MEMS設計技術課件

1、MEMS設計電話mail: 主講人：杜 西 亮課程簡介 MEMS是英文micro electro mechanical system的縮寫，譯作微電子機械系統(tǒng)，簡稱為微機電系統(tǒng)。顧名思義，MEMS是由微機械和微電子線路組成的微系統(tǒng)。它是從20世紀80年代發(fā)展起來的一種綜合性的技術。微機電系統(tǒng)，在歐美稱為MEMS，在日本通常稱之為稱為微機械(micromachining)。 MEMS被認為是微電子技術的又一次革命，對21世紀的科學技術、生產方式和人類生活質量都會有深遠的影響。 通常，開發(fā)一個新的MEMS產品需要5年時間，這個產品進入市場還要一個5年時間。計算機輔助設計(

2、CAD)軟件包可以大大縮短開發(fā)和生產周期。 本課程主要介紹美國IntelliSense公司開發(fā)的MEMS CAD軟件IntelliSuite6.3，學習如何利用它在硅片上設計微傳感器、微執(zhí)行器以及進行模擬仿真。l 教材及主要參考文獻1.IntelliSuite CAD of MEMS美國Intellisense公司. 2002年.2.MEMS和微系統(tǒng)設計與制造，徐泰然著. 機械工業(yè)出版社，2003. 3.微傳感器和微執(zhí)行器，戈雷戈里.科學出版社，2003. 第1章 緒 論主要內容： 1.1 MEMS定義 1.2 典型MEMS產品 1.3 MEMS所涉及的技術領域及應用領域 1.4 MEMS和微

3、電子之間的聯(lián)系 1.5 微系統(tǒng)加工工藝與微制造技術 1.6 MEMS計算機輔助設計1.1 MEMS定義 MEMS是英文micro electro mechanical system的縮寫，譯作微電子機械系統(tǒng)，簡稱為微機電系統(tǒng)。顧名思義，MEMS是由微機械和微電子線路組成的微系統(tǒng)。它是從20世紀80年代發(fā)展起來的一種綜合性的技術。 對于微機電系統(tǒng)，目前國際上還沒有比較統(tǒng)一的定義，國內一般定義為：微機電系統(tǒng)是在微電子技術的基礎上發(fā)展起來微機電系統(tǒng)是在微電子技術的基礎上發(fā)展起來的，融合了硅、非硅微加工和精密機械加工技術制作的，包括的，融合了硅、非硅微加工和精密機械加工技術制作的，包括微傳感器、微執(zhí)行

4、器和微傳感器、微執(zhí)行器和微能源等微機械基本部分以及高性能的微能源等微機械基本部分以及高性能的電子集成線路電子集成線路組成的組成的微機電器件與裝置微機電器件與裝置。微機電系統(tǒng)將信息獲取、處理和執(zhí)行一體化地集成在一個器件上。從加工及應用的角度來看，微機電系統(tǒng)是指采用微機械加工技術可以批量制作的、集微傳感器感器、微機構、微執(zhí)行器以及信號處理和控制電路、接口、通信等模塊于一體（一般為硅襯底材料）的微型器件或微型系統(tǒng)。化學化學其它其它傳傳感感器器力力熱熱磁磁光光模擬信號模擬信號處處 理理數(shù)字信號數(shù)字信號處處 理理模擬信號模擬信號處處 理理與其它系統(tǒng)的通訊與其它系統(tǒng)的通訊/接口接口感應量感應量控制量控制量

5、能能 量量運運 動動狀態(tài)狀態(tài)信息信息執(zhí)執(zhí)行行器器典型的MEMS系統(tǒng)與外部世界相互作用的示意圖 MEMS的研究公認自20世紀80年代開始。1987年，美國加州大學伯克利實驗室首次做出直徑100m、60m的微電機，引起國際學術界和產業(yè)界的高度重視。1989年的MEMS國際會議上一致認為，用微電子技術制造微機電系統(tǒng)是一項嶄新的技術。 MEMS具有的共同特點是：尺寸?。?m-1mm）、重量輕、性能穩(wěn)定、功耗低、諧振頻率高、響應時間短、易于大批量生產、生產成本低、產品易于更新?lián)Q代、比大尺寸設備更可靠。微壓力傳感器封裝后產品利用靜電致動的MEMSAnalog Devices公司的ADXL276/250微加

6、速度傳感器 汽車氣囊展開系統(tǒng)智能慣性傳感器1- 微齒輪 1.2 典型MEMS產品 2- 微馬達 3- 微渦輪 4- 微光學器件( 朗訊1X2 MEMS光開關 )MEMS所涉及的技術領域1.3 MEMS所涉及的技術領域及應用領域 MEMS涉及力學、材料、電學、光學、熱學、機械、生物、 化學等學科，是這些學科前沿的綜合。MEMS的應用信息業(yè)、航空、航天業(yè)、醫(yī)療、生物技術及環(huán)境科學等領域。1.4 MEMS和微電子之間的聯(lián)系 微電子是20世紀最有影響力的技術之一。沒有微電子技術的成熟，近年來微機電系統(tǒng)工業(yè)的繁榮是不可能的。事實上，當前MEMS領域里的很多工程師和科學家也都是微電子領域的專家，正如這兩個

