《微装配与MEMS仿真导论》课件第2章

第二章MEMS工艺及器件特性21MEMS材料工艺特性

22MEMS器件结构功能

23MEMS系统产品简介

MEMS的系统划分自上而下分为工艺级、物理级、器件级和系统级四个层级，对应于各层级分别表现出MEMS的材料特性、结构特性和功能特性，其对应关系如图2.1所示。现就各层级特点将MEMS特性分别进行描述。

图2.1MEMS系统层级与其表征特性对应关系

在对系统进行制造前理论分析，尤其是对尺度效应等具体问题分析时，往往会涉及到MEMS材料特性，其特性在很大程度上也与MEMS加工工艺有关。

所谓加工，是运用各种工具将原材料改造成为具有某种用途的形状。提及加工，自然会联想到机械加工。机械加工是将某种原材料经过切削或模压形成最基本的部件，然后将多个基本部件装配成一个复杂的系统。2.1MEMS材料工艺特性某些机械加工也可以称为微纳米加工，因为就其加工精度而言，某些现代磨削加工或抛光加工的精度可以达到微米或纳米量级。但这里的微米或纳米是指工件形状的精度。微纳米加工不同于传统加工，其最本质的区别是加工形成的部件或结构本身的尺寸在微米或纳米量级。形成微纳米结构的工艺技术可大体分为三种类型：平面工艺、探针工艺和模型工艺。以平面工艺为基础的微纳米加工是与传统机械加工概念完全不同的加工技术。平面工艺依赖于光刻(Lithography)技术。首先将一层光敏物质感光，通过显影使其感光层受到辐射部分留在基底材料表面；通过多层曝光、腐蚀或沉积，复杂的微纳米结构可以从基底材料上构筑起来。这里的光刻是广义的，实现感光层图案不仅可以通过光学的曝光，还可以是电子束曝光、离子束曝光和X射线曝光。这些图案可以通过掩膜投影实现，也可以通过直接扫描激光束、电子束或离子束实现。腐蚀技术包括化学液体湿法腐蚀和各种等离子体干法刻蚀。材料沉积技术包括热蒸发沉积和电铸沉积。探针工艺可以说是传统机械加工的延伸，是用各种微纳米尺寸的探针取代了传统的机械切削工具。这里的探针不仅包括诸如扫描隧道显微探针、原子力显微探针等物理形式的探针，还包括聚焦离子束、激光束、原子束和火花放电微探针等非固态形式的探针。原子力探针可以直接操纵原子的排列，可以直接在基底材料表面形成纳米量级的氧化层结构。这些固体微探针也可以通过“点墨法”将分子液体传递到固体表面，形成纳米量级的单分子层点阵或图形。非固态微探针，如聚焦离子束，可以通过聚焦得到小于10nm的束直径，由聚焦离子束溅射刻蚀或化学气体辅助沉积可以直接在各种材料表面形成微纳米结构。聚焦激光束已经广泛应用于传统加工工艺，作为切割或焊接工具。高度聚焦的激光束也可以直接剥蚀形成微纳米结构，例如近年来飞速发展的飞秒激光加工技术。

探针工艺与平面工艺的最大区别是，探针工艺只能以顺序方式加工微纳米结构，而平面工艺是以平行方式加工的。因此平面工艺是一种适合于大量生产的工艺。但探针工艺是直接加工材料，而不是像平面工艺那样通过曝光光刻胶间接加工的。模型工艺则是利用微纳米尺寸的模具复制出相应的微纳米结构。模型工艺包括纳米压印技术、塑料模压技术和模铸技术。纳米压印技术是利用含有纳米图形的图章压印到软化的有机聚合物层上。纳米图章可以用其他微纳米加工技术制作。虽然平面工艺中的曝光技术也可以制作此类纳米图形，但纳米压印技术可以低成本大量复制纳米图形。纳米压印还有多种派生技术，包括以曝光辅助压印形成纳米图形。模压的结构尺寸在微米以上，多用于微流体与生物芯片的制作。模压技术也是一种低成本微细加工技术。模铸技术包括塑料模铸和金属模铸。无论模压还是模铸都是传统加工技术向微纳米领域的延伸。模压与模铸的成型速度快，因此也是适用于大量生产的工艺。2.1.1硅微加工技术

