MEMS習題1-31分析

1、1 .解釋微系統(tǒng)技術與微電子技術的差異微電子儆系統(tǒng)（存赫）傳輸電河以寬觀恃定的電掰功能 固定的結構 主要為二維結構 展之上高密度的紅雜聞形 少量元件裝配集成電用芯片被宛全優(yōu)護.徽憑外界接觸 成熟的集成電路設計方法學 大星;的導電曲孔和引找 有工業(yè)標選 大批量牛產(chǎn)加_|_技術已經(jīng)驗證其現(xiàn)定或工 制造出術已舒驗記并屈定成七 建立相當定首的科法技術奧h構法金屬M以實現(xiàn)務神的生相. 化學.機電和尤學功能 可熨包拈活動部件復雜的三雄結構 薨底上的藺中圍幫 多元怦裝配將寓濟芯片與接觸媒介行接口 缺乏工爬設計方造學和標第 少氤導電油孔和引純沒有工業(yè)機雜 批量生產(chǎn)城訂中生產(chǎn) 許多微電子加工技術可用于生產(chǎn) 獨特

2、的制造按代封裝區(qū)末尚處于萌芽時期12建議列表格進行比較，優(yōu)先寫標紅部分。2 .比較MEMS封裝與IC封裝的不同MEMS復雜的三雉結構含有活動部件或液體需要格微結構同彼電子集成需接觸工作介腰弁處于寒劣環(huán)境下涉及多種不同材料很多元件需組裝主要采用人工進行組裝封裝技術處于起步階段IC主矍為三雛結構固定的薄固體結構不需要這種集成遁過包裝與工作介質相隔高只涉及少數(shù)幾種材料少數(shù)元件需要組裝具有自動優(yōu)的組裝技術成熟的封裝技術3 .介紹BioMEMS的分類及其典型結構的工作原理1）用于識別和測量生物物質的生物傳感器2）生物儀器及外科手術工具3）生物測試診斷系統(tǒng)典型結構：生物醫(yī)學傳感器工作原理：生物物質可與傳感

3、器內(nèi)部的某些元素化學反應釋放出某些元素，這些元素可以改變傳感器中的電流模式。參考例圖（根據(jù)時間決定畫不畫）測后葡萄糖含戢的生物醫(yī)學傳感器Slood umpltPt Ei&drgRplwinyf $以0翅 部艇rw 做上同卓 一個鈿薄電極、一個薄的Ag/AgCI薄膜時 血液輸入十聚乙烯酒精溶液（含。力 葡初期+。2T葡有糖酸內(nèi)酯酶+“。金 出0?可被鐺電極上的電質電解,形成H。并被電極吸引 通過測量兩電極之間的電流即可歸面蜀捌含吊：生物傳感器工作原理：基于待檢測分析物與生物分子（如酶、抗體或其他形式的蛋白等）的相互作用。參考例圖（根據(jù)時間決定畫不畫）：生物傳感器原理框圖A>IESu

4、pplyCht miml (>prk»lI lirnnal Kcn»nt tJrdtrivrhMHii i call 出+EI Sensin vc Hciz Llfixt It寓工二 生坳分子層（可根據(jù)測成目的選擇）作為傳感器單兀 輸入被分析物 生物分子層吸附被分析物內(nèi)的某些特定元素 它們之間的相互作用將影響傳感器輸出信號4 .介紹微型電動機的工作原理，介紹微型加速度計的典型配置及其工作原 理1）微型電動機的工作原理:運動方向可動電極W+W/3B'C'D'介電材料固定電極C如圖所示，對 A組電極施加電壓，在電場的作用下，A與A'發(fā)生相對

5、運動，使得A與A，對齊，但引起了 B與B，的錯位；接著給 B組電極施加電壓，B與B' 發(fā)生相對運動，使得 B與B'對齊，但引起了 C與C'的錯位；繼續(xù)給C組電極施加 電壓，C與U發(fā)生相對運動，使得 C與C'對齊，但引起了 D與D'的錯位。如此 反復，可動電極就能想著一個方向不斷運動 。電極間錯開的距離越短，電極數(shù)越多， 運動就越平穩(wěn)。除了直線電動機，還可以通過類似的方法做出旋轉電動機。2）微型加速計的典型配置及工作原理典型配置：質量振子、彈簧和阻尼器簧 器彈 尼量子L質振振動基體.工作原理：器件加速運動時，使得基體和彈簧同時加速運動，質量振子為了平 衡，