7、領域共享很多關鍵技術一樣。然而過分地強調這兩個技術的相似性不僅不準確，而且會嚴重阻礙微系統(tǒng)發(fā)展的腳步。在設計和封裝上，微系統(tǒng)與集成電路及微電子都有非常大的差異。工程師承認這些差異并有針對性的開發(fā)必需術的方法和技術是必不可少的。 兩者之間部分顯著的差異如下： 1相對微電子，微系統(tǒng)包括很多不同的材料。除了常用的硅材料，還有其他材料，例如石英、CaAs，作為微系統(tǒng)的基底材料。在利用LIGA工藝制作的微系統(tǒng)中，聚合物和金屬材料是很常用的。微系統(tǒng)的封裝材料包括玻璃、塑料和金屬，而微電子的封裝不用這些。 2相對微電子，微系統(tǒng)設計要面向大量的各種各樣的功能，而微電子限定于電子功能設計。 3很多微系統(tǒng)包括可動

8、部分，例如微型閥、泵和齒輪。而微電子沒有任何可動部件，或者流體或光發(fā)生關系。 4. 集成電路主要是兩維結構，被限制在硅芯片表面。然而大部分微系統(tǒng)包括復雜的三維幾何圖形。 5. 微電產中的集成電路在封裝后與環(huán)境絕緣。然而，微系統(tǒng)中的敏感元件和一些核心元件需要與工作介質接觸，這導致一些設計和封裝中的技術問題。 6. 微電子的制造和封裝是成熟的技術，有規(guī)范成文的工業(yè)標準。微系統(tǒng)的生產與這種成熟程度還有非常大的距離。1.5.1 微加工工藝（1）光刻（2）擴散（3）離子注入（4）氧化（5）化學氣相淀積（6）物理氣相淀積（7）外延（8）腐蝕1.5 微系統(tǒng)加工工藝與微制造技術 光刻光刻工藝是利用光成像和光敏

9、膠膜在基底上圖形化。光刻是微細加工中最重要的步驟。它也許是目前唯一可在基底上制作亞微米精度圖形的技術。在微電子方面，圖形化對于集成電路中的p-n結、二極管、電容器等都是必需的。然而，在微系統(tǒng)方面，光刻主要用來作掩模版、體硅工藝的空腔腐蝕、表面工藝中犧牲層薄膜的沉積和腐蝕以及傳感器和致動器初級電信號處理電路的圖形化處理。光刻的一般步驟基底的擴散摻雜基底上的離子注入二氧化硅的熱氧化設備 PECVD設備 濺射工藝外延淀積反應器1.5.2 微制造技術（1）硅基MEMS技術 以硅為基礎的微機械加工工藝往往歸納為兩大類，即表面微加工技術(Surface Micromachining)和體微加工技術(Bul

10、k Micromachining)。 表面微加工技術是把MEMS的“機械”(運動或傳感)部分制作在沉積于硅晶體的表面膜上，然后使其局部與硅體部分分離，呈現(xiàn)可運動的機構。 硅體機械加工最為常用的是利用硅腐蝕的各向異性，用此技術已經制作出硅微泵等MEMS器件。磷硅酸鹽玻璃（PSG）（2）LIGA技術 LIGA是3個德文單詞的縮寫，即平版印刷、電鍍、澆鑄。LIGA技術最早是1982年由前西德提出的，隨后得到不斷的完善，成為開展MEMS領域研究的重要技術。如下圖所示，該方法類似于機械零件加工的鑄造工藝，采用對X射線敏感的光刻膠，首先在導電材料(一般是金屬)表面制備很厚的光刻膠(圖a)，通過X射線深曝光

11、和顯影，在光刻膠層上形成微型、精密的型模（圖b)。然后用精密電鍍工藝取代熔融澆鑄(圖c)，去掉光刻膠后，即形成金屬材料的微機械元件(圖d)；該元件可以是最終的產品，也可作為模具進人下一道工序澆鑄所需要的材料，如塑料(圖e)，從而得到最終所需要的結構(圖f)。LIGA技術是進行非硅材料三維立體微細加工的首選工藝。目前加工深度可達300500 mm，加工寬度可小至1m，高的深寬比有利于提高執(zhí)行器的性能。 MEMS CAD軟件包可以幫助設計工程師很快地核定設計改變造成的影響，評測制造能力及產品的產量。很多CAD程序包的實體模型和動畫制作性能能為設計工程師提供虛擬原型，具有仿真實際產品所希望功能的性能

12、。利用MEMS CAD 可以大大縮短開發(fā)和生產周期。1.6 MEMS計算機輔助設計 1.Conventorware Conventor是最早從事MEMS CAD研究與開發(fā)的軟件公司，其創(chuàng)始人Stephen D.Senturia是麻省理工學院（MIT）著名的MEMS專家，其個人專著Microsystem design全面地闡述了微系統(tǒng)的設計，為MEMS設計人員提供了寶貴資料。 Conventor公司在原有的MEMCAD軟件基礎上針對MEMS的整個設計過程提出了一整套完整的解決方案提出了，CoventorWare軟件采用全新的top-down設計方法，以期實現(xiàn)快速地進行MEMS設計。 軟件由四大部

