1、MEMS與微電子與微電子 學學MEMS Micro- Electronics 1MEMS與微電子學與微電子學微電子IC工藝MEMS半導體物理半導體器件固體物理電子學力熱光流體生物2微電子機械機械部分部分傳感傳感執行執行控制部分控制部分電子學電子學MEMS微電子學微電子學MEMS與微電子學與微電子學3微電子學：微電子學：MicroelectronicsMicroelectronicsu微電子學微電子學微型電子學微型電子學u微電子學核心微電子學核心集成電路集成電路IC：通過一系列：通過一系列特定的加工工藝特定的加工工藝，將晶體管、二極，將晶體管、二極管等管等有源器件有源器件和電阻、電容等和電阻、電

2、容等無源器件無源器件，按照一定，按照一定的電路互連，的電路互連，“集成集成”在一塊半導體單晶片（如硅在一塊半導體單晶片（如硅或砷化鎵）上，封裝在一個外殼內，執行或砷化鎵）上，封裝在一個外殼內，執行特定電路特定電路或系統功能或系統功能。4 集成電路芯片的顯微照片集成電路芯片的顯微照片5 50 m100 m頭發絲粗細頭發絲粗細 30 m1 m 1 m(晶體管的大小晶體管的大小)3050 m(皮膚細胞的大小皮膚細胞的大小) 90年代生產的集成電路中晶體管大小與人類頭發年代生產的集成電路中晶體管大小與人類頭發絲粗細、皮膚細胞大小的比較絲粗細、皮膚細胞大小的比較6u 不斷提高產品的性價比是微電子技術發不

3、斷提高產品的性價比是微電子技術發展的動力展的動力u 集成電路芯片的集成度每三年提高集成電路芯片的集成度每三年提高4 4倍，倍，而加工特征尺寸縮小而加工特征尺寸縮小 倍，這就是摩爾倍，這就是摩爾定律定律2微電子的發展規律微電子的發展規律7微電子的特點微電子的特點o 微電子學：電子學的一門分支學科o 微電子學以實現電路和系統的集成為目的，實用性極強。o 微電子學中的空間尺度通常是以微米和納米為單位。o 微電子學是信息領域的重要基礎學科8o 微電子學是一門綜合性很強的邊緣學科 涉及固體物理學、量子力學、熱力學與統計物理學、材料科學、電子線路、信號處理、計算機輔助設計、測試與加工、圖論、化學等多個學科

4、o 微電子學是一門發展迅速的學科，高集成度、低功耗、高性能、高可靠性是微電子學發展的方向o 微電子學的滲透性極強，它可以是與其他學科結合而誕生出一系列新的交叉學科，MEMSMEMS就是其中之一。9MEMSMEMS與微電子工藝的兼容性與微電子工藝的兼容性 MEMS是在微電子技術的基礎上發展起來是在微電子技術的基礎上發展起來的，融的，融合了合了硅微加工、硅微加工、LIGA技術和精密機械加工技術和精密機械加工等多種微等多種微加工技術。這表明微電子技術是加工技術。這表明微電子技術是MEMS技術的重要基技術的重要基礎，礎，微電子加工手段微電子加工手段是是MEMS的重要加工手段之一，的重要加工手段之一，微

5、電子中的主要加工手段均在微電子中的主要加工手段均在MEMS制備中發揮極大制備中發揮極大作用。包括：作用。包括：Si材料制備、光刻、氧化、刻蝕、擴散、材料制備、光刻、氧化、刻蝕、擴散、注入、金屬化、注入、金屬化、PECVD、LPCVD及封裝及封裝等。等。10MEMS與集成電路工藝的區別與集成電路工藝的區別集成電路集成電路薄膜工藝薄膜工藝 制作各種晶體管、電阻電容等制作各種晶體管、電阻電容等 重視電參數的準確性和一致性重視電參數的準確性和一致性MEMS工藝多樣化工藝多樣化 制作制作梁、隔膜、凹槽、孔、密封洞、錐、梁、隔膜、凹槽、孔、密封洞、錐、 針尖、彈簧及所構成的復雜機械結構針尖、彈簧及所構成的

