MEMS技术及其应用ppt课件.ppt

1、MEMS技术及其应用,1,主要内容,MEMS技术简介 MEMS技术应用 微机械制造技术 MEMS器件,2,MEMS简介,3,What is MEMS Technology?,MEMS (microelectromechanical systems) are devices that involve integrated micro-devices or systems, usually comprised of electrical and mechanical components, produced using microelectronics-compatible batch-proce

2、ssing techniques. These systems merge computation with sensing and actuation to perceive the physical world at a miniaturized level.,4,早在二十世纪六十年代，在硅集成电路制造技术发明不久，研究人员就想利用这些制造技术和利用硅很好的机械特性，制造微型机械部件，如微传感器、微执行器等。如果把微电子器件同微机械部件做在同一块硅片上，就是微机电系统MEMS: Microelectromechanical System。,由于MEMS是微电子同微机械的结合，如果把微电子电

3、路比作人的大脑，微机械比作人的五官（传感器）和手脚（执行器），两者的紧密结合，就是一个功能齐全而强大的微系统。,MEMS定义,5,MEMS,微电子学,6,从广义上讲，MEMS是指集微型传感器、微型执行器以及信号处理和控制电路，甚至接口电路、通信和电源于一体的微型机电系统。 图是一典型的MEMS示意图。由传感器、信息处理单元。执行器和通讯/接口单元等组成。其输入是物理信号，通过传感器转换为电信号，经过信号处理（模拟的和/或数字的）后，由执行器与外界作用。每一个微系统可以采用数字或模拟信号（电、光、磁等物理量）与其它微系统进行通信,7,8,1959年就有科学家提出微型机械的设想，但直到1962年才

4、出现属于微机械范畴的产品硅微型压力传感器。其后尺寸为50500微米的齿轮、齿轮泵、气动蜗轮及联接件等微型机构相继问世。而1987年由华裔留美学生冯龙生等人研制出转子直径为60微米和100微米的硅微型静电电机，显示出利用硅微加工工艺制作微小可动结构并与集成电路兼容制造微小系统的潜力，在国际上引起轰动，科幻小说中描述把自己变成小昆虫钻到别人的居室或心脏中去的场景将要成为现实展现在人们面前。同时，也标志着微电子机械系统(MEMS)的诞生。,微电子机械系统是以微电子、微机械及材料科学为基础，研究、设计和制造具有特定功能的微型装置（包括微结构器件、微传感器、微执行器和微系统等方面）的一门科学。,9,世界

5、上第一个微静电马达,10,各国对MEMS的研究,MEMS自20世纪80年代中期发展至今一直受到世界各个国家的广泛重视，许多有影响的大专院校和研究机构纷纷投巨资建立实验室，投入到MEMS的研究开发中。,在美国政府巨额经费的资助下，包括麻省理工大学、加州大学伯克利分校、斯坦福大学、IBM、AT外壳采用不能被消化液腐蚀的医用高分子材料，对人体无毒、无刺激性 ,能够安全排出体外。 扩展视野:全小肠段真彩色图像清晰微观，突破了小肠检查的盲区，大大提高了消化道疾病诊断检出率。 方便自如:患者无须麻醉、无须住院，行动自由，不耽误正常的工作和生活。,31,这个一次性胰岛素注射泵融合了Debiotech的胰岛素

6、输注系统技术和ST的微射流MEMS芯片的量产能力。纳米泵的尺寸只有现有胰岛素泵的四分之一. 微射流技术还能更好地控制胰岛素液的注射量，更精确地模仿胰岛自然分泌胰岛素的过程，同时还能检测泵可能发生的故障，更好地保护患者的安全。 成本非常低廉。 胰岛素注射泵疗法或者连续皮下注射胰岛素（CSII）可以替代一天必须输注几次的单次胰岛素注射法，这种疗法越来越被人们看好。按照CSII治疗方法，糖尿病患者连接一个可编程的注射泵，注射泵与一个贮液器相连，胰岛素就从这个贮液器输注到人体皮下组织内，在一天的输液过程中，可根据病人的情况设定液量。,微射流MEMS技术应用于糖尿病治疗.,32,通信方面的应用,随着世界

7、通信业务量的飞速增长，光传送网技术已成为国际上的研究热点。据估计，以光电子信息技术为主导的信息产业产值将在2010年达五万亿美元，成为二十一世纪最大的产业。,研究热点 随着世界通信业务量的飞速增长，光传送网技术已成为国际上的研究热点。（全光通信网、WDM全光网、光传送网是同一事物的不同名称，最近ITU的建议是光传送网optical transport network）。 趋势 九十年代初，在一些发达国家中，人们预计原有的铜电缆会从1995年起逐渐被FTTH（光纤到户）代替。1998年这种趋势已被证实。但是，步子已经放慢，特别是光纤到户。光传送网的推广，光纤到户能否实现，取决于网络的价格，只有价