硅基MEMS技术是微结构制作中一种常用的技术，它来源于IC加工技术，将传统的IC加工技术由二维的平面加工技术发展为三维的立体加工技术，主要包括体硅微加工技术、表面硅微加工技术和键合技术。体硅微加工技术通常利用硅腐蚀的各向异性来制造各种几何结构，再通过键合技术将两部分硅的微结构结合在一起形成机电装置；表面硅微加工技术则是在硅基片表面加工出可动微机电结构。体硅微加工可以制作较大深宽比的三维微结构，但不能直接制作可活动构件，需要通过静电键合或热键合工艺来获得含活动件的微结构。体硅微加工技术和表面硅微加工技术均是由微电子加工技术发展起来的，其工艺已相当成熟，与微电子工艺的兼容性较好，适合于批量制作含有集成电路的微结构。2.1.2LIGA工艺

LIGA是德文Lithographie、Galanoformung和Abformung三个词，即光刻、电铸和注塑的缩写。LIGA工艺是一种X射线光刻的MEMS加工技术，主要包括X光深度同步辐射光刻、电铸制模和注模复制三个工艺步骤。由于X射线有非常高的平行度、极强的辐射强度、连续的光谱，因此LIGA技术能够制造出深宽比达到500、厚度大于1500μm、结构侧壁光滑且平行度偏差在亚微米范围内的三维立体结构。这是其他微制造技术所无法实现的。

LIGA工艺可用材料的种类较多，如金属、塑料、陶瓷等；缺点是因为使用昂贵的同步X射线和X射线掩膜，所以成本很高，得到的微结构是直柱状的，难于加工含有曲面、斜面和高密度微尖阵列的微器件等。

LIGA技术被视为微纳米制造中最有生命力、最有前途的加工技术。利用LIGA技术，不仅可制造微纳米级尺度结构，而且还能加工尺度为毫米级的Meso结构。2.1.33IH工艺

3IH体光刻工艺是从宏观的立体光刻技术发展而来的，光刻的对象是液态紫外抗蚀剂。该抗蚀剂能够在紫外光的照射下产生固化现象。为了得到紫外光聚合物的三维结构，首先需要加工出二维片状结构，称之为片状单元，这些片状单元可以很容易地通过CAD系统得到。在上述的加工工艺中，体硅微加工技术难于加工高深宽比的微结构。LIGA技术虽然能够制作高精度、高深宽比、侧面陡直的微细结构，却难于加工含有各种微曲面、斜面和高密度微尖阵列的微器件。另外，LIGA技术在加工过程中都需要掩膜，因而其精确度和灵活性受到了限制。它们不能够根据图形的变化随时进行相应变动，而必须更换不同的掩膜板，加工工艺不够灵活，而且所用的掩膜板主要是由电子束光刻生成的掩膜板或由此转换而成的掩膜板。由于转换过程中存在误差不能很好地反映电子束掩模板的精度，因而其光刻精度低于电子束光刻技术。

3IH工艺可以加工出硅加工工艺和LIGA技术难于加工的具有任意曲面、斜面等结构的微立体构件，实现了真正意义下的微结构三维加工。但是，由于该工艺中使用的光源为紫外光源，光斑尺寸和光刻分辨率受到光学性质的限制，再加上X、Y向的扫描是靠机械移动来完成的，其加工精度受到限制，分辨率目前仅为亚微米级。因此这些微三维加工技术不能很好地适应将来的高速发展，需要寻求更好的加工工艺，以便生产出精度更高、更复杂的三维微结构。

