微机电系统读书笔记

1、微机电系统读书笔记一、绪论讨论MEMS的发展历史，集成电路技术是起始点。Intel公司1971年推出的Intel 4004处理器芯片 只集成了 2 250个晶体管，1982年问世的Intel 286集成了 120 000个晶体管，而1999年推出的 Pentium HI处理器集成的晶体管数目则达到了 24 000 000。集成电路技术惊人的发展速度，是其他领 域（能匹敌的。每隔12到18个月，芯片上晶体管的集成密度就会翻倍，这个增长 规律被称为摩尔定 律（Moore law） o Intel公司的创始人之一 Gordon Moore发现了集成电路的这个增长规律。这是一个 极富创造力和远见的伟大

2、论断。因为在过去的几十年里，多次担心摩尔定律所预测（或在某种意义上 说是主宰的）的集成电路这种发展趋势将无法继续，而是到达基本物理学定律或那时的工程能力所施 加的极限。然而，集成电路产业按照摩尔定律一直发展到今天，推动着信息社会的迅速发展。MEMS的本质特征小型化。典型MEMS器件的长度尺寸大约在lpm lCm之间，当然，MEMS器件阵列或整个 MEMS系统的尺寸会更大一些。小尺寸能够实现柔性支撑、带来高谐振频率、低热惯性等很多优点。然而， 小型化带来的并不全是更好的特性，也可能带来问题。有些在宏观尺度下非常显著的物理效应，当器件 尺寸变小以后，性能可能会变得很差。与之相反，有些对于宏观器件可

3、忽略的 物理效应，在微观尺寸 范围内会突然变得突出，这称之为比例尺度定律。微电子集成。MEMS最独特的特点之一是可以将机械传感器和执行器与处理电路和控制电路同时 集成在同一块芯片上。这种集成形式称为单片集成，即应用整片衬底的加工流程，将不同部件集成在 单片衬底上。单片集成不包含机器拾取或人工装配等混合组装方法。光刻技术可以确保器件尺寸和 元 件位置的精确性。高精度的批量制造。MEMS加工技术可以高精度地加工二维、三维微结构，而采用传统的机械加 工技术不能重复地、高效率地、或者低成本地加工这些微结构。结合光刻技术，MEMS技术可以加工独 特的三维结构，比如倒金字塔状的孔腔、高深宽比的沟道、穿透衬

4、底的孔、悬臂梁和薄膜。采用传统 的机械加工和制造技术制备这些结构难度大、效率低。现代光刻系统和光刻技术可以很好地定义结 构、 整片工艺的一致性好、批量制造的重复性也非常好。二、微制造在研制和生产MEMS器件时，应注意微制造技术的两个方面。第一，MEMS制造并不是从传统的机械 加工和制造工艺变化而来，它不包括研磨、车床加工、抛光、连接和焊接等工艺。因此，不熟悉集成 电路制造工艺的MEMS初学者，应该首先了解微制造工艺的基本框架、特点及其局限性；第二，MEMS制 造技术的基本工艺（微机械加工“工具箱”）发展迅速，因而MEMS领域正在使用其他材料种类、提高 加工效率、降低制造成本。微制造综述MEMS

5、和1C器件一般都制作在单晶硅圆片上。传统的制造技术一般每次只处理一个部件，MEMS工艺则不同。例如，一个4英寸的硅晶片上可以 有50多个 上cmx-cm 的重复单元在这种情况下每次丁艺中至少可以制作 50 个器件 一个 8 英 闩 5U夕日 J夏中/L。1工况 I，乙丁 ）巾J IF5U右由 |十。J o:jAt 寸晶片将生产出约314个这种尺寸的芯片。为使批量生产的经济效益最大，器件应制作在大直径晶片 上。目前，世界高水平制造工厂已使用12英寸（300哑）晶片。在一定的工艺下，合格芯片所占的百 分比称为成品率。这些晶片之间有间隔，从而可以将它们切割分离出来。每个分离的晶片称作芯片。将它们进行

