MEMS课件 第一章.ppt

微型机电系统 熊继军的基本信息 1971年8月出生于湖北、黄冈。 1999.5－2003.7 获清华大学工学博士学位 1989.9－1998.3 获华北工学院硕士、学士学位 1993.7－？ 华北工学院助教、讲师，副教授 主要研究领域：微系统与智能仪器 联系方式：xiongjijun@tsinghua.org.cn 0351-3920399 课程内容 微机电系统概述 微系统的工作原理 用于MEMS和微系统的材料 微系统加工工艺 工艺参观和软件展示 微制造综述 微系统设计 本章主要内容 微机电系统基本概念及特点 微机电系统概况 微机电系统的研究领域 微机电系统采用的材料与工艺 微机电系统技术的发展与应用 微机电系统的相关资讯 微观世界 微机电系统（MEMS）的定义 各个国家不同的定义 美国：微型机电系统 MEMS: Micro electro mechanical system 日本：微机械 Micro machine 欧洲：微系统 Micro system 什么是微型机电系统 MEMS中的核心元件一般包含两类：一个传感或致动元件和一个信号传输单元。下图说明了在传感器中两类元件的功能关系。 下图说明了致动元件和信号传输单元之间的功能关系。传输单元将输入能量转换成为传感器的电压等形式，执行致动元件的功能。 MEMS的国内外概况 MEMS发展历史回顾 82年：美国U.C. Bekeley，表面牺牲层技术 微型静电马达成功 MEMS进入新纪元 九十年代初ADI的气囊加速度计实现产业化 90年代中：ICP的出现促进体硅工艺的快速发展 九十年代末Sandia实验室5层多晶硅技术代表最高水平 2000年底/：MEMSSi宣布研制成功与标准CMOS兼容的加速度计—新动向 国内MEMS的发展 20世纪90年代初清华大学等高校开始研究。 目前有100个左右的研究小组从事本领域研究， 研究主要领域包括硅微传感器、硅微致动器、硅微加工技术、微系统等领域。 主要加工基地有信息产业部电子13所，北大微电子所，清华大学微电子所，上海交通大学和上海冶金所等。 MEMS发展趋势： 表面牺牲层技术向多层、集成化方向发展 体硅工艺主要表现为键合与深刻蚀技术的组合，追求大质量块和低应力 表面工艺与体硅工艺进一步结合 设计手段向专用CAD工具方向发展 MEMS器件的主要特征 尺寸微小是微机电系统的基本特征 力的尺寸效应 在微小尺寸领域，与特征尺寸L的高次方成比例的惯性力、电磁力（L3）等的作用相应减小，而与尺寸的低次方成比例的粘性力、弹性力（L2）、表面张力（L1）、静电力（L0）等的作用相对增大，这也是MEMS常用静电力致动的理由。 MEMS器件的主要特征 表面效应 随着尺寸的减小，表面积（L2）与体积（L3）之比相对增大，因而热传导、化学反应等加速，表面间的磨擦阻力显著增大。 MEMS器件的主要特征 误差影响 对于微小构件，制造误差与构件尺寸之比相对增大；同时，由于微型机械往往是一次加工成型，一般不进行安装高度和修正，这样，微机构的运动特性受制造误差的影响较大。再加上弹性变形等的影响，使得运动精确度成为微机构研究的关键问题。 MEMS器件的主要特征 材料的尺寸效应 构件尺寸减小，材料内部缺陷减少，材料的机械强度显著增加。微构件的弹性模量、摘拉强度、断裂韧性、疲劳强度以及残余应力等均与大构件的不同，而且有些表征材料性能的物理理需要重新定义，等等。 MEMS器件的主要特征 器件微型化、集成化、尺寸达到纳米数量级 ； 功能多样化、智能化 ； 功能特殊性 ； 能耗低、灵敏度高、工作效率高 。 MEMS的技术基础 微电子设计和半导体工艺技术 机械设计和精密加工技术 力学计算和仿真技术 组装和封装技术 测试技术 MEMS材料 结构材料 基底材料：硅、砷化镓、其他半导体材料 薄膜材料：单晶硅、氮化硅、氧化硅 金属材料：金、铝、其他金属 功能材料 高分子材料：聚酰亚胺、PMMA 敏感材料：压阻、压电、热敏、光敏、其他 致动材料：压电、形状记忆合金、磁性材料等 MEMS工艺—集成电路工艺的应用 定义：微机电系统是在微电子技术的基础上发展起来的，融 合了硅微加工、LIGA技术和精密机械加工等多种微加工技术。 这表明微电子技术是MEMS技术的重要基础，微电子加工手 段是MEMS的重要加工手段之一，微电子中的主要加工手段 均在MEMS制备中发挥极大作用。包括：Si材料制备、光刻、 氧化、刻蚀、扩散、注入、金属化、PECVD、LPCVD及组封 装等。 MEMS工艺—集成电路工艺的应用 集成电路与MEMS器件特点比较： 集