全面的微系统技术

一、微系统技术术的迅猛进展，很多今日看来理所固然的科学和工程成就都不行能实现。微系统技术是由集成电路技术进展而来的，经过了大约20年的萌芽阶段，20602080单晶硅和多晶硅中的压阻被觉察、争论和优化。在微系统技术的研发时期，涌现出了一些具有重要意义的争论成果。1967Westinghouse公司制造了一种谐振栅晶体管〔RGT。它与传统的晶体管不栅电极和衬底之间的间距。RGT佳能公司最早开发了基于热气泡技术的喷墨打印技术，而惠普公司在1978膨胀所需液体体积大小的墨滴，如图1-1所示。气泡裂开又将墨汁吸入到存放墨印。1-1机械加工的机械构造，如弹簧、传动机械和曲柄等。进展阶段。格外成功的例子有美国AnalogDevices〔模拟器件〕公司生产的用TexasInstruments〔德州仪器〕公司用于投影显示的数字光处理芯片。的方式，有效地降低了传感器的使用本钱。20世纪90年月后期，光微系统技术 进展快速。世界各地的争论人员竞微光机电系统和器件，期望能将二元光学透镜、衍射光栅、可调光微镜、干预滤波器相位调制器等部件应用到光学显示自适应光学系统可调滤波器、气体光谱和路由器等应用领域。含有传感器的智能手术工具等。二、微系统技术的本质特征小型化3M1m~1cm用规律。例如，跳蚤可以跳过自身高度的几十倍，而大象则根本不能跳。定性观看和高效率。尺度效应是微系统技术中很多物理现象不同于宏观现象的一个格外得要的缘由，随着尺寸的减小，外表积〔L2〕与体积〔L3〕之比相对增大，外表效应螺旋状长长的鞭毛边旋转边前进。微系统技术中的力3多极电场力以及偶极电场力引发的范德瓦尔斯力等很多形式。力会使微构件很快磨损而导致失效，但摩擦力有时也可用来作为约束或固定。共存并耦合的系统。因此，微机电系统具有特别的力学环境。三、集成电路制造工艺也材料概述掺杂目的：转变材料电学性质。根本方法：集中法；离子注入法。外延〔常常是用一样材料〕定义：在硅衬底上产生单晶层。根本方法：气相外延。薄膜层技术〔常常用不同的材料〕定义：形成厚度在nm~m 膜。目的：实现特定功能方法：物理沉积，包括：真空蒸镀；溅工艺。光刻工艺光刻工艺过程举例：3-1在图3-1中的是相关的典型步骤：清洁处理、涂敷光刻胶、前烘暴光显影坚膜腐蚀去胶四、硅微机械加工工艺体硅微机械加工工艺定义：直接在基底材料外表上腐蚀去除材料，形成三维构造。4-14-1各向同性、各向异性或者自停顿方法得到相应三维构造。外表硅微机械加工工艺下面加工。硅 二氧化硅 多晶硅4-2如图4-2所示典型牺牲层腐蚀工艺的具体步骤：氧化，做体硅腐蚀掩膜层；光刻氧化层，开体硅腐蚀窗口；体硅腐蚀出所需底层构造；去除SiO2；生长或淀积牺牲层材料；光刻牺牲层材料成所需构造；生长构造材料；光刻构造材料；牺牲层腐蚀，释放构造层；防粘结处理。五、微系统技术的封装技术封装的定义与目的：狭义封装〔PKG〕I/O系统封装〔SIP〕I/O封装的目的是把功能集成，并使设备小型化，增加包涵性、兼容性，减小信号传输路径。微系统技术加工的进展趋势及存在的问题趋势：低温键合〔150℃以下；防粘附〔外表粗糙技术、外表钉台技术；片上封装〔在晶圆上；特高深宽比〔与现有工艺兼容；传统特种加工进军微系统技术；进展封装技术〔已相对独立于IC、微系统技术。存在的问题层间、焊盘、焊点的界面应力去除问题；热胀系数不匹配、剩余应力、变形、本征应力去除问题；微构造工作过程中热变形；构造粘附〔由于加工过程中干、湿引起的问题。六、微构造静电场及电场力无限大平板模型导体形成的电容可定义为Cqu间的电势能，然后应用虚位移原理，确定微构造间的静电力。任意两导体之间储存的能量实际上是电容的能量，可表示为1W2CU2无限大平板模型是目前微构造中应用最多的，此模型假设a、b相对于d无限大，即无视电容的边缘效应，依据电容定义，可求得Cabd利用电势能和虚位移原理可求得平行运动静电力为W 1C bF U2 U2x以及垂直运动静电力为

a 2a 2dW 1CF U2

U2y d 2d 2对于微机电系统中的静电微构造，尺度为微米量级甚至更小，而且由于加bdab影响。考虑边缘效应模型基于分别变量法得到的级数解容，可得如下的电容关系式2k1dcoth 2a cb k0

2k11coth为双曲余切函数。其能量为：W

2CU2。从而有横向驱动力FbdU2 1x a2

k0sinh

2k1d2

FWbU2

2a 1y d a

0sinh

2k1d2 2a 响，因此上式都不是准确解。基于保角变换计算式解。ab b

2aC0 d 1ln1 dC

ln1d

W所以，

1

。横向驱动力为

b2 2

bF

2d

x 2d a在实际应用中，d 为10~50，所以上式可以化简为1b b d F U2法向驱动力为

x 2d d2 2d

adFW

abU21

y d d2

1a∕d 对上式静电力进一步简化为FabU21 d y d2

ad考虑极板厚度是的边缘效应限大平行平板是可行的，但对于有限宽度a的平行板，电荷在板厚的边缘也有分布，因此当厚度较大时，也需要考虑板厚对电容的影响。得准确的微机械加工电容值只能通过泊松方程。a，极板间距d，长度为b，上极板厚度为h

CC0是一个修正常数，1 d

ln2a d

2h2 dhdhb2d2 d C0

abdC是不考虑边缘效应时的电容。此时横向驱动力为0 x1b b x

F2d2aU22h h

hh

2h21c

ab b

b

d

d2

d3F U2 U2 U212d2hahh12d2hahh2d2上式，经简化整理可得F

d d hahUd hahy 2d2

括号中第三项在h0是有微小值，当h0 时，第三项随着h 的增大而单调递d增当h时第三项h 即其次项与第三项相等明显只有当d 2a2a时，边缘电容的影响才可以无视不计。七、毛细力能够产生明显毛细现象的管叫做毛细管。降的现象。7.1毛细力在平行板间的作用成单位外表所需的功。7.1单位面积的拉普拉斯压力，大小为1 1PP 1 r r1 2 r r

7.1接触角。

12为表示液体外表的两个曲率半径，为r1时假设设两板间距离为l，则上式的表达式可以简化为

r2，同PP 1 r1

2cosll

l2r

cos式中，为液体在固体外表上的接触角；是两平行板的距离， 1 。的拉普拉斯方程可写为PP

cos

cos2 1 l该式的液桥拉普拉斯压力说明，在气压界面