6、 电互连和密封就可作为商品出售。这种将切出的芯片再封壳并构成系统的过程称为封装。MEMS工艺和传统宏尺寸机械加工有很大区别，主要有下面几点：1）硅是MEMS和集成电路的主要衬底材料，机械特性较脆，不能用机械切割工具成形；2）MEMS和集成电路制作在平面晶片上。平坦化不仅仅是方便于自动化圆片工艺，而且当光刻图形 转移到平面衬底时，平坦化保证了一致的聚焦距离，从而得到较高的均匀性和分辨率。圆 片的平整度 也保证了整个圆片表面有相同的晶向。3）MEMS芯片或元件一般很小，现有的机器人设备很难夹住、有效处理和装配它们。微电子制造工艺集成电路制造过程包括许多步骤：如材料的淀积、材料的去除、图形化等。场效

7、应晶体管（FET）是现代集成电路的结构单元，重复淀积-光刻-刻蚀过程，可以得到任何复杂 的器件。硅基MEMS工艺微电子工业已建立了成熟的工艺技术，并且在工艺控制和质量管理上也有良好基础，所以MEMS器 件首先在硅圆片上发展起来。硅有三种形态：单晶硅、多晶硅和非晶硅。在单晶硅（scs）材料中，晶格是规则排列的。单晶硅通 常由三种方法得到：1）通过高温熔融/再结晶生长单晶硅圆片；2）外延 生长硅薄膜；3）通过全部加热或 局部加热，使多晶硅或非晶硅再结晶。多晶硅材料（称为Polysilicon, Polysi或Poly）有多种晶畴在每个晶畴里，晶格是规则排列的。但 是，相邻区域的晶向是不同的。畴壁（

8、也指晶界）对于决定电导率、机械刚度和化学 刻蚀特性很重要。 多晶硅材料可以通过低压化学气相淀积（LPCVD）生长，也可以通过全部加热或局部加热使非晶硅再结晶。另一方面，非晶硅的晶格是不规则排列的。用化学气相淀积（CVD）生长非晶硅薄膜，所用温度低 于淀积多晶硅需要的温度。由于是低温，在形成固体时，因原子没有足够的振动能量，故不能排列一致。非晶硅用LPCVD生长（在典型的水平低压反应器中，淀积时转换温度是580t,比多晶硅结构高）。 非晶硅也可以通过等离子增强化学气相淀积（PECVD）形成。新材料和新制造工艺近年来，由于采用了新材料和新工艺，硅微机械加工技术正迅速扩展。硅是半导体材料，机 械特

9、性较脆。对某些应用来说，硅比较昂贵或者没有必要。聚合物和化合物半导体等新材料可以 弥补硅性 能方面的缺陷。由于聚合物材料特性（如生物兼容性、光透明度）、加工技术和低成本等特点，它正被用在 MEMS中。近年探索的聚合物材料包括桂橡胶、聚对二甲苯、聚酰亚胺等等。工艺中需要考虑的因素评价制造工艺必须考虑以下几点1）材料的淀积速率和刻蚀速率。2）淀积速率和刻蚀速率在圆片上的均匀性。因为刻蚀或淀积经常在硅圆片上进行，整个圆片的均 匀性是很重要的指标，尤其在工业生产中。3）过刻蚀的敏感度。对过刻蚀不敏感的工艺，可使工艺不均匀性改善，它比需精确时间控 制的 工艺要好。4）刻蚀的选择性。刻蚀的选择性是指对要刻

10、蚀材料的刻蚀速率和对其他材料（如掩膜或衬底）的刻蚀速率之比。每一步工艺的选择性应该越高越好。MEMS的初学者和研究者应该对交叉反应有 个初步了解。目前发表了许多材料和刻蚀方法的反应表55, 56。这些为初学者提供了 很好的参考（见表2-1）。然而，材料刻蚀特性与特定实验条件及过程有关，应该对每个试验条件和设备的结果都 进行校准。5）温度兼容性。在每一次的淀积或刻蚀中，都应该考虑所有材料的温度兼容性，无论材料 是否 曝露或隐藏。低温工艺一般可放宽对材料的选择。6）全部加工工艺时间和工序数。7）环境的洁净度要求。可在洁净间外操作的工序将节约相当多的成本。8）淀积和刻蚀的分布。可得到各种淀积和刻蚀的