6、也需要彈簧提供一慣性力，從而使得彈簧拉伸（壓縮）。通過測量彈簧力的大小，或彈簧引起的變形的大小，或由質量振子和固定基體組成的電容器電容的大 小，來測量加速度的大小。阻尼器的作用是減弱彈簧的簡諧運動，使質量振子快速 穩(wěn)定，從而快速獲得測量值。MEMS中常用的加速度計有懸梁式加速度計和平衡力式加速度計。懸梁式加 速度計中，懸臂梁充當彈簧，質量塊為質量振子，腔內(nèi)流體充當阻尼器，通過測量 懸臂梁上的壓敏電阻值計算加速度。平衡力式加速度計中薄梁為質量振子，彈簧較鏈為彈簧，周圍流體為阻尼器，通過測量差動電容計算加速度。5 .解釋硅被優(yōu)先選擇作為 MEMS襯底材料的原因。1）可以被集成到硅襯底的電子器件上2

7、）力學性能穩(wěn)定，是理想的結構材料，擁有較高的楊氏模量和較小的密度3）高溫下的尺寸穩(wěn)定性4）熱膨脹系數(shù)小5）沒有機械遲滯，硅晶面平整6）材料來源廣泛，成本較低7）設計、制造更靈活，處理、制作工藝成熟6. MEMS材料中壓電晶體材料、聚合物類材料各自特點及應用；如何使聚 合物導電？1）壓電晶體材料：特點：擁有壓電效應（受到壓力變形時， 能在上線表面產(chǎn)生電壓） 和逆壓電效 應（在上下表面施加電壓，材料能產(chǎn)生一變形）；通常為固體陶瓷材料應用：MEMS中的執(zhí)行器、壓電微泵、打印機墨盒、雙壓電微風扇2）聚合物材料：特點：重量輕、成本低、熔點低、電導率差（一般為絕緣體）、處理工藝簡單、耐蝕性好、形狀穩(wěn)定性高

8、應用：光阻聚合物用于生產(chǎn)掩模和LIGA技術中MEMS的初模；鐵電聚合物用于MEMS中的執(zhí)行器；聚合物還用作介電材料、電磁屏蔽材料、封裝材料和有 機襯底3）使聚合物材料導電的方法：熱解；摻入過渡金屬原子；加入導電纖維7.介紹化學氣相沉積的工作原理1）攜帶擴散反應物的氣體流過熱表面2）表面溫度提供的能量引起氣體中反應物的化學反應3）反應中和反應后形成薄膜4）化學反應的副產(chǎn)品由出口排除。水平反應器垂直反應器反應用和道氣口排氣口8.比較干法腐蝕和濕法腐蝕的不同之處參數(shù)干法腐蝕現(xiàn)法腐蝕1方向性對多數(shù)材料好僅對單晶材料（深寬比高達1。口）生產(chǎn)自動化程度好差環(huán)境翔1低高掩膜層稻附性能不是關鍵因素郵頰僻比差非

9、匍ff1特腐蝕樹科僅特定材料所有F工藝如模航大困難容易普度有條件清潔好到三好皤尺寸控制非常好（Slum）差裝置的昂貴較昂貴典型腐蝕a率慢(Mum/min)到快快(1 um/minCLt)(6um/min)操作教（多很少腐蝕速轉制在矍慢腐衡t好困難9.等離子體在微加工中的作用1）等離子刻蝕2）離子注入3）薄膜沉積10.敘述體硅微制造、表面微加工和 LIGA工藝的特點及其優(yōu)缺點體硅微制造特點：缺點：材料損失大；僅限于低深寬比的幾何形狀，即表面尺寸遠大于深度尺寸 優(yōu)點：簡單，是一個成熟的工藝過程；生產(chǎn)成本低；適合簡單形狀的制造； 表面微加工特點： 缺點：需要在基底上構造材料層；需要復雜的掩模設計及生

10、產(chǎn)；必須要腐蝕掉犧牲層；工藝過程耗時多，成本大；有界面應力和粘連等工程問題.優(yōu)點：需要在基底上構造材料層；不受硅晶片厚度的限制；薄膜材料的選擇范圍大；適合于復雜的形狀.LIGA工藝的特點：缺點：所有工藝中花費最多的工藝；X射線光刻需要用到一種特殊的同步加速器輻射設備 ；需要研制微注入壓模技術及進行大批量生產(chǎn)的設備 .優(yōu)點：微結構的深寬比不受限制；柔性的微結構和幾何形狀；是三種技術中唯一可生產(chǎn)金屬微結構的工藝；在制備注入壓模的情況下，是三種制造工藝中最適合批量生產(chǎn)的.11.表面微加工由幾個的組成部件組成？對于表面微加工過程主要存在哪Sil i8G生成絕緣層些力學問題，分別闡述其原因 組成部分：顯

