MEMS技术导论.ppt

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常用MEMS结构和系统SensorActuatorsPassivestructuresSensors：

将机械、热、或其他形式的能量转换成电能Actuators：

将电能转换成机械、热或其他形式的能量。

Passivestructures：

不发生能量转换常用的Sensing方法材料的温度特性（如金属的电阻温度系数）压阻、压电特性电容传感（空间位置变化，或相对介电常数变化）转换电路复杂。

电磁信号（磁阻现象、霍尔效应、法拉第定律）常用actuation方法electrostaticactuation库仑力，两加电压的单元之间。

耗能低。

Piezoelectricactuation,特点：

当压电薄膜较厚，可提供较大的力。

耗能低Thermalactuation耗能较大。

如双层不同材料，热膨胀系数差异引起的弯屈。

密封腔内的液体受热后的膨胀对墙壁施压。

Magneticactuation机理：

Lorentz力。

通有电流单元在磁场中受力。

Actuationusingshape-memoryalloys特点：

提供能量密度最大的actuation。

与Si工艺集成困难。

PassiveMEMstructure流体喷嘴，（图喷墨打印机喷嘴，Ford公司的引擎燃料喷嘴，吸药器械喷嘴等）。

采用各向异性腐蚀Si，或其他电镀电铸工艺等。

Si双面用SiN掩膜，背面开方口，KOH溶液腐蚀。

圆喷口制备：

正面生长P外延层，掩膜保护，干法刻蚀出圆孔。

双面掩膜保护，用双面光刻的方法在背面开方孔。

KOH溶液腐蚀。

高掺杂层可作为腐蚀停层。

在Si片上设计流体通道给控制喷嘴形状提供了方便。

采用深反应离子刻蚀键合工艺。

尺度控制在微米级。

喷嘴形状控制好，喷墨打印喷嘴MEMS技术最成功的产品之一。

Ta薄膜电阻加热墨水，形成汽泡，喷射出。

Sensors压力传感器1974年第一只压力传感器，1998年4500万只Si微机械压力传感器。

以压力传感器和血压计为主。

敏感元采用扩散压阻材料，制备在Si薄膜上。

4个敏感元接成Wheastone电桥形式。

薄膜两面有压力差时，发生形变。

与压力差成正比。

敏感元置于高应力处，两个基轴平行于薄膜边缘，另两个则垂直于薄膜边缘。

当薄膜形变时，两个电阻减少，另两个电阻增大。

提高测试灵敏度。

工艺：

IC工艺电化学腐蚀形成厚度准确的薄膜。

正面制备薄无应力绝缘层，背面SiN保护。

注入方法掺硼，高温退火，形成压阻单元。

背面双面光刻对准开腐蚀孔，电化学腐蚀。

阳极键合。

Si直接键合形成向上开口腔体。

减小尺寸400微米宽，800微米长，150微米高底层Si片的腔体腐蚀，上层与底层Si片键合。

电化学腐蚀，形成上层薄膜。

制备压阻敏感元，电极。

高温压力传感器常用Si微机械压力传感器的温度范围-40125度。

在125度以上，压阻单元与衬底的pn结漏电。

可用SOI技术减少漏电。

工艺：

有一p型重掺杂层的Si片与SiO2/Si直接键合将p型重掺杂层的衬底腐蚀去除。

正面光刻形成压阻单元。

溅射并光刻形成电极和连线。

背面光刻形成腔室和薄膜。

质量流量Sensor：

原理：

气体流动，带走被加热单元的热量，使之温度变化。

（1）温度变化可用电阻值变化。

通过电桥，测出电压变化。

此变化值正比于气体流动量。

）

（2）用pn结的温度变化（3）用热电偶的温度变化MEMS特点：

加热源和衬底支架之间的热隔离好，保证热损失完全由于气体流动。

被加热部件热容量小，反应速度快。

双向质量流量Sensor：

相邻两薄膜上有加热单元和温敏电阻。

500微米见方。

气体流量冷却上加热单元，同时给下加热单元升温。

使两薄膜上的电阻差值增大，通过电桥获得更高的探测灵敏度。

制备工艺：

淀积SiN薄膜，溅射加热单元（NiCr）和热敏电阻，光刻腐蚀成型。

表面绝缘钝化。

光刻腐蚀形成薄膜二维形状深腐蚀成腔（纵向和横向腐蚀Si，形成SiN悬空薄膜。

加速度Sensor1979年Stanford大学第一个加速度计。