11、分布；它们与不同的方法和工艺条件有关。三、电学和机械学基础半导体的电导率硅是一种很常见的元素，沙粒或者窗户上的玻璃都含有硅，它是制造集成电路衬底的理想：选择。 硅属于半导体，半导体为电子电路提供了优良的电学特性以及可控性。半导体硅是MEMS领域中最常用的 材料。1）载流子浓度的计算理想半导体晶体结构中并没有杂质和晶格缺陷，这样的材料就叫作本征半导体材料。这一类型的 材料，电子和空穴由热或光激发产生。当共价电子获得足够的能量，通过热或者光作用， 它就会脱离 硅原子而留下一个空穴。这一事件就称为电子-空穴对产生。但是，大多数半导体晶片并不是理想的本征材料。它们通常含有杂质原子，这种杂质可能是意外

12、地或者人为地掺人。杂质原子会贡献额外的电子和空穴，通常两者并不平衡。特意引人杂质 的过程称 为掺杂，它将本征材料转变成非本征半导体材料。杂质的引人有很多种方式，最常用的 是扩散和离子 注人。它们也可以在材料生长过程中耦合到半导体晶格中，这一过程叫作原位惨杂。对于掺杂的半导体晶片，载流子浓度（和p0）%与不同。但是可以证明电子和空穴的浓度在平衡 条件下遵循下列简单关系式：n。* po = n（3-3）在MEMS和微电子学中，普遍使用掺杂的非本征半导体。一个重要的内容是根据掺杂浓度 推导自由 载流子浓度。2）电导率和电阻率半导体材料的电导率是它导电能力的量度。在两次连续的碰撞之间载流子经过的平均距

13、离称为平均自由程L两次连续碰撞之间的平均 时间称 为平均自由时间。平均速度、平均自_由程、平均自由时间之间可以用下式联系起来d = v t欧姆定律告诉我们：材料的体电阻率（P）是外加电场和电流密度J的比例常数E = PJ电流密度即为单位截面面积流过的电流。电导率是电阻率的倒数（b=i/p）。因此电流 密度和外加电场之间的关系可以表示成J=bE很明显，电导率。可以定义为c=J/E晶向和晶面晶体中的硅原子在晶格结构中规则排列。材料的特性（例如杨氏模量、迁移率和压阻系数） 以及 体硅的化学刻蚀速率通常都表现出对方向的依赖性。几很明显，不同面上的原子堆积密度是不同的，这 就可以解释电学、机械特性以及刻

14、蚀特性的各向异性性质。四、传感器与执行器工作原理理解传感器和执行器的几种基本传感驱动原理（电、磁、光、热等）电容器通常定义为可以储存相反电荷的两个导体，既可作传感器也可作执行器。当电容器的间距和相对位置因外加激励而改变时，其电容值也随之改变，这就是静电敏感；当电压 或电场施加于两个导体时，导体之间产生静电力，定义为静电执行。热敏感与执行原理温度敏感可用于分析热行为，还可利用热传递过程完成物体之间的距离、媒介的的运动速度、材料 的特性等物理参数的测量。掌握形状记忆合金、电致伸缩、磁致伸缩等几种典型智能材料的概念、现象与基本工作原理。形状 记忆合金（SMA）利用应力和温度诱发相变的机理，将以在高温下定型的合金，放置在低温或常温下产 生塑性变形，当环境温度升高到临界温度（相变温度）时，合金变形消失，恢复到定型时的原始状态。 在恢复过程中，合金能产生与温度呈函数关系的位移或力，或二者兼备。特点：结构简单；直流、交流、或脉冲电流均可用于驱动；适于集成。加热速度可快，冷却速度依 赖传导及辐射，不易控制。第五章微传感器传感器sensor的定义：传感器是能感受规定的