课件第五章moems设计与仿真

1第四章回顾致动方式：静电致动平板电极驱动器梳状驱动器静电旋转微马达静电平动微马达电磁致动压电致动热致动热膨胀式致动热气动式致动形状记忆合金2微型致动器件：微镜微型马达微夹钳微开关微型泵/阀微型光开关……3第五章

MOEMS设计与仿真北京航空航天大学刘惠兰82316906-8784设计流程5MOEMS设计中的工程和科学力学梁和薄板的弯曲、机械振动、热力学、流体力学电磁学静电场、电磁场半导体器件物理能带、掺杂、PN结、电阻率材料学晶体学、功能材料、材料特性仿真计算方法能量法、有限元分析光学……6本章内容5.1MOEMS设计时需考虑的问题5.2MOEMS设计流程5.3MOEMS仿真及其软件5.4软件使用介绍及设计实例75.1MOEMS设计时需考虑的问题尺度上与常规的不同---->尺度（寸）效应材料上与常规的不同---->MOEMS材料加工方法上与常规的不同---->MOEMS工艺81.尺寸效应

在MOEMS的微小尺寸和微小尺度空间內，许多宏观状态下的物理量都发生了变化，相异于传统机械的特点，在微观状态下呈现出特有的规律和尺寸效应。所謂尺寸效应是指当物体的尺寸Ｌ改变时，种种的物理量比例于Ｌn

而变化的现象。9尺度（尺寸）效应的重要性MEMS的尺寸＝常规物体的千分之一许多常规的直觉已不能适用当尺寸缩小时，许多物理量值会发生急剧变化10与长度的尺度L相关长[L1]L/10－>s/10面积[L2]L/10－>s/100体积[L3]L/10－>s/1000重量[L3]L/10－>s/1000面积/体积[L-1]L/10－>10×s11当系統或器件的尺寸縮小到微观领域时，与尺寸Ｌ的高次方成比例的惯性力（L4）、电磁力（L3）等的作用相对减小，而与尺寸的低次方成比例的黏性力（L2）、弹性力（Ｌ2

）、表面张力（Ｌ1

）、静电力（Ｌ０）等的作用相对加強，同時表面积（L２）与体积（L3

）的比值增大，热传导、化学反应显著加快和表面摩擦力显著增大。12

研究MOEMS设计中的尺寸效应主要要解决以下问题：充分认识哪些宏观领域理论可以沿用，这些理论所占比例较大，起着重要作用；研究宏观理论对哪些量不再适用，需要重新修正；了解随着特征尺寸的不断减小，在宏观领域不太明显的量，在微观领域其相对作用显著增强，如静电力和表面张力等。13几何结构学中的尺寸效应几何尺寸效应随空间维度的不同产生的作用迥异。随着MOEMS一维特征尺寸的不断减小，其二维、三维的表面积、截面积和体积自然也会减小，但衰减的速率不同，该衰减速率随维数的增加而增大，因而会出现表面积和体积比增大，导致化学反应速度快、传热效率高，表面力学效应和表面物理效应起主导作用。随着MOEMS器件进一步减小到纳米级，相应地，介质不连续性突出，必须用量子化理论进行研究。14部分力的尺寸效应在MOEMS领域，与特征尺寸的高次方成比例的惯性力、电磁力等的作用相对减小，而与尺寸的低次方成比例的弹性力、表面张力和静电力的作用显著。表面积与体积之比增大，因而微系统中常常采用静电力作为驱动力。15部分力的尺寸效应力的尺寸效应主要表现在两个方面。第一，由于从宏观到微观的尺寸变化，各种作用力的相对重要性发生了变化。第二，当物体的特征尺寸不断减小时，介质连续性等宏观假设不再成立，相关力学理论需要修正。材料的力学性能参数的数据库还未全面建立，在一定程度上制约了微系统的进一步发展，需要进一步研究介观物理和微观力学，解决尺寸效应问题。16热传递中的尺寸效应微系统内的热流密度非常大。——解决微小电子器件的冷却问题十分迫切。微系统的热惯性会迅速下降。——很多在常规尺度下很难实现的过程在微尺度下短时间内可以实现。——同样可以实现的过程，在微尺度条件下，实现过程更快，灵敏度更高。流体力学中的尺寸效应17尺度效应小结当尺寸缩小时尽量利用[L1][L0]的力如：表面张力，微间隙的静电力不要与[L2]的力作对如：摩擦力