6、復雜機械結構 更重視更重視材料的機械特性材料的機械特性，特別是，特別是應力特性應力特性11MEMS與微電子的比較與微電子的比較MEMS微電子單晶硅、GaAs、石英、聚合物、金屬單晶硅、硅化合物、塑料實現包括生物、化學、機電和光學等功能傳輸電流以實現特定的電路功能有活動部件結構固定3維結構2維平面結構基底上簡單結構基底上高密度復雜結構無工業標準有工業標準缺乏工程設計方法學和引線成熟的集成電路設計方法學封裝技術尚未成熟封裝技術相當完善12Advantages of MEMSIC TechnologyPrecisionBatch FabricationMiniaturizationIntegrate

7、d Multiple FunctionsImproved performanceReduced Manufacturing cost & TimePortabilityRuggednessLow Power ConsumptionEasily & Massively DeployedEasily Maintained & ReplacedLittle Harm to Environmentp 軍事領域o 航空、航天o 信息領域o 生物、醫療p 工業控制、汽車o 環境保護o 消費類、玩具MEMS技術的應用技術的應用14MEMSMEMS在軍事領域的應用在軍事領域的應用慣性慣

8、性 MEMSMEMS1617對于陸軍戰士的MEMS計算機計算機/ /無線電子系統無線電子系統 計算機 戰士電臺 國家電臺 GPS 手持式平板顯示器 視頻采集防護服和個人設備子防護服和個人設備子系統系統 先進的承載能力 化學/生物服裝/手套/靴子 戰斗編號完整的頭盔子系統裝完整的頭盔子系統裝配配 有懸架的輕型頭盔 頭盔顯示器 圖像放大器 激光探測器 化學/生物 面具 彈道/激光眼保護武器子系統武器子系統 激光測距儀 數字羅盤 安全帶 攝像機 熱武器瞄準具 近距離作戰光學儀18 遠程醫療T恤 DARPA and DLA PROJECTNRaD, GIT, MRC and ILC Dover Eri

9、c J. Lind19o 航空：改進飛機性能、保證飛機安全舒適、減少躁聲o 航天：天際信息網、微重力測量MEMSMEMS在航天、航空領域的應用在航天、航空領域的應用2021FLUDIC MEMSFLUDIC MEMS222324o 全光通信網：光開關和開關陣列、光可變衰減器、光無源互連耦合器、可調濾波器、光相干探測器、光功率限幅器、微透鏡、光交叉連接器OXC、光分插復用器OADM和波分復用器o 無線電話； MEMS電容、電感、傳輸線、RF MEMS濾波器、RF MEMS振蕩器、MEMS移相器、微波收發機MEMS集成化射頻前端o 計算機；攝像頭、鼠標o 投影儀、噴墨打印機o 數據存儲MEMSME

10、MS在信息領域的應用在信息領域的應用2526RF MEMSRF MEMS272829MEMSMEMS技術在工業控制和汽車領域的應用技術在工業控制和汽車領域的應用p 化工廠o 自動化控制中的探測器等o 每部汽車內可安裝30余個傳感器： 氣囊，壓力、溫度、濕度、氣體等o 智能汽車控制系統o 微噴嘴3031MEMSMEMS在環境保護、消費電子中的應用在環境保護、消費電子中的應用o 無人值守大氣環境監測網o 高速公路環境監測網o 消費類電器模糊控制：攝象機、洗衣機o 虛擬現實目鏡、游戲棒、智能玩具32MEMSMEMS技術在生物、醫療領域中的應用技術在生物、醫療領域中的應用o 生物芯片o Lab on

11、Chipo 血壓計o 新型噴霧器o 可在血管內操作和檢測的微型儀器33342022-2-24硅微硅微MEMSMEMS工藝簡介工藝簡介微型制造技術微型制造技術精密加工精密加工微細超聲加工微細電解加工微細電火花加工立體光刻立體光刻能束加工能束加工激光加工電子束加工離子束加工 硅微細加工 硅微細加工光刻電鑄加工光刻電鑄加工準LIGA加工LIGA加工體硅加工硅表面微加工各向 異性 腐蝕自停止 腐蝕深層離子刻蝕電化學腐蝕等離子及反應離子刻蝕淀積光刻犧牲層腐蝕擴散2022-2-24MEMS的典型生產流程膜越厚，腐蝕膜越厚，腐蝕 次數越少。次數越少。去除下層材料，去除下層材料，釋放機械結構釋放機械結構 采用

