微电子学概论第十课课件

微电子学概论第十课微机电系统----超越摩尔定律1微电子学概论第十课微机电系统12请在教学网上下载该文献。费曼预言了微机电系统的出现以及它的基本原则。2请在教学网上下载该文献。费曼预言了微机电系统的出现以及它的提纲什么是MEMSMEMS的制造技术几种主要的MEMS器件三维集成—超越摩尔定律3提纲什么是MEMS3“微电子”不仅仅需要微电子4孤独的人是可耻的“微电子”不仅仅需要微电子4孤独的人是可耻的微电子与真实世界的交互5智能交通远程医疗航天遥感智能家居智能手机微电子与真实世界的交互5智能交通远程医疗航天遥感智能家居智能World感知一切6传感云计算核计算DNA感知DNAI/O计算DNA感知DNAI/O计算DNA感知DNAI/O计算DNA感知DNAI/O计算DNA感知DNAI/O完美体系猜想一完美体系猜想二感知才是我们存在的证据和认识世界的唯一途径。World感知一切6计算核计算DNA感知DNAI/O计算DN智能系统需要感知世界的信号7重力水空气温度光磁场硬度黏度化学生物声音情绪智能系统与真实世界的传感纽带：微机电系统(MEMS)智能系统需要感知世界的信号7重力水空气温度光磁场硬度黏度化学终极微电子系统8终极微电子系统8什么是微机电系统MEMS:9Micro-Electro-MechanicalSystemMicro-MachineMicro-SystemMEMSMicro-MachineMicro-System什么是微机电系统MEMS:9Micro-Electro-Me为什么需要MEMS信息系统不断追求小型化体积缩小性能和可靠性提高功耗和成本降低系统缩小的主要途径遵循摩尔定律的IC缩小技术MEMS用来缩小非IC的部分10为什么需要MEMS信息系统不断追求小型化10为什么需要MEMS？11ControllerSensorActuator微电子技术可以缩小控制部分MEMS机械部分的缩小是整个系统缩小的瓶颈。为什么需要MEMS？11ControllerSensorAc什么是MEMS？MEMS>IC集成了微传感器，微执行器，信号处理器，控制器，输入输出电路，通讯系统以及电源的系统12Electro-Mechanicalsysteminmicroscopeworld.什么是MEMS？MEMS>IC12Electro-MecMEMS的科学力学电子学化学光学物理学生物学材料学13MEMSMEMSisaInterdisciplinarySciencewhichinvolvesmechanics,electronics,chemistry,optics,physics,biology,materialscienceetc.MEMS的科学力学电子学化学光学物理学生物学材料学13MEMMEMS的好处尺寸小可将系统缩小智能能够将力、热、磁和化学信息转换为电子信号集成可采用微电子工艺集成在芯片上可靠性安全功耗低绿色环保14MEMS的好处尺寸小14MEMS的分类机械加速度计，陀螺仪，马达，机器人，喷气发动机，泵，扬声器，环振，阀门，开关

热温度、红外成像化学酸碱传感器，成分传感器，浓度传感器光镜面，光栅，通讯，CCD生物生命探测器，机器人，智能注射器，DNA芯片15MEMS的分类机械15世界第一支静电加速度计16ADI制造世界第一支静电加速度计16ADI制造固态硅微卫星17固态硅微卫星17微马达18微马达18MEMS的挑战19SurfacetensionMEMS微观世界中物理法则MEMS的挑战19SurfacetensionMEMS微观MEMS的挑战20微加工高深宽比刻蚀深谷MEMS的挑战20微加工高深宽比刻蚀深谷MEMS的挑战21系统设计和集成sensorControllerExecutionIntegratedSystemMEMS的挑战21系统设计和集成sensorControllMEMS制造技术22MEMS制造技术2223MEMS巨型机械制造小型机械；小型机械制造微机械（日本）微电子半导体加工工艺紫外光刻微电铸模制造技术（德国）微机械LIGA自顶向下自底向上23MEMS巨型机械制造小型机械；微电子半导体加工工艺紫外光LIGA工艺24LIGA工艺24MEMS工艺键合25各向异性腐蚀深槽刻蚀MEMS工艺键合25各向异性腐蚀深槽刻蚀未来3DIC的CMOS-MEMS集成技术牺牲层技术独立的MEMS系统很高的传感灵敏度较低的寄生效应体积小封装简单复杂的制造过程缺少兼容的材料26ICfirstICandMEMSmixedMEMSfirst未来3DIC的CMOS-MEMS集成技术牺牲层技术26ICMEMS器件27MEMS器件27非常重要的几类MEMS器件惯性传感器加速度计陀螺仪压力传感器光学MEMS传感器微光开关微光学台面微执行器微喷管微马达生物MEMS器件28非常重要的几类MEMS器件惯性传感器28电容式加速度计29电容式加速度计29电容式加速度计（放大图）30电容式加速度计（放大图）30微镜面31微镜面31微光栅32微光栅32微透镜33微透镜33微型光学台面34微型光学台面34微光开光351x4opticalswitch1x8opticalswitch微光开光351x4opticalswitch1x8op便携式化学传感器36便携式化学传感器36微马达37微马达37微型喷嘴38美国喷气推进实验室(JPL)展示的采用MEMS技术的电阻电热式微推进器样机（液体气化方式）。