[L3]的力也可以用，但要注意其可能包含的其它力182.MEMS材料

SubstratesSilicon硅Glass玻璃Quartz石英

ThinFilmsPolysilicon多晶硅SiliconDioxide氧化硅SiliconNitride氮化硅Metals金属Polymers聚合物19硅材料硅的基本性能导电性能掺杂浓度越高，电阻率越低。10-3-1010Ωcm

加入不同杂质导致不同的导电类型。N型，P型物理性能硬度8.5×107g/cm2，熔点1420°C，E=190GPa，ρ=2.3g/cm3

化学性质IV族，易与金属形成合金，易被碱性溶液腐蚀，主要以氧化物形式存在。晶体性能三种主要晶向：[100]、[110]、[111]20

硅晶体硅的晶体结构是立方体金刚石晶格结构。考虑18个原子：

8+6+4一个晶胞含有8个原子

(1/8)*8+(1/2)*6+421

硅的晶面——Miller指数22

沿晶向的异向腐蚀23

硅片SiliconWaferMEMS常用硅片：直径：3、4inch厚度：300－500μm单抛、双抛来自于沙子纯度:99.999999999%(11个9)24

硅的掺杂25

硅片SiliconWafer26材料特性硅有很好的机械特性27

硅化合物多晶硅基本各向同性，电学性质类似硅，机械性能比硅差LPCVD淀积，厚：0.5-5μm

用于：结构、电极、引线、电阻氮化硅（Si3N4）电绝缘性好LPCVDorPECVD淀积，厚：50-200nmor1-2μm

用于：绝缘层、结构、体硅腐蚀/注入掩模28硅化合物二氧化硅（SiO2）绝缘物质，很好的电、热绝缘性热氧化orLPCVDorPECVD淀积，厚：0.1-3μm

用于：绝缘层、隔热层、刻蚀/扩散掩模、牺牲层SOI（SilicononInsulator）硅片通过键合制作，上层硅厚几－几十微米用于：需厚层的结构29

功能材料压电材料PZT：溶胶凝胶法、溅射、水热法，致动、传感氧化锌（ZnO）：溶胶凝胶法、溅射，传感PVDF：拉伸成膜，致动、传感石英（晶体SiO2）：衬底块材形状记忆合金（SMA）Ni－Ti合金，马氏体相变态，相变温度：40－50°C，溅射，致动，回复应变：最大8％，回复应力：最大400MPa30

聚合物光刻胶（Photoresist)正胶、负胶，普通胶厚：1－2μm，厚胶：－20μm刻蚀掩模，金属/聚合物结构的牺牲层，准LIGA电铸模SU-8负胶，环氧树脂，拉应力较大，厚：－500μm准LIGA电铸模，结构聚酰亚胺（Polyimide）负胶，厚：－20μm准LIGA电铸模，结构PMMA（聚甲基丙基酸甲酯，有机玻璃）正胶，X线敏感，厚：－3mmLIGA电铸模，结构PDMS（二甲基硅烷，一种硅橡胶）正胶，很好的成形性，高透明性软光刻成形结构，纳米压印模，微流体结构，光波导聚合物正成为有力的MEMS材料315.2微系统的设计流程

