MEMS技术

尺度FactorPrefixSymbolFactorPrefixSymbol10+24yottaY10-24yoctoy10+21zettaZ10-21zeptoz10+18exaE10-18attoa10+15petaP10-15femtof10+12teraT10-12picop10+9gigaG10-9nanon10+6megaM10-6microμ10+3kilok10-3millim10+2hectoh10-2centic10+1decada10-1decid典型尺寸1光年=9.46×1015米美特好到中北大学15公里人身高1.x米小米直径1毫米红细胞直径8微米可见光波长380-780纳米氢原子直径0.1纳米，质子直径1.6×10-15米1cmbeetle甲虫1mmheadlouse跳蚤100µmhair头发10µmbloodcells血球1µmbacteria细菌100nmvirus病毒10nmICfeatures线宽1nmDNA双螺旋结构0.1-0.3nmatom原子自然的微小世界微型车床MicroLathe-Japan小汽车和米粒MiniCarandRice--Toyota微型飞行器MicroAerialVehicle--MIT微型机器人MicroRobot--US人造的微小世界（28克，4cm3）微机电系统的定义微机电系统技术是一个成长中的高科技领域，涉及电子、机械、材料、制造、信息与自动控制、物理、化学和生物等多种学科。研究可批量制作的，集微型机构、微型传感器、微型执行器以及信号处理和控制电路、直至接口、通讯和电源等于一体的微型器件或系统，以提供一种或多种特定功能。器件特征尺寸范围0.1m~1mm。MEMS技术的构成微系统微器件传感器、执行器等微制造材料—设计—工艺—测试—封装应用技术指标设计？？？材料、原理、工艺WhatareMEMS?•Micro-Smallsize,microfabricatedstructures•Electro-Electricalsignal/control(In/Out)•Mechanical-Mechanicalfunctionality(In/Out)•Systems-Structures,Devices,Systems-Control各个国家不同的定义美国：微型机电系统MEMS:Microelectromechanicalsystem日本：微机械Micromachine欧洲：微系统Microsystem（electrical(voltage,charge,current),mechanicl(force,pressure,velocity,acceleration,position),thermal(temperature,heatandheatflow),magnetic(fieldintensity,fluxdensity,magnetization),fluidic,optical(intensity,wavelength,polarization,phase),chemical(concentration,pH,reactionrate)etc.)Multidisciplinary微型机电系统的特点体积小、重量轻、耗能低、性能稳定；有利于大批量生产，降低生产成本；惯性小、谐振频率高、响应时间短；集约高技术成果，附加价值高；拥有广泛的应用领域和前景。第一个晶体管（NPNGe）1947年12月23日W.SchokleyJ.BardeenW.Brattain获得1956年Nobel物理奖1958年第一块集成电路：TI公司的Kilby，12个器件，Ge晶片获得2000年Nobel物理奖1988年：静电旋转微马达RichardS.MullerUCB,Berkeley,CA,USAFanLong-Shen,TaiYu-ChongandMullerRS1989,IC-processedelectrostaticmicromotorsSensorsActuators,2041–720世纪90年代初：气囊微加速度计产业化气囊微加速度计的集成电路版图20世纪90年代中：ICP的出现促进体硅工艺快速发展90年代末：Sandia实验室5层多晶硅技术代表最高水平2000年底：MEMSSi宣布研制成功与标准CMOS兼容的加速度计————最新动向典型MEMS器件—硅微惯性传感器典型MEMS器件——光开关体积小、重量轻、波长透明、插损和串扰小、开关时间短、功耗小、成本低典型MEMS器件——微流体器件泵腔硅硅出口入口阀阀双金属膜典型MEMS器件——微型喷MEMS的发展趋势表面牺牲层技术向多层化、集成化方向发展体硅工艺主要表现为键合与深刻蚀技术的组合，追求大质量块和低应力表面工艺与体硅工艺进一步结合设计手段向专用CAD工具方向发展CMOS压阻式微加速度计ICSensors研制的CMOS压阻式微加速度计，量程为±500g。ADXL-202E的集成芯片电路版图双轴数字输出加速度计ADXL-202E量程是2g带宽可以通过外界电容从0.01Hz调到5kHz，噪声指数是,能同时测量动态和静态加速度，且采用了脉冲调制占空比输出，可以直接进入单片机处理，或者通过滤波器转换成模拟量.Hzmg/0.5InertialSensors连接梁连接质量块感应轴驱动轴感应区驱动梳齿音叉式微陀螺阵列结构静电驱动电容检测微陀螺仪伯克利的振动轮式微陀螺仪差分电容式微麦克风二氧化硅多晶硅压阻硼掺杂薄膜喷镀金属压阻式微传声器压电式微麦克风结构接触孔2绝缘层低应力SixNy1薄膜层0.5Al3505mmSi0.5ZnO压电式微麦克风的照片MEMS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微电子学：Microelectronics微电子学——微型电子学微电子学核心——集成电路IC：通过一系列特定的加工工艺，将晶体管、二极管等有源器件和电阻、电容等无源器件，按照一定的电路互连，“集成”在一块半导体单晶片（如硅或砷化镓）上，封装在一个外壳内，执行特定电路或系统功能。