微推进器由薄膜加热器、微型喷口等组成。其性能目标为：比冲75～125s，推力0.5mN，功率<5W，效率≥50%，质量为几克，大小为1cm2。微型喷嘴38美国喷气推进实验室(JPL)展示的采用MEMS技微型喷嘴39美国喷气推进实验室(JPL)展示的采用MEMS技术的电阻电热式微推进器样机(固体升华方式)。微推进器由推进剂存贮箱、微阀、微过滤器、微型喷口等组成，微型喷口利用MEMS技术中的体硅工艺制作。其性能目标为：比冲50～75s，推力0.5mN，功率<2W/mN，质量为几克，大小为1cm2。微型喷嘴39美国喷气推进实验室(JPL)展示的采用MEMS技微型喷嘴40组成:由5到6片芯片叠在一起，内有混合燃烧室、喷口喷管、两个泵和两个阀以及冷却管道的多器件集成系统。用液态氧和乙醇作燃料性能：能产生15N的推力，推力重量比达1500:1，是大火箭推进器的10~100倍，反映了微系统的潜力新概念的微型双组元火箭发动机结构图微型喷嘴40组成:由5到6片芯片叠在一起，内有混合燃烧室3DIC–超越摩尔定律41怎样将MEMS和其他非电子系统以及复杂电子系统在一个三维的芯片中集成？3DIC–超越摩尔定律41怎样将MEMS和其他非电子系二维平面上的摩尔定律420.7XnodeXnodelogicmemoryanalogRFScalingdown?SoCHighervalue二维平面上的摩尔定律420.7XnodeXnodelog三维空间上的摩尔定律4332nm技术22nm65nm90nmlogicmemoryanalogRFSoCSiPMEMSmemorySysteminPackageSystemonchipHigherhighervalue三维空间上的摩尔定律4332nm技术22nm65nm90nm超越摩尔定律44MEMS超越摩尔定律44MEMS3DIC技术的类型453DIC技术的类型45基本结构46基本结构46TSV（深硅通孔）工艺47TSV（深硅通孔）工艺47TSV3DIC技术的挑战成本TSV制造技术的成本较高散热垂直和水平方向的散热通道设计

可靠性应力，电迁移，热退化供应链谁来做TSV？谁需要TSV？48TSV3DIC技术的挑战成本48微电子系统的未来49MEMSCMOSSolarCellFlexibleelectronicsBio-ChipAllinSiRFStorageMemory微电子系统的未来49MEMSCMOSSolarCellFl小结MEMS是微电子系统与外界互动的纽带，是一种微型化和集成化的机械系统。信息系统缩小的最终瓶颈在于MEMS的尺寸.三维IC技术可以在第三维度上集成不同的芯片，从而扩展系统的功能，继续维持摩尔定律。TSV是三维IC技术的关键。全硅集成也许是将来微电子发展的终极形态。50小结MEMS是微电子系统与外界互动的纽带，是一种微型化和集成作业请解释什么是MEMS，并请谈谈你认为什么样的机械可以集成到硅芯片上，带来什么样的好处？给出一到二个例子。51作业请解释什么是MEMS，并请谈谈你认为什么样的机械可以集成微电子学概论第十课微机电系统----超越摩尔定律52微电子学概论第十课微机电系统153请在教学网上下载该文献。费曼预言了微机电系统的出现以及它的基本原则。2请在教学网上下载该文献。费曼预言了微机电系统的出现以及它的提纲什么是MEMSMEMS的制造技术几种主要的MEMS器件三维集成—超越摩尔定律54提纲什么是MEMS3“微电子”不仅仅需要微电子55孤独的人是可耻的“微电子”不仅仅需要微电子4孤独的人是可耻的微电子与真实世界的交互56智能交通远程医疗航天遥感智能家居智能手机微电子与真实世界的交互5智能交通远程医疗航天遥感智能家居智能World感知一切57传感云计算核计算DNA感知DNAI/O计算DNA感知DNAI/O计算DNA感知DNAI/O计算DNA感知DNAI/O计算DNA感知DNAI/O完美体系猜想一完美体系猜想二感知才是我们存在的证据和认识世界的唯一途径。World感知一切6计算核计算DNA感知DNAI/O计算DN智能系统需要感知世界的信号58重力水空气温度光磁场硬度黏度化学生物声音情绪智能系统与真实世界的传感纽带：微机电系统(MEMS)智能系统需要感知世界的信号7重力水空气温度光磁场硬度黏度化学终极微电子系统59终极微电子系统8什么是微机电系统MEMS:60Micro-Electro-MechanicalSystemMicro-MachineMicro-SystemMEMSMicro-MachineMicro-System什么是微机电系统MEMS:9Micro-Electro-Me为什么需要MEMS信息系统不断追求小型化体积缩小性能和可靠性提高功耗和成本降低系统缩小的主要途径遵循摩尔定律的IC缩小技术MEMS用来缩小非IC的部分61为什么需要MEMS信息系统不断追求小型化10为什么需要MEMS？