微系统和其他产品在设计上的主要区别是：微系统的设计需要集成相关的制造和加工工艺。微系统元件是用大量的物理和化学方法加工出来的，这些加工和制造工艺经常包含对用于这些元件精密材料的高温和苛刻的物理和化学处理。这些工艺会对微系统的性能产生非常大的影响。所以必须在设计的同时予以考虑。32通常，在微系统设计中有三个主要任务是互相交联在一起的，分别是：①工艺流程设计；②机电和结构设计：③包括封装和测试在内的设计验证。微系统设计中材料的选择也比常规产品的材料选择复杂得多。在微系统的材料选择上，不仅要考虑系统基本结构的材料．还要考虑工艺流程中的材料。33MEMS研发方式的三个发展阶段：1.MEMS发展早期的5-10年的“实验迭代”方式，即“设计→实际样品制造→功能与性能验证→重新设计”的迭代过程；2.目前主流的是“模型仿真迭代”方式，即“模型设计→工艺过程仿真→模型功能与性能验证→重新设计”的迭代过程；3.未来复杂的MEMS产品将采用无迭代的直接由计算机根据功能与性能需求生成正确的“全自动”方式。34微系统设计流程图设计约束结构设计计算仿真工艺方案设计版图设计加工封装性能测试35设计中要重点考虑的问题1.设计约束——客户需求、进入市场时间、环境条件、物理尺寸、重量限制、制造设备、成本……2.材料选择仅用于支撑的钝性基底材料：聚合物、塑料、陶瓷等活性基底材料：硅、砷化镓、石英等，用于传感或致动部件中封装材料：粘接剂：焊接合金、环氧树脂、硅橡胶引线：金、银、铝、铜、钨端板和外壳：塑料、绿、不锈钢芯片保护装置：硅酮凝胶、硅油36设计中要重点考虑的问题3.制造工艺4.信号转换选择对微传感器和微致动器，需要将化学、光、热或机械能以及微系统部件的其他物理行为转化成电信号或反向转换。5.机电系统6.封装7.测试测试、校准、修正375.3MOEMS仿真及其软件1.为什么需要仿真和仿真软件?设计加工思路：传统的设计加工思路是从零件到装配最后的系统。MOEMS是采用微电子和微加工技术，将所有的零件、电路和系统在通盘考虑下几乎同时制造出来，零件和系统是紧密结合在一起的。MOEMS的设计涉及力学、流体力学、热学、电学和电磁学等多学科交叉问题，需要综合多学科理论分析，加大了设计参数选择的难度，常规的分析计算无法适应设计要求。382.器件设计模拟的具体办法（仿真软件主要功能）工艺设计掩模版图设计结构仿真器材料特性数据库器件的模拟和优化39403.DesignSimulationTools（MOEMSCAD软件）

MEMSProANSYS

Coventorware

IntellisuiteIMEE41MEMSProMEMSProisaPCbasedMEMSdesigntooloriginallydevelopedbyTannerResearch,Inc.NowthetoolispartofMEMSCAPproductportfolio.MEMSPro为工程设计中普通MEMS设计者和MEMS专家提供考虑MEMS和IC混合作用的、在Windows操作系统下的设计环境。全套的MEMSPro为用户无缝地从仿真示意图一直到掩模提供方便的工具。MEMS基本模块帮助用户自动生成掩模，包括编辑、设计规则校验、块放置和布线、3维模型生成和3维可视化。设计工具4243ANSYSMEMSCAP和ANSYS紧密结合以确保MEMS设计和有限元分析工具的无缝集成。ANSYS是有限元多物理场分析的最佳工具，MEMSCAP为ANSYS在MEMS市场提供方便的设计工具。44CoventorwareCoventorWare是在著名的MEMCAD软件上发展起来的。该软件拥有几十个专业模块,功能包含MEMS器件与系统的设计、工艺、仿真.可以进行从系统级到器件级的仿真。CoventorWare可以应用于四大领域：OPTICALMEMS,RFMEMS,MICROFLUIDICS,SENSOR。2005年的版本加入封装方面的功能。45该软件包含五大部分：ARCHITECT，DESIGNER，ANALYZER，INTEGRATOR，MEMulator+Etch3D。

46CoventorwareARCHITECT：可定制的Top-Down设计和并行设计环境，具备Electromechanical/Optical/RF/Fluidic器件的模型特性参数库，给用户提供系统级的MEMS设计、仿真、分析功能。DESIGNER：是MEMS器件版图设计、材料库、工艺过程检验和三维模型生成。同时，DESIGNER还自带MEMS封装模型库。ANALYZER：完备的MEMS器件仿真功能，包括有限元和边界元仿真，对MEMS器件的三维模型进行结构力学、静电学、阻尼、电磁学、多场耦合、微流体等物理问题的详细分析。47CoventorwareINTEGRATOR：提取MEMS器件特性参数，也可以从场分析结果中提取电学，力学，封装热变形，气体阻尼，质量，转距，流阻等行为模型，用于系统级仿真分析。工艺仿真器MEMultor+Etch3D：工艺仿真软件MEMulator

