微电子概论课程论文MEMS芯片的制作与应用..doc

重庆文理学院电气学院 微电子概论课程论文 ? ? 题目：MEMS芯片的制作与应用 ? ? 姓名：强俊 学号：201008074015 年级专业：10级微电子 MEMS芯片的制作与应用 摘要 MEMS(微型机电系统)自八十年代以来就应用于医疗行业一在各种硅压力传感器、加速度传感器和定制的微结构应用中大显身手 MEMS器件与其他技术相比有许多优 。它们尺寸小·性能可靠．价格便宜。硅是很容易用于ME~．IS器件结构加工的材料。用于生产硅电子元件的大多数硅片加工设备可以用米生产硅传感器件。硅的弹性几乎十分完美。它不会象其他原理的产品那样随时间的推移而发生屈变或形变。 关键词：MEMS；微电子机械系统；微加速度计；微通道 微电子机械系统(Micro Eleetm．Mechanical—Systems)是指基r(但不限于)IC 12艺设t1并制造、可批量生r 、集电子元件与机械器件于一体的微小系统 微流动系统是MEMS的一个重要分支，是构成大多数微系统中感臆元件和执行器件的主要组成部分，它包括微传感器、微泵、微阀、微喷和微通道等 在MEMS发展的初期，人们把主要精力都放在微加工技术』一，随着硅加工技术的日益成熟，人们发现制约MEMS发展的不再是加工手段，而是微系统中出现的与宏l舰尺十下不同的、人们尚未认识清楚的诸如流动和换热等基本问题 正如Mohamed在一篇技术报告中指出、“技术的发展速度超出r人们对存在其中的内部机理的理解能力” 冈此，近年来、对微流动系统的研究受到了前所未有的审视，同时也取得了巨大的成就 美国国防部高级研究计划局对MEMS的市场分析及对未来的预测表明，在未来的几年里，微流体机械的市场分额将占整个MEMS市场分额的一半以上。 近年来, 随着微电子、微电子机械系统研究的深入, 器件结构的特征尺寸逐渐进入纳米尺度(1~100 nm). 在纳米尺度, 材料的物理、化学性质由于受到尺度效应、表面效应的影响, 开始表现出与宏观及微观情况下不同的性质. 作为纳电子、纳电子机械系统的研究重点, 单晶硅纳米结构的力学[1~8]、热学[9]、光学[10]性质研究已逐步展开. 其中, 对单晶硅纳米力学的研究结果表明, 随着结构特征尺度的减小(100 nm), 硅材料的断裂强度变大, 而其杨氏模量值逐渐减小. 目前对自上而下方法制备的单晶硅结构在纳米尺度的力学性质的实验研究方法主要有两类: 一是利用原子力显微镜(AFM)的针尖对单晶硅纳米线、纳米梁进行的弯曲实验[1~4], 另一类是对硅纳米悬臂梁开展的谐振测试[7], 这些实验都是对力学特性的间接测量. 作为力学测试中最直观、常用的测试方法, 拉伸实验可以得到材料的杨氏模量、断裂强度等重要的力学参数. 但对自上而下方法制备的单晶硅结构开展拉伸实验非常困难, 究其原因, 主要体现在如下两个方面. 1) 纳米尺度的单晶硅样品难于进行操控; 2) 施加与测量的应力或应变量极其微小, 难于精确测量. 为了克服纳米实验力学中对样品的操纵与测量的困难, 近年来, 人们开始尝试采用微电子机械系统(MEMS)技术制作MEMS测试芯片, 结合电子显微技术开展对纳米结构的原位拉伸实验研究。 1 MEMS芯片结构的设计及制作工艺 考虑到要在MEMS测试芯片上对单晶硅纳米梁进行拉伸, 测量纳米梁受到的轴向拉伸力, 我们的MEMS测试芯片上需要集成制备单晶硅纳米梁、测力悬梁、梳齿驱动器、支撑梁等结构, 为了满足TEM观测的要求, 芯片上必须做出电子束透射窗, 单晶硅纳米梁悬空. 实验时, 静电梳齿驱动器产生的驱动力将拉动包括可动梳齿结构、测力悬梁、支撑梁及单晶硅纳米梁的整个可动结构, 而单晶硅纳米梁在这个过程中将被拉伸. 硅纳米梁的形变可以由TEM直接观测得到, 它受到的拉力可以通过测量与它相连的测力悬梁的弯曲量直接测得. 硅纳米梁力的加载是靠静电梳齿驱动器完成的, 它是利用平行极板间的切向静电力进行驱动的. 力的方向是使两个极板间的重合面积加大的方向. 对于包含n对梳齿的梳齿驱动器, 它在驱动电压为V时的驱动力可以表示为[14] 20,nhVFdεε= (1) 其中ε0为真空介电常数, ε 为介质的相对介电常数, h是梳齿的高度, d是梳齿对的间隙大小. 虽然通过(1)式可以计算出不同驱动电压下产生的拉力大小, 但是制备工艺会对结构参数产生较大影响, 真实产生的拉力与计算得到的结果之间往往会存在较大的差异. 因此, 为了对硅纳米梁受到的拉力进行精确的标定, 我们特地制作了与其直接相连的测力悬梁. 测力悬梁的工作原理是对于一根确定尺度的两端固支梁, 在中点施加力使它产生弯曲. 当弯曲量较小时, 它的弹性系数可以被认为是常量[14], 也就是可以近似认为弯曲量与外力大小呈