62ControllerSensorActuator微电子技术可以缩小控制部分MEMS机械部分的缩小是整个系统缩小的瓶颈。为什么需要MEMS？11ControllerSensorAc什么是MEMS？MEMS>IC集成了微传感器，微执行器，信号处理器，控制器，输入输出电路，通讯系统以及电源的系统63Electro-Mechanicalsysteminmicroscopeworld.什么是MEMS？MEMS>IC12Electro-MecMEMS的科学力学电子学化学光学物理学生物学材料学64MEMSMEMSisaInterdisciplinarySciencewhichinvolvesmechanics,electronics,chemistry,optics,physics,biology,materialscienceetc.MEMS的科学力学电子学化学光学物理学生物学材料学13MEMMEMS的好处尺寸小可将系统缩小智能能够将力、热、磁和化学信息转换为电子信号集成可采用微电子工艺集成在芯片上可靠性安全功耗低绿色环保65MEMS的好处尺寸小14MEMS的分类机械加速度计，陀螺仪，马达，机器人，喷气发动机，泵，扬声器，环振，阀门，开关

热温度、红外成像化学酸碱传感器，成分传感器，浓度传感器光镜面，光栅，通讯，CCD生物生命探测器，机器人，智能注射器，DNA芯片66MEMS的分类机械15世界第一支静电加速度计67ADI制造世界第一支静电加速度计16ADI制造固态硅微卫星68固态硅微卫星17微马达69微马达18MEMS的挑战70SurfacetensionMEMS微观世界中物理法则MEMS的挑战19SurfacetensionMEMS微观MEMS的挑战71微加工高深宽比刻蚀深谷MEMS的挑战20微加工高深宽比刻蚀深谷MEMS的挑战72系统设计和集成sensorControllerExecutionIntegratedSystemMEMS的挑战21系统设计和集成sensorControllMEMS制造技术73MEMS制造技术2274MEMS巨型机械制造小型机械；小型机械制造微机械（日本）微电子半导体加工工艺紫外光刻微电铸模制造技术（德国）微机械LIGA自顶向下自底向上23MEMS巨型机械制造小型机械；微电子半导体加工工艺紫外光LIGA工艺75LIGA工艺24MEMS工艺键合76各向异性腐蚀深槽刻蚀MEMS工艺键合25各向异性腐蚀深槽刻蚀未来3DIC的CMOS-MEMS集成技术牺牲层技术独立的MEMS系统很高的传感灵敏度较低的寄生效应体积小封装简单复杂的制造过程缺少兼容的材料77ICfirstICandMEMSmixedMEMSfirst未来3DIC的CMOS-MEMS集成技术牺牲层技术26ICMEMS器件78MEMS器件27非常重要的几类MEMS器件惯性传感器加速度计陀螺仪压力传感器光学MEMS传感器微光开关微光学台面微执行器微喷管微马达生物MEMS器件79非常重要的几类MEMS器件惯性传感器28电容式加速度计80电容式加速度计29电容式加速度计（放大图）81电容式加速度计（放大图）30微镜面82微镜面31微光栅83微光栅32微透镜84微透镜33微型光学台面85微型光学台面34微光开光861x4opticalswitch1x8opticalswitch微光开光351x4opticalswitch1x8op便携式化学传感器87便携式化学传感器36微马达88微马达37微型喷嘴89美国喷气推进实验室(JPL)展示的采用MEMS技术的电阻电热式微推进器样机（液体气化方式）。微推进器由薄膜加热器、微型喷口等组成。其性能目标为：比冲75～125s，推力0.5mN，功率<5W，效率≥50%，质量为几克，大小为1cm2。微型喷嘴38美国喷气推进实验室(JPL)展示的采用MEMS技微型喷嘴90美国喷气推进实验室(JPL)展示的采用MEMS技术的电阻电热式微推进器样机(固体升华方式)。微推进器由推进剂存贮箱、微阀、微过滤器、微型喷口等组成，微型喷口利用MEMS技术中的体硅工艺制作。其性能目标为：比冲50～75s，推力0.5mN，功率<2W/mN，质量为几克，大小为1cm2。微型喷嘴39美国喷气推进实验室(JPL)展示的采用MEMS技微型喷嘴91组成:由5到6片芯片叠在一起，内有混合燃烧室、喷口喷管、两个泵和两个阀以及冷却管道的多器件集成系统。用液态氧和乙醇作燃料性能：能产生15N的推力，推力重量比达1500:1，是大火箭推进器的10~100倍，反映了微系统的潜力新概念的微型双组元火箭发动机结构图微型喷嘴40组成:由5到6片芯片叠在一起，内有混合燃烧室3DIC–超越摩尔定律92怎样将MEMS和其他非电子系统以及复杂电子系统在一个三维的芯片中集成？3DIC–超越摩尔定律41怎样将MEMS和其他非电子系二维平面上的摩尔定律930.7XnodeXnodelogicmemoryanalogRFScalingdown?S