8、格到了可接受的地步，才能真正进入家庭，光传送网中低价位光学元器件是降低光传送网成本的关键,33,原因 传统的光纤网络中存在大量的光/电、电/光转换节点和数字交叉互联电分插复用器，,1)既限制了网络的交换速度， 2)又对不同形式的光信号是不透明的。 3)光功能器件和波导或光纤的连接需要亚微米的定位精度，精密定位是复杂的调整操作，所以提高了光功能器件的成本，限制了光传送网的发展。 4 )且光/电、电/光器件的微型化也是很难解决的问题。因此，光通信器件的价格和微型化已成为光传送网发展的瓶颈。 目前，微光机电系统技术是解决这一瓶颈问题的有效途径。,34,微光学平台,是微光机电系统技术应用的一个典型例子

9、，它主要用于光学测量和实验。传统的光学系统平台体积大，系统中的元件是先分开制造然后组装而成，装配量很大，成本很高。而微光学平台，体积小，系统中的元件可集成加工在单一芯片上，对准精度高，可成批生产，成本低。这些优点使微光学平台相对于传统的光学系统有很大的优势。所以，该方面的研究是微光机电系统研究的最基本的一部分。研究包括微衍射透镜（Fresnel, 多阶二元微透镜）、微折射透镜、光束分离器、光栅等。,35,飞秒自相关仪,36,在光学信息存储系统中，光盘读取头影响存储密度和读取速度，决定整个系统性能的好坏。采用微机械制造的光盘读取头，可大大降低光学读取头是价格和中连、重量，定位速度和读取速度也显著

10、提高。图为读取原理示意图,光数据存储,37,数字微镜装置可被用来作投影显示器（DMD）。图示为美国TI公司研制的DMD，它通过可以旋转10的扭转镜来完成投影显示的。微镜通过支撑柱和扭转梁悬于基片上，每个微镜下都有驱动电极，在下电极与微镜间加一定的电压，静电力使微镜倾斜输入光被反射至镜头、投影到屏幕上。未加电压的微镜处的光线反射至镜头外。这样，微镜使每点产生明暗，投影出图象。,其他应用,投影显示器,38,39,仿学中的应用（仿生纤毛）,地下水流微传感器,40,Field of Research,理论基础：在当前MEMS所能达到的尺度下，宏观世界基本的物理规律仍然起作用，但由于尺寸缩小带来的影响（

11、Scaling Effects），许多物理现象与宏观世界有很大区别，因此许多原来的理论基础都会发生变化，如力的尺寸效应、微结构的表面效应、微观摩擦机理等，因此有必要对微动力学、微流体力学、微热力学、微摩擦学、微光学和微结构学进行深入的研究。 技术基础：设计、工艺加工(高深宽比多层微结构)、微装配工艺、微系统的测量等。 应用研究：如何应用这些MEMS系统也是一门非常重要的学问。人们不仅要开发各种制造MEMS的技术，更重要的是如何将MEMS器件用于实际系统，并从中受益。,41,MEMS器件根据其特性分成微传感器、微执行器、微结构器件、微机械光学器件等。,微传感器,机械类,化学类,磁学类,生物类,力

12、学,力矩,位置,速度,加速度,流量,角速度(陀螺),气体成分,湿度,PH值,离子浓度,42,微执行器,马达,齿轮,扬声器,开关,微结构器件,薄膜,探针,弹簧,微梁,微腔,沟道,微轴,锥体,微光学器件,微镜阵列,微光扫描器,微斩光器,光编码器,微光阀,微干涉仪,微光开关,微透镜,43,MEMS制造工艺,44,Manufacturing Technology of MEMS,大机械制造小机械，小机械制造微机械 日本为代表 LIGA工艺 Lithograpie(光刻)、Galvanoformung(电铸) Abformung(塑铸) 德国为代表 硅微机械加工工艺：体硅工艺和表面牺牲层工艺 美国为代表

13、,45,Materials,硅基材料 单晶硅，多晶硅，非晶硅，二氧化硅，氮化硅，碳化硅，SOI(Silicon On Insulator)。 聚合物材料 光刻胶，聚二甲硅氧烷 其他材料 砷化镓，石英，玻璃，钻石，金属。,46,驱动材料,NiTi 坡莫合金 锆钛酸铅（PTZ） 水凝胶（Hydrogels）,47,Technologies,物理气相淀积(Physical Vapour Deposition ) 化学气相淀积(Chemical Vapour Deposition) 电镀（Electroplating） 旋转铸模 （Spin Casting） 溶胶-凝胶（SolGel Depositi