15年后商品化生产。

主要用途：

安全气囊。

低成本：

3US$/个（1998年）。

基本结构：

基于弹簧之上的质量悬挂。

Sensing原理：

外加加速度时，探测质量块发生相对位移。

原理：

（1）电容式：

质量块为电容一极。

需专用电路探测微小电容变化e15F。

（2）压阻式：

测试弹簧的内应力参数：

（1）测试范围，G

（2）响应度，V/G（3）带宽，Hz（4）横轴响应度：

评价加速度计对垂直于主轴方向上的加速度的抵抗能力。

气囊，测试范围，50GHz，带宽1kHz引擎振动，测试范围：

1GHz，分辨率100微G，带宽10KHz以上。

心脏起博器,多轴加速度计，监测活动水平，测试范围，2GHz，带宽50Hz，需要耗能小。

军事应用，测试范围可达1000G。

四种主要的加速度计

（1）压阻体微机械工艺加速度计结构：

基座；核心部分：

弹簧，内质量块，敏感单元；盖。

外框提供过载保护，与悬挂质量块间距3.5微米。

压敏电阻0.6微米厚，4.2微米长，是电桥电阻的一部分。

响应度：

25mV/G厚而窄的弹簧，保证抵抗横向加速度。

可抵抗冲击10000G。

制备特点：

使110wafer，以获得垂直深沟。

压阻敏感元沿111方向，以获得最大灵敏度。

（2）电容式体微机械工艺加速度计结构：

三层Si基结构，中间质量块与上下两层的固定电极构成一对差分电容。

以提高灵敏度。

质量块中间的孔减少腔内的空气阻尼。

提高带宽。

电路将电容变化转化成输出电压。

测试范围：

1.5G-+-50G。

带宽400Hz，横轴响应度小于5。

冲击抵抗能力20000G。

工艺：

三层分别加工，而后键合。

中间的质量块由几步腐蚀的方法制备。

（1）双面浅腐蚀

（2）三部分掩模（SiO或SiN）分别淀积和光刻图形。

（3）分别腐蚀三部分结构，并去除掩模。

（3）电容式表面微机械工艺加速度计低成本，汽车应用。

特点：

悬挂梳状结构，在芯片结构的平面内位移。

结构很薄，容易受到垂直方向加速度的影响，和冲击损坏。

结构：

三套2微米厚的多晶指状电极。

二套固定于衬底。

代表一对差分电容的上下电极。

第三套可动双面梳状电极悬挂在表面1微米处，形成可动电极。

无外加速度时，差分信号为零。

有加速度时，产生差分电容。

总电容100fF。

测试范围：

2G100G带宽16KHz质量块质量小，0.3微克（常规体微机械工艺加速度计质量块100微克。

），噪声较大（500微G/）。

优势：

可在同一芯片上制备双轴加速度计。

（4）电容式深腐蚀微机械加速度计结构：

可动梳状结构接在悬挂的中央板上。

两套指状结构固定在衬底。

特点，指状结构较厚，50100微米。

质量可达100微克。

减少机械噪声（10微G/）。

提高分辨率。

高宽深比的结构减少了横轴方向加速度的影响。

辐射Sensor红外成像非制冷红外探测。

通过吸收红外信号，使探测材料的温度生高，性能变化（如电阻值等），检测这种变化，实现探测。

特点：

用MEMS方法将探测单元与衬底完全热隔离。

结构：

含有氧化钒温敏材料制备在SiN薄膜上，50微米见方，0.5微米厚SiN薄膜悬于衬底之上。

提供热导e8W/K。

由于热辐射造成的热导理论最低值为e9W/K。

氧化钒温度系数-0.2-0.3%/度。

衬底部有反射层。

与上层间隔1.8微米。

形成1/4波长共振腔（10微米波长）。

保证红外信号全被探测单元系数。

表面微机械工艺加有机牺牲层技术。

衬底首先加工CMOS电路，保证表面平整。

钝化后表面化学机械抛光。

底面金属反射层淀积和光刻。

淀积有机牺牲层1.8微米。

0.5微米SiN薄层。

氧化钒温敏电阻层（温度系数-0.2-0.3%/度，1/f噪声较低，方阻适当，红外吸收系数大）。

或镧锰氧化物温度系数-0.3%/度，1/f噪声低。

表面钝化SiN层去除牺牲层（用各向异性等离子刻蚀方法），释放SiN悬空板。

划片，封装。

对于e8W的红外信号，提高温度0.1度，产生电阻变化10欧姆（电阻50K欧姆）每个象素的热容e9J/K，响应时间10msCO气体Sensor气体Sensor原理：