12、特殊的檢測和劃采用特殊的檢測和劃片工藝保護釋放出來的機片工藝保護釋放出來的機械結構械結構封裝時暴露部分零件封裝時暴露部分零件機、電系統機、電系統全面測試全面測試DEPOSITION OF MATERIALPATTERN TRANSFERREMOVAL OF MATERIAL 多次循環多次循環 PROBE TESTINGSECTIONINGINDIVIDUAL DIEASSEMBLY INTO PACKAGEPACKAGE SEALFINAL TEST成膜成膜光刻光刻腐蝕腐蝕 裸片淀積氧化層體微加工流程體微加工流程圖形化氧化層腐蝕 (Si)除去氧化層MEMS 器件的加工體硅工藝2022-2-24

13、典型MEMS工藝體硅腐蝕MEMS 器件的加工表面工藝 裸片 淀積薄膜 利用光刻圖形化利用光刻圖形化 淀積犧牲層膜 圖形化犧牲層 淀積機結構械薄膜 圖形化釋放結構表面微機械加工流程表面微機械加工流程2022-2-24典型MEMS工藝犧牲層腐蝕2022-2-24MEMS 器件的加工LIGA工藝2022-2-24MEMS 器件的加工2022-2-24MEMS 器件的加工2022-2-24MEMS 是利用機械和電子手段控制微觀流量的一種新方法。LIGA*, Deep UVIrradiationDevelopmentElectroformingMold SeparationSynchrotronResi

14、stMaskmembraneSubstrateResiststructurePlasticmoldmaterialPlasticstructureMetalSubstrateSource: IMM (Mainz Institute for Microtechnology)Mold cavityMold FillingAbsorberstructureMold InsertCreate etch stops and gap in backFuse siliconProcess top and etch massEtch beam and bond PyrexPyrexAir gap forsqu

15、eeze filmdampingDevice waferMass waferBuilt-inover-accelerationstopsSensingelements and interconnectionsMass waferWafer-to-Wafer Bonding*Lithographie, Galvanoformung, AbformungMEMS 器件的加工 (LIGA、鍵合工藝)MEMSMEMS的市場的市場Sales4546o 最成熟、最早開始產業化o 壓阻式和電容式 壓阻式微壓力傳感器的精度：0.050.01，溫度誤差為2ppm，耐壓可達幾百兆帕，過壓保護范圍可達傳感器量程的2

16、0倍以上。 (1) (1) 壓力傳感器壓力傳感器o 電容微壓力傳感器：日本富士公司和美國的羅斯蒙特公司精度可達0.1%-0.075%，傳感器在幾年的使用時間里免維護o 微諧振式壓力傳感器：準數字信號輸出，抗干擾能力強，分辨率和測量精度高。國內目前有中科院電子所、北京航空航天大學和西安交通大學從事這方面的研究，精度可達到0.37。o 微加速度計是微型慣性測量組合的關鍵基礎元件p 應用于汽車安全氣囊系統：體積小、成本低、集成化等特點p 隨后自檢功能和集成CMOS電路o 從單軸向多軸集成o 測量范圍：從1g1000g，精度從0.1%2%(2) (2) 微加速度計微加速度計 1979年第一個壓阻式微加

17、速度計：滿量程范圍為200g，靈敏度為50V/(gVsupply)，偏軸靈敏度為10%，壓阻效應的穩定系數為-0.2-0.3%/(即靈敏度對溫度的變化值)諧振頻率為2330Hz。1)壓阻式微加速度計壓阻式微加速度計壓敏電阻空隙玻璃蓋板質量塊導電膠引線第一個壓阻式微加速度計的剖面結構示意圖o 美國AD公司的ADXL-05和ADXL-50系列單片集成差動電容式微加速度計，現月產量達到200萬只，年產值超過2億美元。o 美國摩托羅拉公司批量生產汽車用MMAS40G電容式微加速度計，選擇雙芯片設計制作技術，封裝微雙列直插式或單列直插式塑封，加速度測量范圍為40g。2)電容式微加速度計電容式微加速度計

18、o基于MOEMS(微光機電系統)技術的微噴已成為MOEMS領域的一種典型器件，它的應用涉及科學儀器、工業控制以及生物醫療等多個領域，目前主要的應用方向有噴墨打印、芯片冷卻、氣流控制以及微推進系統，應用于藥物霧化供給的微噴研究也正在興起。o噴墨打印機的噴墨打印頭，年產值數億美元(3)(3)微噴微噴o 根據MST news的統計，2003年在微光機電系統的相關產品中，噴墨頭的需求已增加至100億美元；ITIS 統計數字顯示2001年全球墨盒需求量約為9.71億顆、2002年已達11.15億顆其年增長率為14.08。2003年隨著數字打印的需求日漸普及，墨水匣需求量成長至12.54億顆，約有11.0