MEMS器件具有结构和功能的多样性，总体可分为微传感器和微执行器两个大类，现逐一进行介绍。2.2MEMS器件结构功能2.2.1微传感器

传统的传感器件因其制作工艺与半导体IC工艺不兼容，所以无论在性能、尺寸和成本上都不能与通过IC技术制作的高速度、高密度、小体积和低成本的信号处理器件相适应，于是制约了整个系统的集成化、批量化和性能的充分发挥。微型传感器不是传统传感器简单的物理缩小的速率产物，而是以新的工作机制和物化效应，使用标准半导体工艺兼容的材料，通过MEMS加工技术制备的新一代传感器件，具有小型化、集成化的特点。其特点具体包括：

(1)可以极大地提高传感器性能。在信号传输前就可放大信号，从而减少干扰和传输噪音，提高信噪比；在芯片上集成反馈线路和补偿线路，可改善输出的线性度和频响特性，降低误差，提高灵敏度。

(2)具有阵列性。可以在一块芯片上集成敏感元件、放大电路和补偿线路，还可以把多个相同的敏感元件集成在同一芯片上。

(3)具有良好的兼容性，便于与微电子器件集成与封装。

(4)利用成熟的硅微半导体工艺加工制造，可以批量生产，成本非常低廉。

1.微机械加速度传感器

微机械加速度传感器是最早利用MEMS技术开发成功，并取得广泛应用的微型传感器之一。微加速度传感器的主要工作方式有压阻式、电容式、力平衡式和谐振式，现在又出现了微机械热对流式加速度传感器。新型加速度传感器作用原理和结构示意图分别如图2.2和图2.3所示。在悬臂梁的端部有一扩散加热电阻，加热电阻通电后所产生的热量便沿梁和上下两个散热板传递。向上下两个散热板传导热量的多少取决于加热电阻与散热板间的距离，沿悬臂梁的温度分布曲线由悬臂梁与散热板间的相对位置来确定。可以通过分布在悬臂梁上的P型硅/铝热电偶对悬臂梁温度的测量来测定悬臂梁与两个散热板的相对位置，从而实现对加速度的测量。这种传感器的热电偶具有很高的灵敏度，能够直接输出电压信号，可以省去复杂的信号处理电路，并且对电磁干扰不敏感。

图2.2微机械热加速度传感器作用原理

图2.3微机械热加速度传感器结构在悬臂梁与上、下散热板的间距为140μm和200μm，梁长为100μm，梁宽为4μm，梁厚为10μm时，传感器的灵敏度为1mV/g，测量范围为25g，分辨率为0.0003g。由于结构中没有大的质量块，微机械热对流式加速度传感器具有很强的抗冲击能力，但其频率响应范围很窄。对加速度计的研究主要有：

(1)研究基于压阻原理的压阻式加速度计及制造技术，开展相应的集成化技术研究；

(2)单轴与多轴电容式设计及制造技术研究，并研究高精度电容式加速度计处理电路；

(3)隧道式加速度计研究，研究高精度微型加速度计可用于地震监测等弱振动检测。

2.微机械角速度传感器

对于旋转角速度和旋转角度的检测，需要采用陀螺仪。基于MEMS技术的微机械陀螺因其成本低，能批量生产，可广泛应用于汽车牵引控制系统、医用设备、军事设备等方面。微机械陀螺有双平衡环结构、悬臂梁结构、音叉结构等，其工作原理基于哥氏效应。