金属氧化物表面吸附气体分子，俘获导电电子，减小表面电导。

Sensor材料包括：

SnO2,TiO2,In2O3,ZnO,WO3,Fe2O3.不同的氧化物对不同的气体敏感。

SnO2可探测酒精，H2，O2，HS，CO.In2O3可探测O3。

如图COSensor。

多晶Si电阻加热器上制备SnO2探测电阻。

加热器保证温度100450度，防止湿度太高对性能的影响。

Sensor元与加热器置于Si薄膜之上，减少热损失，功耗只有47mW。

工作时加恒流，测电压，得到探测信号。

工艺：

外延或离子注入加退火形成2微米p型Si薄层。

淀积SiN薄层。

CVD淀积并光刻多晶Si电阻加热器层。

淀积氧化层，并开电极接触孔。

溅射淀积SnO2Sensor层，并退火。

光刻SnO2层。

溅射Al电极并光刻。

最后背面深腐蚀形成薄膜支架。

工作方式：

5V脉冲5s加于加热器，保持400度。

1V脉冲10s加于加热器，温度降至80度。

在固定时刻测试SnO2电阻。

灵敏度：

14000ppm。

（环境湿度2080）微机械麦克风困难：

常规麦克风价格低。

优势：

小尺寸，应用于助听系统。

结构：

电容式，感知由于声波的传播产生的微小压力的变化（0.1Pa）.薄膜悬于底板之上，中孔保证静态压力平衡。

工作原理：

声波产生薄膜振动，薄膜与底板之间电容随之变化，可探测声压水平。

底板下的腔体形成共振腔，可调节声阻抗和频率响应。

技术指标：

响应度（530mV/Pa）、频率响应（10Hz-30KHz），高频时由于薄膜与底板之间的空气流，响应度降低。

等效输入噪声。

两种噪声源：

机械噪声和电噪声。

机械噪声热噪声。

等效噪声压力为。

C是器件的声阻抗。

腔体体积减小，c增加，对微机械麦克风不利。

工艺：

CMOS工艺制备读出电路和直流电源。

PECVD和LPCVD方法制备1.1微米SiN层。

刻出阻尼slot。

溅射Cr电极。

牺牲层和摺皱薄膜的制备。

3微米皱薄膜Al牺牲层的淀积、光刻和腐蚀。

1微米thingapAl牺牲层的淀积、光刻和腐蚀。

PECVDSiN薄膜的淀积、光刻、和腐蚀，刻出摺皱薄膜。

淀积Cr上电极。

淀积联线。

最后腐蚀腔和Al牺牲层。

麦克风的响应度10mV/Pa（1KHz）。

频率响应150Hz17KHz。

噪声由热噪声，电噪声，薄膜阻尼噪声和压力释放通道的阻力噪声构成。

Actuators数字微镜器件（DMD）投影显示技术结构：

Si衬底上的二维光学开关阵列（每个开关对应一个象素。

）每一个象素由装在微柱上的微反射镜构成，微柱装在金属偏转片，联在弹性扭转绞链上。

绞链由两锚柱固定在Si衬底上。

偏转片下的两个电极提供静电驱动力。

偏转片和电极间的24V电压是微镜朝电极方向偏转。

偏转角为10度。

电压去除后，绞链使微镜恢复原位。

微镜下方的CMOS电路控制微镜的偏转和持续时间。

微镜有三个位置：

0度，10度，10度。

在开态（10度），微镜反射的偏轴光进入投影仪透镜，使该象素看起来发亮。

另二个状态，反射光被挡住。

该象素看起来使黑的。

亮、黑的对比度很高。

微镜16微米见方。

标准的分辨率为800600象素12801024象素。

图像的灰度由入射光的脉冲宽度来调节。

机械开关时间为16微秒，比人眼反应时间快1000倍，灰度可分1000级。

采用三个DMD器件（每个控制一种颜色），可获得彩色投影。

典型工艺微机械阀低成本气体控制阀，生化系统中的微流体控制阀。

特别在小尺寸和电控制较重要的领域。

工作方式：

常开或常关。

加电后，加热丝工作，液体被加热，驱动薄膜向下运动。

对于常开系统，薄膜可堵塞流体。

断电后，液体冷却，薄膜复位，允许流体流动。

缺点：

薄膜与流体直接接触，热损失大，热隔离结构，常关系统，在液体加热后，腔内压力增大，薄膜产生对于支点的扭矩，抬高塞子，允许流体流动。

对液体的要求：

无腐蚀，惰性，电绝缘，热导高。

膨胀系数大。

Perfluorocarbon全氟碳液体膨胀系数0.13%/度。

电绝缘。

沸点56250度。

微机械形状记忆合金阀特点：

效率高，可产生很大的能量密度（510倍于其他阀。

）结构：

三Si片，一铍铜合金（保持阀的关闭力）。

Si片1，提供孔。

Si片2，提供阀塞运动空间。

Si片3，提供悬在薄膜钛镍合金弹簧结构上的阀塞。

蓝宝石小球推动阀塞。

关闭流动小孔。

电流通过TiNi合金加热弹