(jī)電系統(tǒng)的相關(guān)資訊微機(jī)電系統(tǒng)的相關(guān)資訊RelatedInformation56參考書：參考書：n MEMS MEMS和微系統(tǒng)和微系統(tǒng)設(shè)計(jì)與制造設(shè)計(jì)與制造 王曉浩、熊繼軍等譯王曉浩、熊繼軍等譯 機(jī)械工業(yè)出版社機(jī)械工業(yè)出版社n

21、 微傳感器與微執(zhí)行器微傳感器與微執(zhí)行器 張文棟等譯張文棟等譯 科學(xué)技術(shù)出版社科學(xué)技術(shù)出版社n 微機(jī)械加工技術(shù)微機(jī)械加工技術(shù) 黃慶安，東南大學(xué)出版社，黃慶安，東南大學(xué)出版社，n 微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù) 石庚辰著，國防工業(yè)出版社石庚辰著，國防工業(yè)出版社n 微機(jī)械電子系統(tǒng)及其應(yīng)用微機(jī)械電子系統(tǒng)及其應(yīng)用 劉廣玉等著劉廣玉等著 航空航天大學(xué)出版社航空航天大學(xué)出版社n 硅微機(jī)械傳感器硅微機(jī)械傳感器 陶家渠陶家渠 中國宇航出版社中國宇航出版社57關(guān)鍵詞：關(guān)鍵詞：半導(dǎo)體工藝、集成電路工藝、微機(jī)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 儀表技術(shù)與傳感器儀表技術(shù)與傳感器n 光學(xué)、精密工程光學(xué)、精密工程n 微納電子技術(shù)微納電子技術(shù)n 半導(dǎo)體學(xué)報(bào)半導(dǎo)體學(xué)報(bào)n 固體電子學(xué)研究與進(jìn)展固體電子學(xué)研究與進(jìn)展n 傳感技術(shù)學(xué)報(bào)傳感技術(shù)學(xué)報(bào)59相關(guān)網(wǎng)站相關(guān)網(wǎng)站60相關(guān)公司相關(guān)公司61專業(yè)詞匯專業(yè)詞匯oMerge 融合融合oSelf-testing 自檢自檢oDigital compensation 數(shù)字補(bǔ)償數(shù)字補(bǔ)償oDrive technology 驅(qū)動技術(shù)驅(qū)動技術(shù)oPackage 封裝封裝oAssembly組裝組裝oScan tip 掃描探針掃描探針oNear field microscopy 近場顯微鏡近場顯微鏡oS

24、ealing technique 封焊技術(shù)封焊技術(shù)oImpurity-based etch-stop 基于摻雜的腐蝕停止技術(shù)基于摻雜的腐蝕停止技術(shù)62專業(yè)詞匯專業(yè)詞匯oResonant sensor 諧振傳感器諧振傳感器oMicroactuators 微致動器，微執(zhí)行器微致動器，微執(zhí)行器oSignal-to-Noise 信噪比信噪比oFlowmeter 流量計(jì)流量計(jì)oAccelerometer 加速度計(jì)加速度計(jì)oPositioning system 定位系統(tǒng)定位系統(tǒng)oHierarchical system 分級系統(tǒng)分級系統(tǒng)oMess spectrometer 質(zhì)譜儀質(zhì)譜儀oAutocalibration 自標(biāo)定自標(biāo)定oAnodic silicon-gla