13、分組成：ARCHITECT、BUILDER、DESIGNER、ANALYZER，擁有幾十個專業(yè)模塊。其功能覆蓋設計、工藝、器件級有限元及邊界元分析仿真、微流體分析、多物理場耦合分析、MEMS系統(tǒng)級仿真等各個領域。 2. IntelliSuite IntelliSuite是由美國IntelliSense公司創(chuàng)造的全球第一個MEMS專業(yè)設計與模擬仿真軟件。軟件模塊包括版圖建模、材料特性、工藝、各向同性和各向異性腐蝕模擬仿真、多物理場量（電、機械、熱、磁等）耦合分析（包括線性、非線性分析，靜態(tài)、動態(tài)分析等）以及系統(tǒng)級分析。提供從概念設計到產品制造的MEMS解決方案。可進行多物理量的分析，其模擬和分析

14、模塊使用戶無須進入實際生產即可評估所設計器件的工藝可行性和工作性能。它的突出特點是將著名的開發(fā)工具與先進的流水相結合，使MEMS產品迅速走向市場。 3.MEMS Pro MEMS CAP公司的MEMS Pro提供掩模版圖自動化設計、設計規(guī)則驗證、三維幾何實體生成。此外，MEMS Pro與ANSYS公司合作實現(xiàn)了ANSYS的3D模型與MEMS Pro的系統(tǒng)級和掩膜工具的連接，從而溝通了掩膜和加工工藝描述數(shù)據與3D建模和分析之間的數(shù)據傳遞。該軟件具有系統(tǒng)級、器件級、工藝級等設計模塊。 MEMS Pro為工程設計中普通MEMS設計者和MEMS專家提供考慮MEMS和IC混合作用的、在Windows操作

15、系統(tǒng)下的設計環(huán)境。MEMS Pro 是一個用戶化的易于使用的平臺，還可以根據某個廠家的制造工藝進行工藝處理定義。MEMS Pro有兩個版本幫助你迅速可靠地占領MEMS相關產品的市場。本課程介紹的IntelliSuite 6.3包括如下九個模塊：1. 3D Builder （Interactively build 3D model） 三維模型的 構造2. AnisE (Simulate anisotropic etch process) 模擬各向異性腐蝕過程3. Electromechanical (Electromechanical Analysis ) 電動機械分析4. Electrosta

16、tic (Electrostatic analysis) 靜電學分析5. IntelliFab (Simulate MEMS manufacturing process) 模擬MEMS過程6. IntelliMask ( Construat mask ) 建立掩膜7. Mechanical ( Mechanical and thermal analysis) 機械和熱分析8. MEMaterial ( Simulate and model MEMS materials) MEMS材料的模型和模擬9. Microfluidic ( Microfluidic analysis) 微流體分析2.1

17、3D Builder的啟動方式 1.直接啟動 點擊開始（Start）程序（Programs） IntelliSuite 3D Builder 2. 間接啟動 從ElectroMechanical模塊、Electrostatic模塊、Mechanical模塊、Microfluidic Analysis模塊中啟動3D Builder模塊。 3. 3D Builder文檔啟動第二章 3D Builder 2.2 3D Builder的操作界面及操作方式 1.二維窗口區(qū)域 2.三維窗口區(qū)域 3.下拉菜單 4.層窗口區(qū)域 5.實體窗口區(qū)域 基本操作介紹 File View Drawing Element

18、 Control Windows Help Refine mesh （精煉，細化） 1. Multiple Slices (多片) 2. Spider web (蜘蛛網) 3. Corner frame (角框架) 4. Zipper(拉鏈) 例1.采用 3D Builder 設計制作如下圖所示的C型硅杯的結構。 圖圖1 C1 C型硅杯結構型硅杯結構微壓力傳感器的典型封裝圖圖2 2 網格劃分后的網格劃分后的C C型硅杯內部結構型硅杯內部結構圖圖3 3 網格劃分后的網格劃分后的C C型型硅杯表面硅杯表面例例2. 2. 采用采用3D Builder 3D Builder 設計制作如下圖所示的懸臂梁結構設計制作如下圖所示的懸臂梁結構結構。結構。本題設計的懸臂梁在第六章本題設計的懸臂梁在第六章MechanicalMechanical中將用于分中將用于分析懸臂梁的力學特性、溫度特性等。析懸臂梁的力學特性、溫度特性等。 (a)背面示意圖背面示意圖（b）正面示意圖）正面示意圖圖圖4 4 懸臂梁懸臂梁補充一補充一: : 圖圖5. 正面正面圖圖6. 背面背面Fig7. 線圈線圈Fig8. 線圈線圈補充二補充二: :電感線圈電感線圈 多匝方形平面電感線