11、影并去除多余光刻膠二 ISilicon6刻蝕暴露的材料g-ISiNoon Substre7去除殘留光刻膠曝光13.介紹LIGA工藝過程，在LIGA工藝過程中為什么電鑄是必要的？LIGA對光刻膠有什么要求LIGA包括三個工藝過程：深層同步輻射 X射線光刻 電鍍成形 注塑力學問題：1層間的粘附層間粘結力不夠2界面應力襯底與淀積材料熱膨脹系數(shù)不匹配12.分析表面微加工中防止粘連產(chǎn)生的原因.防止粘連的主要方法主要有哪 三類？原因：一旦產(chǎn)生，接難以分離。方法Peeling offSevering 才帖ng the Interlace by shearAt 枕OkAt JOC:During oxidati

12、on by CVDAfter oxidation表挈7防止粘連的方法種 類方 法基本原理機械結并列的更應凸點沉機結構層前疊整牲層上刻驚一些如 沉根的結樹層就會在坑時成向F的突起.在干爆時支承靖構構支承他壁月牙結構支承防止懸臂梁變形臨時增強被隹放給構增加剛度防止鼻梁式形二氧化碳的界挎放!將清洗液髓界變?yōu)闅怏w.防止出現(xiàn)鎬體氣體相變設迸和氣體了而而 蝕犧牲層，避免表面強力.但是算放速度很慢放方法光資收支承群故有即溶灌置.換清洗市浸入光刻腔中.河用等高字利神同化的光則冷昨升華法祓體O構同H-I啟源,然, j在耳空中升隼,防止出現(xiàn)液體氣體相變清小表面強力先廊粗糙處理等離子體著足等方法使表面相糧.減小實際

13、樓題而根裹而厭水處理J1I NRF溶液處理到總艇及諉的厭水性黑面,降低毛細現(xiàn)象表面鍍腹處理表面料重一層低表而能的因水薄膜,降低毛加現(xiàn)象和表面張打使用電鑄將微結構內(nèi)部填充，將聚合物取出后就可得到金屬的微結構，并以此為模子可進行下一步的注塑。光刻膠選?。航陙磉x用高靈敏度的 SU-8,曝光時間短，適用于大尺度 加工。對電子束敏感，與襯底材料附著性能好。14 .描述DRIE工藝并分析DRIE如何獲得近乎完美垂直腐蝕結構DRIE在腐蝕過程可以在側壁生成幾毫米厚保護掩模；采用高濃度等離子體源，使基底材料等離子刻蝕過程與側壁上腐蝕保護 材料沉積過程交替進行。DIRE延伸了體硅微制造，獲得高深寬比，并且腔壁

14、完全垂直。15 .比較體硅微制造與表面微加工工藝技術的異同點。體硅微加工是指對晶體或非晶體的體塊材料進行腐蝕，得到三維形貌。表面微加工是指在襯底上逐層累積與刻蝕，從而形成結構。表面微加工尺寸上一般遠小于由體硅微加工獲得的器件。共同的工藝技術：光刻、氧化、擴散、離子注入，LPCVD、PECVD、等離子刻蝕、多晶硅的使用、濺射、蒸發(fā)、電鍍工藝技術區(qū)別：體硅微加工中采用了各向異性腐蝕、鍵合技術、腐蝕停 止層、雙面工藝、電化學腐蝕；表面微加工采用干法刻蝕實現(xiàn)圖形化、各向同性腐蝕進行結構釋放。16 . MEMS微系統(tǒng)封裝主要難點微系統(tǒng)有三維結構；每層結構由不同材料成；系統(tǒng)中含有流體或受環(huán)境排斥物質；對需

15、要直接與外部環(huán)境作用才能實現(xiàn)功能的 MEMS器件，封裝結構要 實現(xiàn)保護及信號連接的作用。17 .鍵合技術主要應用領域，微系統(tǒng)元件鍵合的難點應用領域：(1)基片之間的鍵合：硅晶片鍵合到硅晶片、硅晶片鍵合到由玻璃、石 英、藍寶石、陶瓷和金屬材料制成的承載晶片上(2)微元件固定到承載基片上：硅模片固定到由玻璃或者陶瓷制成的基 板上(3)微器件上轉換器的輸入輸出引線以及導電線的連接微系統(tǒng)元件鍵合難點：(1)表面之間的緊密結合(2)溫度18 .介紹粘合劑鍵合、共晶鍵合特點及工藝過程檢測和控制要求(1)特點鍵合方法溫度密封性可靠性環(huán)氧樹脂(粘 合劑)鍵合共晶鍵合低中不好好不確定不確定(2)工藝過程檢測和控