19、8的增長幅度。p 電阻電熱驅動的熱氣泡式噴墨打印頭由德國柏德國柏林技術大學林技術大學研制，在有50個孔的小陣列微噴孔管道一側采用微工藝制造出多晶硅加熱電阻，阻值為30100 ，當給電阻在極短的時間內（25s）通以適當幅值的電壓（60V）時，微管道內的墨水將急劇汽化形成氣泡，將氣泡前端的墨滴高速推出微管道，打印在紙上。p微噴孔的直徑為幾十微米，通過適當的設計，可以單獨控制每個微噴孔，單個微管道中墨滴的噴射頻率最高可達6kHz。o 與傳統的CRT和LCD投影顯示技術相比：具有足夠的亮度，均勻性和穩定性o 反射顯示：德州儀器設計的數字驅動微簡易陣列芯片（DMD，Digital Micromirror

20、 Device)，實際上是反射式微光開關陣列。o 每一個微鏡對應圖象的一個像素，一個微鏡的尺寸僅為16m16m。o DMD可以承受1500g的機械沖擊、20g的機械振動，設備的使用壽命超過了100,000小時。o 一塊完整的DMD半導體芯片：鏡面是由一百三十萬個微反射鏡組成的長方形陣列，每個微鏡對應于投影畫面中的一個光學像素。(4)數字微鏡器件數字微鏡器件 微機電系統的相關資訊微機電系統的相關資訊RelatedInformation56參考書：參考書：n MEMS MEMS和微系統和微系統設計與制造設計與制造 王曉浩、熊繼軍等譯王曉浩、熊繼軍等譯 機械工業出版社機械工業出版社n 微傳感器與微執

21、行器微傳感器與微執行器 張文棟等譯張文棟等譯 科學技術出版社科學技術出版社n 微機械加工技術微機械加工技術 黃慶安，東南大學出版社，黃慶安，東南大學出版社，n 微機電系統技術微機電系統技術 石庚辰著，國防工業出版社石庚辰著，國防工業出版社n 微機械電子系統及其應用微機械電子系統及其應用 劉廣玉等著劉廣玉等著 航空航天大學出版社航空航天大學出版社n 硅微機械傳感器硅微機械傳感器 陶家渠陶家渠 中國宇航出版社中國宇航出版社57關鍵詞：關鍵詞：半導體工藝、集成電路工藝、微機械Key words: MEMS, Micromachining, Micro structure, Process, MEMS

22、 Fabrication, Microsystem58 期刊期刊n Sensor and ActuatorSensor and Actuatorn Journal of Microelectromechanical SystemsJournal of Microelectromechanical Systemsn Journal of micromechanics and Microengineering Journal of micromechanics and Microengineering n Microsystem TechnologiesMicrosystem Technologi

23、esn 儀表技術與傳感器儀表技術與傳感器n 光學、精密工程光學、精密工程n 微納電子技術微納電子技術n 半導體學報半導體學報n 固體電子學研究與進展固體電子學研究與進展n 傳感技術學報傳感技術學報59相關網站相關網站60相關公司相關公司61專業詞匯專業詞匯oMerge 融合融合oSelf-testing 自檢自檢oDigital compensation 數字補償數字補償oDrive technology 驅動技術驅動技術oPackage 封裝封裝oAssembly組裝組裝oScan tip 掃描探針掃描探針oNear field microscopy 近場顯微鏡近場顯微鏡oSealing t

24、echnique 封焊技術封焊技術oImpurity-based etch-stop 基于摻雜的腐蝕停止技術基于摻雜的腐蝕停止技術62專業詞匯專業詞匯oResonant sensor 諧振傳感器諧振傳感器oMicroactuators 微致動器，微執行器微致動器，微執行器oSignal-to-Noise 信噪比信噪比oFlowmeter 流量計流量計oAccelerometer 加速度計加速度計oPositioning system 定位系統定位系統oHierarchical system 分級系統分級系統oMess spectrometer 質譜儀質譜儀oAutocalibration 自標定自標定oAnodic silicon-glas