谐振式微机械陀螺的结构如图2.4所示。它由固定在基底上的静止驱动器、质量块(包括内部动齿框架及外框架)和两个双端音叉谐振器(DETF)组成。

图2.4谐振式微机械陀螺结构图质量块通过4个支撑梁固定在基底上。当在静止驱动器上加上驱动电压(角频率为ωp)时，质量块的内部动齿框架作沿着Y轴方向的振荡运动。如果一个外部的绕Z轴的转动(输入信号Ω)作用到芯片上，质量块产生沿X轴方向的哥氏力，且通过内支撑梁转移到外框架上，外框架由两对支撑梁固定并可沿X轴方向运动，通过两对杠杆这个力被放大并传递到外框架两边的两个双端音叉谐振器(DETF)上。DETF上输出信号频率的变化就反映了输入角速率的变化。微机械陀螺的平面外轮廓的结构参数为1mm2，厚度仅为2μm。力平衡扭摆式硅MEMS角加速度传感器由敏感元件、电容式变换器、反馈静电力矩器、信号处理电路以及壳体组成，其结构如图2.5所示。壳体包括真空封装和基座，敏感元件包括2个固连在基座上的锚点、1个长方形活动极板、2个两端分别固连在锚点和活动极板上的挠性支撑梁和2个对称分布在活动极板上表面的质量块，挠性支撑梁位于活动极板的中心线上。在活动极板下面的基座上，埋置两对对称分布的电极板，一对为电容式变换器的敏感电极，一对为反馈静电力矩器的施力电极。

图2.5力平衡扭摆式硅MEMS角加速度传感器示意图微机械陀螺研究主要包括利用实验室现有的硅/玻璃键合和深刻蚀释放工艺进行高性能电容式体硅微机械陀螺的结构设计和优化，并在此基础上，开发新的体硅陀螺加工工艺，开展硅帽结构在陀螺圆片级封装工艺中的应用研究。角加速度传感器的控制系统如图2.6所示。当壳体有角加速度Ωy输入时，敏感元件产生惯性扭转力矩MI，从而引起活动极板绕敏感轴向产生角位移Δθ，电容式变换器通过电容检测方式将Δθ转换为与Ω成正比的电信号。该电信号经过处理电路的交流放大、解调、滤波等处理后输出电压Uout，反馈静电力矩器检测Uout，产生一个和MI相反的静电力矩Me，使Δθ回复到零位状态，实现系统闭环回路。通过检测Uout

可以计算壳体角加速度。

图2.6角加速度传感器控制系统框图

3.力和压力微传感器

三维力微传感器的设计和研制在近些年成为研究热点。比较常见的是采用铝材料设计基体，将金属应变片贴在需要检测力的位置，根据基体结构的不同可以反馈1～6维的力和力矩信息。这种结构的优点是刚度大，能够承受很强的负载；缺点是由于金属应变片的反馈信号量小，需要设计增益很高的检测电路并且需要高品质的电源和运算放大器，提高了成本，并且高增益的检测电路经常发生严重的电位漂移，从而降低了检测精度。随着MEMS工艺的进步，研究人员可以在硅梁上加工出用于力检测的惠斯通电桥，这种制作方式的力传递效果相对于贴应变片的方式有很大的进步。并且由于半导体的应变系数是金属的50～60倍，因此发生相同的变形量时，硅传感器能产生更大的信号输出，从而降低对检测电路的要求。

压阻式MEMS压力传感器工作原理：压阻式压力传感器的性能与结构和制造工艺有着密切的关系，而传感器基本结构的确定应同时考虑性能和工艺可行性这两个因素。图2.7是该传感器结构示意图。其中，1表示压阻薄层条敏感元件，它的电阻率随应力的变化而变化；2表示向上的压力；3表示向下的压力；4表示衬底硅元件。

图2.7压阻式MEMS压力传感器结构示意图压阻效应就是对于金属或半导体材料，若沿它的某一晶面加以压力或拉力，其晶格内部将产生畸变，这一畸变将导致晶体内部能级构造的变化，进一步导致载流子相对能量的改变，从而引起晶体固有电阻率变化的物理现象。