使得MEMS设计者或工艺工程师能够在实际的制造过程前观察设计及工艺过程效果。产生高度接近真实器件的3D虚拟原型，而不是理想化的几何模型。Etch3D可以进行各向异性湿法刻蚀模拟。各个方向的刻蚀速度通过AtomisticMonte-CarloSimulation1来算出，而不是直接输入。并且Etch3D可以和MEMulator结合在一起进行工艺仿真。4849SEMulator-68stepCMOSprocessemulationP-wellonsubstrateStep2ExposePhotoresistmakstoimplantNTUBStep8ExposePhotoresistwithactivediffusionmaskStep14GrowOxideincl.bird’sbeakformationStep18GrowthinOxideoversiliconsurfacesStep20ExposeResistondepositedPolyStep24Removethinoxidewhereexposed

Step26ImplantPPLUSStep35Step44ImplantNPLUSStep50RemoveResistaftercontactholeetchRemoveResistafterMetal1RIEetchStep56NitrideCapdepositionStep66Finaldevicewithoutanyoxidelayervisualized

Zoomoncrosssectionoffinaldevice

50IntellisuiteIntelliSuite是IntelliSenseCorp开发的MEMS设计工具。IntelliSense可以应用于以下领域：BIOMEMS,RFMEMS,MECHANISMDESIGN,FLUIDICS，SENSOR&ACTUATORS,OPTICALMEMS。ProcesstoolsDevicetoolsSpecializedtools51IntellisuitePre-processorMeshgeneratorPerformanceanalysisThermo-electro-mechanicalanalysisPost-contactandhysteresisanalysis,PiezoMEMS,RFMEMS,Electromagnetics,Microfluidics,BioMEMS,Packaging,Circuit&Systemanalysis.MaterialdatabaseFabricationandcostmodelingSiDryandWetEtchsimulatorsAutomatedLayoutFabricationsimulation5253MeshgeneratorInteractivemeshrefinementputsyouincontrol54TunablecapacitorModalanalysis:Firstmode55IMEE

FirstMEMSCADToolwithIPinChina(北大)

MEMSSystemLevelDesign,DeviceDesignandSimulation,ProcessDesignandSimulation,LayoutDesign56***********575.4软件使用介绍及设计实例1.工艺步骤及掩模版设计练习设计目标：静电微梁应用：光栅光阀，压力传感，微镜……

58结构0.5um2um0.2um10um去除牺牲层后的结构去除牺牲层前的结构59掩模版A掩模B掩模6060硅基底10um0.5um2um0.2um10um61硅基底10um沉积氮化硅0.2um0.5um2um0.2um10um62硅基底10um沉积氮化硅0.2um沉积牺牲层（BPSG）2um0.5um2um0.2um10um6363硅基底10um沉积氮化硅0.2um沉积牺牲层（BPSG）2um加B掩模曝光（用负胶）0.5um2um0.2um10um646464硅基底10um沉积氮化硅0.2um沉积牺牲层（BPSG）2um加B掩模曝光（用负胶）刻蚀BPSG（深度2um）0.5um2um0.2um10um65656565硅基底10um沉积氮化硅0.2um沉积牺牲层（BPSG）2um加B掩模曝光（用负胶）刻蚀BPSG（深度2um）沉积铝膜0.5um0.5um2um0.2um10um6666666666硅基底10um沉积氮化硅0.2um沉积牺牲层（BPSG）2um加B掩模曝光（用负胶）刻蚀BPSG（深度2um）沉积铝膜0.5um加A掩模曝光（用正胶）

0.5um2um0.2um10um676767676767硅基底10um沉积氮化硅0.2um沉积牺牲层（BPSG）2um加B掩模曝光（用负胶）刻蚀BPSG（深度2um）沉积铝膜0.5um加A掩模曝光（用正胶）刻蚀Al（深度2um）0.5um2um0.2um10um686868686868硅基底10um沉积氮化硅0.2um沉积牺牲层（BPSG）2um加B掩模曝光（用负胶）刻蚀BPSG（深度2um）沉积铝膜0.5um加A掩模曝光（用正胶）刻蚀Al（深度2um）去除牺牲层材料0.5um2um0.2um10um69掩模版用途AnchormaskBeammaskGNDmask702.Intellisuite软件介绍Pre-processorMeshgeneratorPerform