14、on） 光刻(Photolithography ) 刻蚀: 干法刻蚀（DRIE,ICP）和湿法腐蚀 键合技术,48,物理气相淀积(PVD),物理气相淀积是利用某种物理过程，例如蒸发或溅射过程来实现物质转移，即把原子或分子由源转移到衬底表面上，从而淀积形成薄膜，整个过程不涉及化学反应，常用的有真空蒸发和溅射。 真空蒸发是在真空室中，吧所要蒸发的金属加热到相当高的温度，使其原子或分子获得足够高的能量，脱离金属材料表面的束缚而蒸发到真空中，从而淀积在硅晶原片表面形成一薄的膜。 优点：较高的淀积速率，薄膜纯度高，厚度控制精确，生长机理简单缺点：台阶覆盖能力差，工艺重复性不好，淀积多元化合金薄膜时组分难

15、以控制 溅射是利用带有电荷的离子在电场中加速后具有一定动能的特点那个，将离子引向被溅射物质，轰击被溅射物质使其原子或分子逸出从而淀积到硅晶圆片上形成薄膜。这个过程就像用石头用力扔向泥浆中，会溅出许多泥点落在身上一样。 优点：淀积薄膜与衬底附着性好，淀积多元化合金薄膜时组分容易控制，较高的薄膜溅射质量，高纯靶材，高纯气体 。,49,化学气相淀积(CVD),指把含有构成薄膜元素的两种或两种以上的气态原材料导入到一个反应室内，然后他们相互之间发生化学反应，形成一种新的材料，沉积到晶片表面上。淀积氮化硅膜(Si3N4)就是一个很好的例子，它是由硅烷和氮反应形成的。几乎可以淀积集成电路工艺中所需要的各种

16、薄膜，例如掺杂或不掺杂的SiO2、多晶硅、非晶硅、氮化硅、金属(钨、钼)等 目前常用的有常压化学气相淀积(APCVD) 、低压化学气相淀积(LPCVD)以及等离子体增强化学气相淀积(PECVD) 有淀积温度低、薄膜成分和厚度易于控制、均匀性和重复性好、台阶覆盖优良、适用范围广、设备简单等一系列优点。 相对于与PVD相比，其优点：结晶性和理想配比都比较好，薄膜成分和膜厚容易控制，淀积温度低，台阶覆盖性好。,50,真空镀膜仪,51,磁控溅射,电子在电场的作用下加速飞向基片的过程中与氩原子发生碰撞，电离出大量的氩离子和电子，电子飞向基片。氩离子在电场的作用下加速轰击靶材，溅射出大量的靶材原子，呈中性

17、的靶原子（或分子）沉积在基片上成膜。二次电子在加速飞向基片的过程中受到磁场洛仑磁力的影响，被束缚在靠近靶面的等离子体区域内，该区域内等离子体密度很高，二次电子在磁场的作用下围绕靶面作圆周运动，该电子的运动路径很长，在运动过程中不断的与氩原子发生碰撞电离出大量的氩离子轰击靶材，经过多次碰撞后电子的能量逐渐降低，摆脱磁力线的束缚，远离靶材，最终沉积在基片上,52,光刻,工艺流程,（1）涂胶，（2）前烘,掩模版,（3）曝光,（4）显影，（5）坚膜,（6）刻蚀，（7）去胶,53,光刻,曝光方法：接触式曝光（Contact Printing），接近式曝光（Proximity Printing），投影式曝

18、光（Projection Printing）。 正胶和负胶的比较：负性光刻采用负性光刻胶，曝光后光刻胶会因交联而硬化，不溶于溶剂，将想产生的图形置于掩模板上不透明的区域，则最终在光刻胶上形成的图形与掩模板上的相反，负性光刻是最早用在半导体工艺中的。 正性光刻采用正性光刻胶，基本特征，曝光后的光刻胶经过用中化学反应，反应后，在显影液中软化并溶解，而不曝光的区域上的光刻胶则保留在硅片上，作为后续工艺保护层，这种方法复制到硅片表面上的图形与掩模板上的相同。,54,表面加工工艺,55,56,LIGA技术,LIGA技术是利用X光射线光刻，通过电铸成形和铸塑形成深层微结构方法。可以加工各种金属、塑料和陶瓷等材料，深度刻达1000微米。,LIGA工艺对设备的要求较高，生产费用较昂贵。,5