4.微型气敏传感器

微型气敏传感器可分为硅基气敏传感器和硅微气敏传感器。前者以硅为衬底，敏感层为非硅材料，是当前微型气敏传感器的主流。

气敏传感器的敏感性能与工作温度有很大关系，要求传感器系统本身具备加热元件和温度探测元件。而基于MEMS技术的微型气体传感器具有高度集成化的特点，易于将气敏元件和温度探测元件集成为一体，保证了气敏传感器的性能。图2.8是一种体积仅为1cm3的二氧化碳气体传感器结构示意图。该气体传感器的工作机理是基于非散射的红外双光束、双波长的测量原理。它的结构包括一个常规的小型红外光源、一个气室和一个红外探测单元。红外探测单元由两个单晶硅微型热辐射仪、一个宽带滤波器和一个微型可变红外滤光片构成，参考信号源可以补偿由于光源污染产生的测量信号衰减带来的影响。在二氧化碳体积分数2000×10－6

的样气中，该传感器具有20×10－6

的分辨力(1σ)，时间常数为3s。

图2.8二氧化碳气体传感器结构图

5.微型光传感器

图2.9是一种集成微型位移光传感器的示意图。该传感器基底面积为750μm×800μm，单片集成激光二极管(LD)、聚酰亚胺光波导和分离式光电二极管(PD)。

图2.9微型位移光传感器该传感器将来自LD的光束照射到测量目标上，用分离式光电二极管探测其反射光斑。若物体移位，则光电二极管上的光斑会随之移动。用双分离式PD的工作功率求出位移量，从而可以高精度测量被测目标的位移。该传感器的测量范围为712μm，分辨率为4nm(光功率为0.15mW)和117nm(光功率为1mW)。

6.微型电场传感器

电场传感器的工作原理是基于导体在电场中产生感应电荷的原理。图2.10提供了一种基于MEMS技术设计的微型电场传感器的结构图。

微型电场传感器由振动和感应两大部分组成。振动部分的核心是振动膜，由氮化硅(Si3N4)薄膜制备，可以在图2.10所示的垂直方向上振动。感应电极、屏蔽电极和激振电极对由分别生长在振动膜和感应部分上的金属电极构成。屏蔽电极接地，其上有孔形阵列。

图2.10微型电场传感器结构图传感器工作时，激振电极对连接交流电压源，通过两个电极间的库仑力作用引起振动膜垂直振动。调节交流电压频率，从而使振动膜在谐振点附近达到预定的振幅。此时感应电极接受经过屏蔽电极周期性屏蔽的电场，产生感应电流，经前置放大后接外部检测电路。微型电场传感器弥补了一般电场传感器体积大、能耗高的缺点，可以应用于各种环境下静电场及低频电场的测量，有着广阔的应用前景。2.2.2微执行器

近年来，集成电路技术和微机械加工技术发展迅速，并越来越多地被应用于微执行器，如：微马达、微齿轮、微泵、微阀门、微开关、微喷射器、微扬声器、微谐振器等。基于MEMS技术的应变电容传感器具有灵敏度高、温度影响小、抗干扰的特点。在信号测试方面，微执行器由于采用电容测量，具有效率高、精度高、不发热、响应速度快、能量损失小等特点，最主要的是微电容器件技术完全与硅材料、集成电路处理技术相一致，便于集成化、一体微机械加工，便于实现系统集成，其中电容器件所具有的优点得到了广泛应用。由于微小尺寸效应，使得宏观世界的许多知识与法则不再适用，这又引起了设计思想和加工工艺的创新，并引出了许多值得深入研究的新课题，诸如：

(1)摩擦和磨损。许多执行器中都存在着运动部件，必然要产生相对摩擦和磨损，而许多传统的减少摩擦的有效方法(如安装滚珠轴承、加润滑油等)又往往不适于微机械。深入研究结果表明：当执行器中运动部件的几何尺寸小到纳米数量级时，原有宏观摩擦中的一些基本规律将不再适用，于是出现了微观摩擦学。

(2)加工制造工艺。微制造技术是制造尺寸为亚毫米到纳米数量级的微器件的重要加工方法，因此也是研究开发微执行器的工艺技术。例如在直径仅为1mm的电磁型微马达中的定子绕组就无法采用传统绕制工艺，而只能借助于微细加工工艺来完成。

