MEMS技术导论

1、常用MEMS结构和系统SensorActuatorsPassive structures Sensors：将机械、热、或其他形式的能量转换成电能 Actuators：将电能转换成机械、热或其他形式的能量。 Passive structures：不发生能量转换 常用的Sensing方法 材料的温度特性（如金属的电阻温度系数） 压阻、压电特性 电容传感（空间位置变化，或相对介电常数变化）转换电路复杂。 电磁信号（磁阻现象、霍尔效应、法拉第定律） 常用actuation方法 electrostatic actuation库仑力，两加电压的单元之间。耗能低。Piezoelectric actuatio

2、n,特点：当压电薄膜较厚，可提供较大的力。耗能低Thermal actuation耗能较大。如双层不同材料，热膨胀系数差异引起的弯屈。密封腔内的液体受热后的膨胀对墙壁施压。Magnetic actuation机理：Lorentz力。通有电流单元在磁场中受力。Actuation using shape-memory alloys特点：提供能量密度最大的actuation。与Si工艺集成困难。 Passive MEM structure 流体喷嘴，（图喷墨打印机喷嘴，Ford公司的引擎燃料喷嘴，吸药器械喷嘴等）。采用各向异性腐蚀Si，或其他电镀电铸工艺等。Si双面用SiN掩膜，背面开方口，KOH溶

3、液腐蚀。圆喷口制备：正面生长P外延层，掩膜保护，干法刻蚀出圆孔。双面掩膜保护，用双面光刻的方法在背面开方孔。KOH溶液腐蚀。高掺杂层可作为腐蚀停层。在Si片上设计流体通道给控制喷嘴形状提供了方便。采用深反应离子刻蚀键合工艺。尺度控制在微米级。喷嘴形状控制好， 喷墨打印喷嘴 MEMS技术最成功的产品之一。 Ta薄膜电阻加热墨水，形成汽泡，喷射出。Sensors压力传感器1974年第一只压力传感器，1998年4500万只Si微机械压力传感器。以压力传感器和血压计为主。敏感元采用扩散压阻材料，制备在Si薄膜上。4个敏感元接成Wheastone电桥形式。薄膜两面有压力差时，发生形变。与压力差成正比。敏

4、感元置于高应力处，两个基轴平行于薄膜边缘，另两个则垂直于薄膜边缘。当薄膜形变时，两个电阻减少，另两个电阻增大。提高测试灵敏度。 工艺：IC工艺电化学腐蚀形成厚度准确的薄膜。正面制备薄无应力绝缘层，背面SiN保护。注入方法掺硼，高温退火，形成压阻单元。背面双面光刻对准开腐蚀孔，电化学腐蚀。阳极键合。 Si直接键合形成向上开口腔体。 减小尺寸 400微米宽，800微米长，150微米高 底层Si片的腔体腐蚀，上层与底层Si片键合。 电化学腐蚀，形成上层薄膜。 制备压阻敏感元，电极。 高温压力传感器 常用Si微机械压力传感器的温度范围-40125度。 在125度以上，压阻单元与衬底的pn结漏电。 可用

5、SOI技术减少漏电。工艺：有一p型重掺杂层的Si片与SiO2/Si直接键合将p型重掺杂层的衬底腐蚀去除。正面光刻形成压阻单元。溅射并光刻形成电极和连线。背面光刻形成腔室和薄膜。 质量流量Sensor： 原理：气体流动，带走被加热单元的热量，使之温度变化。 （1）温度变化可用电阻值变化。通过电桥，测出电压变化。此变化值正比于气体流动量。） （2）用pn结的温度变化 （3）用热电偶的温度变化 MEMS特点： 加热源和衬底支架之间的热隔离好，保证热损失完全由于气体流动。 被加热部件热容量小，反应速度快。 双向质量流量Sensor： 相邻两薄膜上有加热单元和温敏电阻。500微米见方。 气体流量冷却上加

6、热单元，同时给下加热单元升温。使两薄膜上的电阻差值增大，通过电桥获得更高的探测灵敏度。 制备工艺： 淀积SiN薄膜，溅射加热单元（NiCr）和热敏电阻，光刻腐蚀成型。表面绝缘钝化。 光刻腐蚀形成薄膜二维形状 深腐蚀成腔（纵向和横向腐蚀Si，形成SiN悬空薄膜。 加速度Sensor 1979年Stanford大学第一个加速度计。15年后商品化生产。 主要用途：安全气囊。 低成本：3US$/个（1998年）。 基本结构：基于弹簧之上的质量悬挂。 Sensing原理：外加加速度时，探测质量块发生相对位移。 原理： （1）电容式：质量块为电容一极。需专用电路探测微小电容变化e15F。 （2）压阻式：测