16、制要求a粘合劑鍵和過程檢測過程溫度控制：溫度影響粘性溫度過高，流動性好，污染表面接觸力過小，晶片與黏合劑接觸不好，強度不高；環(huán)氧樹脂鍵合過程失效的接觸力變化范圍較大，對測力的精確性以及重復性必須檢測污染污染導致鍵合性變差，造成電阻增加或者導電性能下降污染可能是由于環(huán)氧樹脂過期或者清洗不足b共晶鍵合過程檢測過程溫度控制低于共晶點，長時間保溫，鍵合結點顆粒狀；溫度過高，熱沖擊、浸潤不足接觸力過大，不滿足共晶鍵合所要求的清洗過程過小，器件位置不平整，導致電路性能和機械可靠性變差清洗不充分清洗，影響共晶鍵合形成；過量清洗，共晶鍵合變薄，電路性能變差，機械性能變差空氣條件氧氣過多，氧化、妨礙潤濕。N2調(diào)

17、節(jié)空氣成分，壓力、速度、噴嘴位置污染無機污染物，Ar等離子氣；有機，氧等離子或者化學溶液加工時間增加鍵合時間，導致Au過度溶解，接頭性能下降19 .介紹局部加熱鍵合的主要方法，采用激光進行局部加熱鍵合有何顯著優(yōu) 點？主要方法：金硅共晶鍵合，硅-玻璃熔化鍵合，局部焊接鍵合，局部CVD 鍵合，局部激光輔助鍵和。激光進行局部加熱鍵合的優(yōu)點：反應時間和溫度可控非接觸式過程不同材料可以使用不同波長的激光加工復雜圖形的能力和用戶選擇性20 . 介紹三種導線鍵合方法和特點，對導線鍵合過程控制檢測要求有哪些熱壓：引線鍵合在機械壓力和大約400的溫度下完成鍵和過程為，加熱引線形球，用毛細管狀（熱壓頭？ppt 上

18、是那么寫的）的工具將球壓倒焊盤上，施加機械壓力在球鍵合到焊盤上之后移走毛細管狀的工具楔形-楔形超聲鍵合：室溫下的鍵合能亮是由20-60khz的超聲震動提供。熱壓超聲：是使用超聲的熱壓鍵合，鍵和溫度為100-150，鍵合形狀為球形-楔形或者是楔形-楔形導線鍵合鍵合過程檢測過程溫度控制超聲波鍵合：室溫；超聲焊接：125175 C；熱壓鍵合：250300 C；工具溫度超聲波及熱聲鍵合：室溫；熱壓鍵合：300400 C；鍵合力過度鍵合：鍵合節(jié)點弱化鍵合不足：鍵合材料形變不夠，難以焊接過程時間過短，無法完成鍵合；過長：超聲損壞焊點超聲波耦合調(diào)整超聲波發(fā)生器的輸出電壓調(diào)整超聲能量；靜態(tài)和動態(tài)下諧振頻率和阻

19、抗的偏差；固定傳感器的晶體堆鍵合表面金屬化薄而硬鍵合表面需要更大的超聲波能量和接觸力，較大的鍵合表面；截尾時需要小的接觸壓力；厚而軟的鍵合表面需較小的超聲波能量和接觸力，較小鍵和表面；截尾時要更大的接觸壓力。鍵合表面污染：濕法清洗、等離子清洗有機：氧或者氫等離子清洗或化學刻蝕；無機：氬等離子體清洗熱壓鍵合受表面污染的影響最大；熱聲受污染影響最小鍵合材料屬性（純度、硬度延展性）硬度大，需要大的接觸力，高的溫度，大的超聲能量；延展性引起截斷時段點發(fā)生變化21 . 為何對于MEMS 器件制造，密封工序是要重點考慮的對象？按照材料分類，密封分為哪兩類，各有何特點？MEMS 密封的必要性:防化學污染、濕

20、氣腐蝕、鹽霧污染、來自生物體污染、空氣污染；防止機械破壞。密封材料：有機材料、無機材料有機材料經(jīng)濟、耐久性不夠，性能受所用聚合物樹脂滲透性控制；無機密封相對長久、且是氣密的，甚至實現(xiàn)真空封裝，成本高。22 .集成密封過程的主要優(yōu)點、步驟。集成密封過程的主要優(yōu)點：晶片切割和處理工序之前，可以對機械元件進行原位密封，避免受到污染。集成密封過程的步驟：采用微細加工技術制作器件和起間隔作用的犧牲層；沉積犧牲層并形成圖形，之后是封裝蓋層的沉積和圖形制作過程， 從而形成具有刻蝕通道和空腔的密封外殼。去除犧牲層沉積密封通道和空腔微結構與犧牲層犧牲層., H林及XI釋放孔通道犧牲層封裝外殼微機械結構(b)多犧