(3)多学科交叉。微执行器的发展历史很短，至今仅数十年时间，但开发和研究所涉及的面很广，是多学科前沿的综合交叉。1.微驱动器

微驱动器(微马达)一般是指尺寸微小、定位精度较高、消耗能量较低的驱动器。1988年，以一个仅有头发丝直径大小的微马达的出现为标志，微电子机械系统取得了更广泛的研究与发展。各国科学家相继研发出了具有多种驱动力输出形式和用于各种微机械系统的微驱动器。其中，压电微马达由于采用高能量密度的压电陶瓷，同时又具有外形尺寸的减少不影响驱动器效率的特点，而在微驱动器领域占据着相当重要的地位。微马达具有微型化、多样化和集成化的特点。一个小的操纵手可以更准确、更轻柔地抓住并移动小目标。在扫描定位系统中，小的机器有更短的响应时间，更细致的定位。微型机器可自由地在很细的管道中移动，如在人的静脉中。微型机器也可用来连接和焊接更加细微的电子元器件。在微观世界中，要使机器协同工作变得非常困难，只有当它们共同作用，才可能实现最终的目标。由于微马达的多样化，因此需要微集成电路将这些单个的微马达组合在一起，并提供信号，使它们成为一个完整、独立、协同的系统。

图2.11微驱动器的应用压电微马达的结构和机理比一般的压电马达更为精妙。按照压电微马达激励部分的材料，可以将压电微马达分为薄膜微马达和陶瓷微马达；按照驱动机理，可分为行波压电微马达、驻波压电微马达和蠕虫压电微马达。

下面主要对压电薄膜微马达分三类逐一介绍，与之并列的压电陶瓷微马达将在第三章中具体阐述。

1)行波压电薄膜微马达

意大利的RiccardoCarotenuto等人于1997年研发出一种行波压电薄膜微马达。该马达的压电膜表面产生行波，经过面上金属杆的放大作用，通过磁性转子磁力产生的摩擦力驱动上端转子旋转。转子谐振频率8.15kHz，马达转速3500r/min，转矩118×10－5

N·m，压电薄膜直径32mm，厚度0.12mm。该马达可用于读卡器、扫描仪、打印机。定子由一个圆形压电薄膜和固定在其中心上面的柱状钢轴组成，轴的上端面光滑，通过下面的硅树脂弹性作用约束。转子是永磁铁柱体，通过磁力压在定子上端面，由于磁场的对称作用，在操作时转子保持在定子上端中心。圆盘由32mm×0.11mm的镍合金盘和24mm×0.11mm表面金属化的压电薄膜(PZT-5盘)粘接而成，如图2.12所示。

图2.12微马达结构盘面电极分为四个区。压电薄膜盘在电压信号驱使下，趋向于径向振动。当对角的两个部分在有180°相位差的正弦信号驱动下时，径向振动方向相反，同时由于金属盘的约束，变成弯曲振动(见图2.13)。如果给四个部分合适的驱动信号，便在表面形成行波，带动定子的钢轴圆摆。通过定子、转子之间的摩擦，驱动转子旋转。

图2.13微马达的驱动机理示意图

2)驻波压电薄膜微马达

瑞士的P.Muralt等人于1999年研发出一种驻波压电薄膜微马达。该马达利用鳞片结构，将薄膜的表面振动转化为马达的旋转运动，使用溅射和溶胶-凝胶法在硅定子膜表面沉积PZT膜，膜厚为15～100μm。马达的直径315mm，谐振频率20kHz，转速5r/min，转矩1μN·m，工作电压1～4V。该类微马达由于其超薄、高转矩、低能耗的优点，在手表制造业中具有应用潜力。该马达“弹性鳞片”结构如图2.14所示。当薄膜向弹性鳞片移动时，鳞片压缩弯曲。转子旋转以释放压力，当薄膜背向鳞片移动时，摩擦力减小，鳞片跟随转子向前移动。钢轴由中心轮固定，顶端与齿轮相连。