7、试弹簧的内应力 参数： （1）测试范围，G （2）响应度，V/G （3）带宽，Hz （4）横轴响应度：评价加速度计对垂直于主轴方向上的加速度的抵抗能力。气囊，测试范围，50GHz，带宽1kHz引擎振动，测试范围：1GHz，分辨率100微G，带宽10KHz以上。心脏起博器,多轴加速度计，监测活动水平，测试范围，2GHz，带宽50Hz，需要耗能小。军事应用，测试范围可达1000G。 四种主要的加速度计（1）压阻体微机械工艺加速度计 结构：基座；核心部分：弹簧，内质量块，敏感单元；盖。外框提供过载保护，与悬挂质量块间距3.5微米。压敏电阻0.6微米厚，4.2微米长，是电桥电阻的一部分。响应度：25m

8、V/G厚而窄的弹簧，保证抵抗横向加速度。可抵抗冲击10000G。制备特点：使 110wafer，以获得垂直深沟。压阻敏感元沿111方向，以获得最大灵敏度。 （2）电容式体微机械工艺加速度计 结构： 三层Si基结构，中间质量块与上下两层的固定电极构成一对差分电容。以提高灵敏度。 质量块中间的孔减少腔内的空气阻尼。提高带宽。电路将电容变化转化成输出电压。 测试范围：1.5G-+-50G。 带宽400Hz，横轴响应度小于5。 冲击抵抗能力20000G。 工艺： 三层分别加工，而后键合。中间的质量块由几步腐蚀的方法制备。 （1）双面浅腐蚀 （2）三部分掩模（SiO或SiN）分别淀积和光刻图形。 （3）

9、分别腐蚀三部分结构，并去除掩模。 （3）电容式表面微机械工艺加速度计 低成本，汽车应用。 特点：悬挂梳状结构，在芯片结构的平面内位移。结构很薄，容易受到垂直方向加速度的影响，和冲击损坏。 结构： 三套2微米厚的多晶指状电极。二套固定于衬底。代表一对差分电容的上下电极。第三套可动双面梳状电极悬挂在表面1微米处，形成可动电极。 无外加速度时，差分信号为零。有加速度时，产生差分电容。 总电容100fF。 测试范围：2G100G 带宽16KHz 质量块质量小，0.3微克（常规体微机械工艺加速度计质量块100微克。），噪声较大（500微G/ )。 优势：可在同一芯片上制备双轴加速度计。Hz （4）电容式

10、深腐蚀微机械加速度计 结构： 可动梳状结构接在悬挂的中央板上。 两套指状结构固定在衬底。 特点，指状结构较厚，50100微米。质量可达100微克。减少机械噪声（10微G/ )。 提高分辨率。 高宽深比的结构减少了横轴方向加速度的影响。Hz 辐射Sensor红外成像 非制冷红外探测。通过吸收红外信号，使探测材料的温度生高，性能变化（如电阻值等），检测这种变化，实现探测。 特点：用MEMS方法将探测单元与衬底完全热隔离。 结构：含有氧化钒温敏材料制备在SiN薄膜上，50微米见方，0.5微米厚SiN薄膜悬于衬底之上。提供热导e8W/K。由于热辐射造成的热导理论最低值为e9W/K。 氧化钒温度系数-0

11、.2-0.3%/度。 衬底部有反射层。与上层间隔1.8微米。形成1/4波长共振腔（10微米波长）。保证红外信号全被探测单元系数。 表面微机械工艺加有机牺牲层技术。 衬底首先加工CMOS电路，保证表面平整。钝化后表面化学机械抛光。 底面金属反射层淀积和光刻。 淀积有机牺牲层1.8微米。 0.5微米SiN薄层。 氧化钒温敏电阻层（温度系数-0.2-0.3%/度，1/f噪声较低，方阻适当，红外吸收系数大）。 或镧锰氧化物温度系数 -0.3%/度， 1/f噪声低。 表面钝化SiN层 去除牺牲层（用各向异性等离子刻蚀方法），释放SiN悬空板。 划片，封装。 对于e8W的红外信号，提高温度0.1度，产生电