21、牲層與密封外殼犧牲層去除(G去除犧牲層密封釋放孔和通道密封通道和空腔23 .使用中間層進行晶片鍵合其工藝過程的主要特征。使用中間層進行晶片 鍵合的主要步驟。主要特征：廣泛用于陶瓷工業(yè)，形成金屬與金屬之間或者金屬與陶瓷之間的鍵合， 包含如下特征融合或熔化兩種材料形成一個穩(wěn)定的、易于鍵合的中間成分擴散作用。被擠壓的鏈接部分被加熱到材料熔點 70%的溫度，從而 在界面上形成一個穩(wěn)定的中間層材料焊接過程。將填充材料放入待連接的兩個部件之間，并在加熱作用 下形成穩(wěn)定的中間層材料鍵合過程中，中間層可能流入并填充兩個鍵合面之間的縫隙，從而對粗糙度的要求沒有晶片直接鍵合高主要步驟：制作密封蓋和器件 在密封蓋晶

22、片上制作4微米厚多晶硅薄膜; 可斷裂連接鏈由金/多晶硅材料制作成； 金焊接頭分布在密封蓋的邊緣熱壓鍵合 采用熱壓鍵合，金焊接頭被焊到硅基底的密封環(huán)上連接鏈分離24 .判斷真空密封好壞的依據(jù)。陽極鍵合工藝與局部CVD沉積結合的真空密封步驟。判斷真空密封好壞的依據(jù)：密封后真空腔的真空度；真空腔在經(jīng)過一定時間剩余真空度（泄漏速度）。陽極鍵合工藝與局部CVD沉積工藝結合的真空密封步驟： 通過KOH濕法刻蝕工藝在硅晶片上形成凹形空腔采用薄膜沉積、光刻和刻蝕形成M EMS結構和互連導線采用化學機械拋光磨平表面將玻璃晶片通過陽極鍵合連接到硅基底采用CVD工藝對通風孔進行密封25 .微組裝過程中微觀操作與宏觀

23、尺寸操作不同，具體敘述其特點答：1 .操作對象肉眼看不見。很難通過肉眼直接觀察來進行操作，需借助特 定的顯微鏡進行。2 .操作對象重量輕、結構脆弱，易于損毀。因而需要對操作過程中施加 的力要有正確估計，擁有力傳感器非常關鍵。3 .操作對象形狀復雜，因而操縱的不確定性較多。4 .制約微操作過程的物理化學規(guī)律與大尺寸情況不同。微操作的力作用 規(guī)律不同宏觀，重力可以忽略，而黏附力、靜電力、范德華力等變得重 要。5 .微操作的行為呈多樣化，對于操作要求更高。6用于制造微夾持器的材料呈現(xiàn)多樣化。26比較微組裝過程中，串行微組裝與并行微組裝的不同答：微組裝分為用行微組裝（順序）與并行微組裝（隨機），申行微

24、組裝中零件是一個 一個裝配的；并行微組裝中許多相同或不同的零件同時被裝配。兩者不同：1 .裝配機理分行微組裝采用微操作機械手或微夾持器進行裝配；并行微組裝 采用靜電力、磁場力、毛細作用力、離心力等進行分布操作。2 .信息反饋：用行微組裝需顯微視覺及微力反饋以實現(xiàn)微小零件的準確定位， 需閉環(huán)控制；并行微組裝很少需反饋信息，為開環(huán)控制。3 .組裝系統(tǒng)復雜度及效率：用行微組裝可裝配結構復雜零件，效率低；并行 微組裝裝配結構簡單零件，效率高。4 .組裝靈活性：用行微組裝靈活性比并行高27.微組裝系統(tǒng)設計一般準則及主要流程一般準則：1.從系統(tǒng)角度出發(fā)設計，涉及機器人、計算機視覺、顯微光學、物理和化學；2 .重視封裝過程的結合，采用自對準結構和技術來降低機器人系統(tǒng)的對準精度要求；3 .可重新配置的能力，基于功能分解的模塊化設計；主要流程：1.送料4 .微夾具、機械手或機器人加持器件5 .器件鍵合和固定，包括引線鍵合和特殊表面鍵合6 .封裝，包括金屬、陶瓷、塑料封裝以及真空封裝7 .檢測