图2.14微马达及“弹性鳞片”结构

3)静电薄膜超声微马达

法国的J.S.Danel、PhRobert等人于1997年设计了一种新型硅膜尺寸为119mm×300μm，10V电压下谐振频率为150kHz的静电薄膜超声微马达。转子放在上面，靠摩擦力推动转子旋转。该马达有不同于普通压电马达的特点，即不需制作高质量的压电薄膜，可广泛地选取转子材料，并具有与超声马达类似的大力矩、低转速的优点。静电薄膜超声微马达结构如图2.15所示。

图2.15静电薄膜超声微马达结构电极通过静电力在薄膜表面产生行波。由于波的运动，薄膜表面产生椭圆运动。在转子对膜的压力下，由于摩擦力的作用，膜推动转子实现旋转运动。

2.微谐振器

1)单层结构

荷兰Twente大学Lammeriank等人于1990年设计出具有单层结构的微悬臂梁和微桥谐振器。

单层结构微悬臂梁谐振器如图2.16所示。

图2.16单层结构微悬臂梁谐振器为在单面抛光的掺磷N型硅片上蒸发0.3μm厚的铝膜，利用射频溅射工艺溅射50nm厚的Ni-Fe合金，然后光刻，形成铝引线和合金电阻。

器件背面的腐蚀采用KOH溶液(浓度33%，温度70℃)和等离子体刻蚀两步法工艺完成。这种器件的厚度远大于谐振时器件的热穿透深度。如果给硅微谐振器的激励电阻提供一个交变电压，则在厚度方向形成周期性变化的温度场。这个周期性变化的温度场将在谐振器内部形成周期性交变的热弯矩，在周期性交变的热致机械弯矩的作用下，硅微谐振器发生振动。当热激励频率与微谐振器的固有频率相等时，微谐振器发生振动。

2)双层结构

微桥谐振器中激励电阻位于悬臂梁端部或桥与方膜谐振器的中心，压敏电桥靠近梁的根部或方膜四个直边的中点。激励电阻和压敏电桥通过在N型(100)晶面硅中扩硼形成，采用湿法刻蚀和干法刻蚀相结合的两步法进行背面刻蚀。

采用KOH溶液(浓度33%，温度80℃)对硅片进行预腐蚀，达到预腐蚀深度后，采用磁增强反应离子刻蚀机对硅片背面进行腐蚀。所制作的谐振器件的厚度远小于谐振时器件的热穿透深度，可以认为其在厚度方向的温度是相同的，但是在梁的长度方向是不同的。

3)三层结构

图2.17所示为瑞士联邦技术研究所设计的与双极和CMOS工艺兼容的方膜谐振器。其中方膜谐振器由8μm厚的N型单晶硅(外延层)、二氧化硅和氮化硅薄膜层组成，注入的P型硅电阻用于电热激励和压阻检测，器件背面的微机械腐蚀采用自停止电化学腐蚀，腐蚀液为KOH溶液。腐蚀在P型掺杂的衬底和N型外延层之间的PN结停止。