12、阻变化10欧姆（电阻50K欧姆） 每个象素的热容e9J/K，响应时间10ms CO气体Sensor 气体Sensor原理：金属氧化物表面吸附气体分子，俘获导电电子，减小表面电导。 Sensor材料包括：SnO2,TiO2,In2O3,ZnO,WO3,Fe2O3.不同的氧化物对不同的气体敏感。 SnO2可探测酒精，H2，O2，HS，CO.In2O3可探测O3。 如图CO Sensor。多晶Si电阻加热器上制备SnO2探测电阻。加热器保证温度100450度，防止湿度太高对性能的影响。Sensor元与加热器置于Si薄膜之上，减少热损失，功耗只有47mW。工作时加恒流，测电压，得到探测信号。 工艺：

13、外延或离子注入加退火形成2微米p型Si薄层。淀积SiN薄层。CVD淀积并光刻多晶Si电阻加热器层。淀积氧化层，并开电极接触孔。溅射淀积SnO2 Sensor层，并退火。光刻SnO2层。溅射Al电极并光刻。最后背面深腐蚀形成薄膜支架。 工作方式：5V脉冲5s加于加热器，保持400度。1V脉冲10s加于加热器，温度降至80度。在固定时刻测试SnO2电阻。 灵敏度：14000ppm。（环境湿度2080） 微机械麦克风 困难：常规麦克风价格低。 优势：小尺寸，应用于助听系统。 结构： 电容式，感知由于声波的传播产生的微小压力的变化（0.1Pa).薄膜悬于底板之上，中孔保证静态压力平衡。 工作原理： 声

14、波产生薄膜振动，薄膜与底板之间电容随之变化，可探测声压水平。底板下的腔体形成共振腔，可调节声阻抗和频率响应。 技术指标： 响应度（530mV/Pa)、 频率响应(10Hz-30KHz)，高频时由于薄膜与底板之间的空气流，响应度降低。 等效输入噪声。两种噪声源：机械噪声和电噪声。 机械噪声热噪声。等效噪声压力为 。 C是器件的声阻抗。腔体体积减小，c增加，对微机械麦克风不利。kTc 工艺：CMOS工艺制备读出电路和直流电源。PECVD和LPCVD方法制备1.1微米SiN层。刻出阻尼slot。溅射Cr电极。 牺牲层和摺皱薄膜的制备。3微米皱薄膜Al牺牲层的淀积、光刻和腐蚀。1微米thin gap

15、Al牺牲层的淀积、光刻和腐蚀。PECVD SiN薄膜的淀积、光刻、和腐蚀，刻出摺皱薄膜。淀积Cr上电极。淀积联线。 最后腐蚀腔和Al牺牲层。 麦克风的响应度10mV/Pa(1KHz)。频率响应150Hz17KHz。噪声由热噪声，电噪声，薄膜阻尼噪声和压力释放通道的阻力噪声构成。 Actuators 数字微镜器件（DMD）投影显示技术 结构：Si衬底上的二维光学开关阵列（每个开关对应一个象素。） 每一个象素由装在微柱上的微反射镜构成，微柱装在金属偏转片，联在弹性扭转绞链上。绞链由两锚柱固定在Si衬底上。 偏转片下的两个电极提供静电驱动力。偏转片和电极间的24V电压是微镜朝电极方向偏转。 偏转角为

16、10度。电压去除后，绞链使微镜恢复原位。 微镜下方的CMOS电路控制微镜的偏转和持续时间。 微镜有三个位置：0度，10度，10度。 在开态（10度），微镜反射的偏轴光进入投影仪透镜，使该象素看起来发亮。另二个状态，反射光被挡住。该象素看起来使黑的。 亮、黑的对比度很高。 微镜16微米见方。标准的分辨率为800600象素1280 1024象素。 图像的灰度由入射光的脉冲宽度来调节。机械开关时间为16微秒，比人眼反应时间快1000倍，灰度可分1000级。 采用三个DMD器件（每个控制一种颜色），可获得彩色投影。典型工艺 微机械阀 低成本气体控制阀，生化系统中的微流体控制阀。特别在小尺寸和电控制较重要的领域。工作方式：常开或常关。加电后，加热丝工作，液体被加热，驱动薄膜向下运动。对于常开系统，薄膜可堵塞流体。断电后，液体冷却，薄膜复位，允许流体流动。缺点：薄膜与流体直接接触，热损失大，热隔离结构，常关系统，在液体加热后，腔内压力增大，薄膜产生对于支点的扭矩，抬高塞子，允许流体流动。 对液体的要求：无腐蚀，惰性，电绝缘，热导高。膨胀系数大。 Perfluorocarbon全氟碳液体 膨胀系数0.13%