不断提高产品的性价比是微电子技术发展的动力集成电路芯片的集成度每三年提高4倍，而加工特征尺寸缩小倍，这就是摩尔定律2微电子的发展规律微电子的特点微电子学：电子学的一门分支学科微电子学以实现电路和系统的集成为目的，实用性极强。微电子学中的空间尺度通常是以微米和纳米为单位。微电子学是信息领域的重要基础学科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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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，MEMS就是其中之一。MEMS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的，融合了硅微加工、LIGA技术和精密机械加工等多种微加工技术。这表明微电子技术是MEMS技术的重要基础，微电子加工手段是MEMS的重要加工手段之一，微电子中的主要加工手段均在MEMS制备中发挥极大作用。包括：Si材料制备、光刻、氧化、刻蚀、扩散、注入、金属化、PECVD、LPCVD及封装等。MEMS与集成电路工艺的区别集成电路——薄膜工艺制作各种晶体管、电阻电容等重视电参数的准确性和一致性MEMS——工艺多样化制作梁、隔膜、凹槽、孔、密封洞、锥、针尖、弹簧及所构成的复杂机械结构更重视材料的机械特性，特别是应力特性MEMS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i、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军事领域航空、航天信息领域生物、医疗工业控制、汽车环境保护消费类、玩具MEMS技术的应用MEMS技术在工业控制和汽车领域的应用化工厂自动化控制中的探测器等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智能汽车控制系统微喷嘴MEMS在环境保护、消费电子中的应用无人值守大气环境监测网高速公路环境监测网消费类电器模糊控制：摄象机、洗衣机虚拟现实目镜、游戏棒、智能玩具MEMS技术在生物、医疗领域中的应用生物芯片LabonChip血压计新型喷雾器可在血管内操作和检测的微型仪器(1)压力传感器最成熟、最早开始产业化压阻式和电容式压阻式微压力传感器的精度：0.05％～0.01％，年稳定性达0.1％/F.S，温度误差为2ppm，耐压可达几百兆帕，过压保护范围可达传感器量程的20倍以上。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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％。(2)微加速度计微加速度计是微型惯性测量组合的关键基础元件应用于汽车安全气囊系统：体积小、成本低、集成化等特点随后自检功能和集成CMOS电路从单轴向多轴集成测量范围：从1g~1000g，精度从0.1%~2%1979年第一个压阻式微加速度计：满量程范围为200g，灵敏度为50μV/(g·Vsupply)，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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。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(3)微喷基于MOEMS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。喷墨打印机的喷墨打印头，年产值数亿美元电阻电热驱动的热气泡式喷墨打印头由德国柏林技术大学研制，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30－100，当给电阻在极短的时间内（2－5μs）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。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。(4)数字微镜器件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反射显示：德州仪器设计的数字驱动微简易阵列芯片（DMD，DigitalMicromirrorDevice)，实际上是反射式微光开关阵列。每一个微镜对应图象的一个像素，一个微镜的尺寸仅为16μm×16μm。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。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。专业词汇Merge融合Self-testing自检Digitalcompensation数字补偿Drivetechnology驱动技术Package封装Assembly组装Scantip扫描探针Nearfieldmicroscopy近场显微镜Sealingt