图2.17与双极和CMOS工艺兼容的方膜谐振器

3.微泵

机械式微泵的驱动方式很多，其中包括压电微泵、静电微泵、电磁微泵、热气动微泵、形状记忆合金微泵及双金属微泵等。非机械式微泵是目前的一个研究热点，它利用热、化学、声、磁或电动力来实现对液体的驱动，包括电渗流体驱动微泵、电液致动微泵、磁流体动力泵、重力驱动微泵及表面张力微泵等。同其他驱动方式的微泵相比，压电微泵具有结构简单、体积小、质量轻、耗能低、无噪声及无电磁干扰等优点，且可通过施加不同电压或频率来控制输出流量，因此，压电微泵具有广阔的应用前景，已有许多国家的研究人员在进行压电微泵的研制和开发。压电微泵的结构与工作原理如图2.18所示。向压电双晶片施加方波信号时，压电双晶片在电场的作用下发生周期性弯曲变形，进而驱动PDMS泵膜改变腔体的容积。当压电双晶片带动泵膜向上移动时，泵腔体积增大，腔内流体的压强减小，使入口阀打开，同时出口阀关闭，流体在压差的作用下流入泵腔；相反，当压电双晶片带动泵膜向下移动时，泵腔内压强增大，使入口阀关闭，同时出口阀打开，流体在压差的作用下从出口流出，由此实现流体介质的单向驱动。

图2.18压电微泵的结构图2.18中所示的两个被动阀片单元是通过双面湿法腐蚀工艺制成的。泵腔单元的制作如下：首先在硅片正面旋涂一层厚约100μm的PDMS泵膜并烘干；然后从背面利用湿法腐蚀技术将硅片减薄至约200μm；最后利用腐蚀技术将硅片刻穿，形成直径约6mm的圆孔作为泵腔。

微流体控制系统因其尺寸小、功耗低、控制精度高、响应速度快等特点而受到人们的青睐，已成为MEMS研究领域中的一个重要分支。微泵是构成微流体系统的重要部件。由于微泵能精确控制流量，它在微量化学分析与检测、微量流体配给、打印机喷墨阵列、集成电子元件的冷却、燃料微量注射等领域有着广阔的应用前景。

4.微阀门

微阀门也是微流体系统中的关键部件之一，主要用来切断或接通管路中的流体，具有结构简单、制造方便、性能可靠等优点。微阀门的特性关系着其在各领域中的具体应用。微阀门常见的分类方法如下：

(1)根据是否由外来能量驱动，微机械式阀门可分为被动阀门(又称无源阀门)和主动式阀门(又称有源阀门)两类。虽然这不是唯一的分类方法，但是在学习和研究微阀门的结构特点时，采用这种分类方法比较有利。

(2)根据它们通常是处于开通状态还是关闭状态，可分为常开阀门和常闭阀门。

(3)根据它们是适用于气体还是液体，可分为气体阀门和液体阀门。

(4)根据它们的工作方式，可分为比例式阀门和数字式阀门等等。

图2.19中所示的出/入口微阀门均由两层单晶硅微结构芯片叠合而成。以入口阀门为例，上面一层是悬臂梁阀片结构，下面一层是环形阀座结构。上层芯片上的倒金字塔形腐蚀坑与下层芯片上阀座的中央通孔分别构成微阀门的两个端口。阀座的设计减小了阀片与阀座的接触面积，使阀片易于开启。

图2.19集成铝硅双金属驱动微型泵系统结构截面图当阀座一侧的压力较低时，微阀门处于截止状态，流体不能通过；当阀座一侧的压力较高时，微阀门处于导通状态，流体在压力作用下由阀座一侧端口流向阀片一侧端口。

由于单晶硅的材料力学性能好，抗疲劳性能优良，因此微阀门选用(100)晶面的双面抛光单晶硅片，采用体硅微机械加工技术制作，只需要两步光刻和氢氧化钾(KOH)各向异性腐蚀即可，其横向尺寸小，单向性能好，实现工艺很简单。2.2.3新型MEMS器件

1.RFMEMS器件

MEMS技术与射频技术的结合产生了RFMEMS这一新概念。可以认为，RFMEMS是指在射频系统中用MEMS技术实现的，用于低频、中频、普通无线电波直到微波、毫米波频段信号的产生与处理的元器件或电路。其目前的研究对象包括可调电容、机电式谐振器/滤波器、开关/继电器、移相器等，已制作出采用表面工艺的梳齿式谐振器，基于硅/金/介质复合膜的电容式开关和可变电容等样品。研究结果表明，这些元器件往往表现出比传统元件更优越的内在射频性能，而且有