微机电系统.docx

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微机电系统

《微机械电子系统及其应用》复习大纲

微机电系统（Micro-Electro-Mechanical-Systems,MEMS）是在微电子技术基础上发展起来的，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，并应用现代信息技术构成的微型系统。

它包括感知和控制外界信息（力、热、光、生、磁、化等）的传感器和执行器，以及进行信号处理和控制的电路。

从广义上讲，MEMS是指集微型传感器、微型执行器、信号处理和控制电路、接口电路、通信系统以及电源于一体的微型机电系统。

基于MEMS技术的器件与系统的优点：

小体积、低成本、低功耗、可集成、高可靠性等

微传感器：

机械类：

力传感器、应变传感器、加速度传感器、角速度传感器（陀螺仪）、流量传感器等

磁学类：

磁通计、磁场计等

热学类：

温度计等

生物化学类：

气体成分、湿度、PH值和离子浓度传感器、声波传感器、DNA芯片等

微执行器：

微马达、微齿轮、微泵、微阀、微开关、微喷射器、微扬声器、微谐振器等

目前已经商业化的MEMS器件包括加速度计、数字微镜、麦克风等。

工艺

1．光刻

光刻是通过类似于洗印照片的原理通过曝光和选择腐蚀等工序将掩膜版上设计好的图形转移到硅片上的过程。

光刻可分为接触式、接近式和投影式：

光刻胶分为正胶（显影时曝光区域溶）与负胶（未曝光区域溶）两大类，其中正胶的分辨率更高，超大规模集成电路中一般只用正胶。

2．氧化：

二氧化硅制备：

在硅片上制备二氧化硅可以采用化学气相淀积（CVD）或热氧化方法，其中热氧化又可分为：

干氧氧化、水蒸汽氧化、湿氧氧化和氢氧合成氧化，其中干氧氧化制备的二氧化硅薄膜的质量最好。

3．淀积

淀积是指在衬底表面生长薄膜的过程，主要可分为物理气相淀积（PVD）和化学气相淀积（CVD）两类，其中物理淀积主要包括蒸发与溅射，化学气相淀积淀积主要包括常压化学气相淀积（APCVD）、低压化学气相淀积（LPCVD）和等离子体增强化学气相淀积（PECVD）等。

•化学气相淀积（CVD）：

LPCVD：

❑低压，100Pa左右

❑600~800度，热分解或化学反应

❑优点：

均匀性好、保形淀积

PECVD：

❑原理：

RF产生等离子体，为化学反应提供能量

❑优点：

低温（200~400度），保形淀积

•物理气相淀积（PVD）是利用某种物理过程（如蒸发或溅射）实现物质转移、即原子或分子有源转移到衬底表面，并淀积成膜。

主要有两种技术：

蒸发和溅射

蒸发：

❑优点：

快速、薄膜质量高

❑缺点：

台阶覆盖差、多元化合金组分难控制

溅射：

可分为直流溅射、射频溅射、反应溅射、磁控溅射等

❑优点：

台阶覆盖好、附着性好、各组分易控制

4．掺杂

掺杂：

将所需杂质按要求的浓度分布掺入半导体等材料中，以达到改变材料电学性质，控制半导体中特定区域內杂质的类型、深度，形成半导体器件。

•掺杂方法：

扩散：

利用扩散现象将杂质原子引入器件。

离子注入：

直接用高能离子注入器件。

•扩散：

扩散工艺：

将一定数量的某种杂质掺入到硅晶体或其它的半导体晶体中去，以改变电学性质，并使掺入的杂质数量、分布形式和深度等满足要求。

两种方式：

恒定源扩散、有限源扩散

•离子注入：

❑将某种元素的原子经离化变成带电的离子

❑在强电场中加速，获得较高的动能后，射入材料表层（靶）

❑以改变这种材料表层的物理或化学性质

被注入离子往往处于半导体晶格的间隙位置，对载流子的输运没有贡献；而且也造成大量损伤，一般需要进行退火。

退火的目的：

❑去除由注入造成的损伤，让硅晶格恢复其原有完美晶体结构

❑让杂质进入电活性位置－替位位置。

❑恢复电子和空穴迁移率

❑过程中不能有大量的杂质再分布

5．刻蚀（也被称为腐蚀）

在淀积薄膜后，需要通过刻蚀，选择性地除去一些薄膜，以留下需要的图形。

刻蚀可分为湿法腐蚀与干法刻蚀两大类。

⏹作用：

实现所需图形

清除表面损伤

清除表面沾污

三维刻蚀

•刻蚀时，最重要的问题是选择性和方向性。

•选择性指不同材料之间的刻蚀速率之比，选择比定义为：

其中Rf表示对待刻薄膜的刻蚀速率，Rm表示对掩膜或衬底的刻蚀速率。

S值大小和工艺参数相关：

湿法刻蚀过程：

和腐蚀剂化学、浓度、温度等有关

干法刻蚀过程：

和等离子体参数、等离子体化学、气压、气体流量等有关

•湿法腐蚀：

各向同性腐蚀—各方向上有相同的腐蚀速率

各向异性腐蚀—腐蚀速率依赖于单晶晶向

通常腐蚀是在有掩膜条件下进行，或结合自停止腐蚀技术完成，以获得所需图形。

湿法腐蚀的缺点：

（1）湿法腐蚀需大量的腐蚀性化学试剂，对人体和环境有害，在ULSI电路制造中，湿法腐蚀正被干法刻蚀所替代。

（2）湿法腐蚀需大量的化学试剂去冲洗腐蚀剂剩余物，不经济

（3）干法腐蚀能达到高的分辨率，湿法腐蚀较差

•干法刻蚀：

等离子体腐蚀：

低压（10-4~1Torr）放电所产生的离子、电子和中子组成的部分离化的气体及自由原子团，同固体表面所产生的物理、化学作用。

等离子体刻蚀的种类：

反应离子刻蚀（RIE）、离子束铣等

高深宽比干法刻蚀（DRIE）依赖于高密度等离子源以及刻蚀与钝化工艺交替来实现。

高密度等离子源产生于感应耦合或ECR。

其中感应耦合等离子（InductivelyCoupledPlasma，ICP）刻蚀用得较多。

6．键合

•键合包括静电键合、热键合、复合键合等。

•键合的目的是通过外界作用将多个基片“粘接”

•静电键合：

可把金属、合金、半导体与玻璃键合

原理：

硼硅玻璃、磷硅玻璃在一定温度下软化，行为类似电解质，外加电压下，正离子（Na＋）向阴极漂移，在阳极形成空间电荷区，外加电压落于空间电荷区，漂移停止。

如硅接阳极，玻璃接阴极，硅玻璃接触，在界面形成的负空间电荷区与硅发生化学反应，形成化学键Si-O-Si，完成键合。

可通过检测电流监测键合是否完成。

Ø工艺及工艺参数的影响：

温度：

低温：

没有导电电流，键合无法进行

高温：

玻璃软化，无法键合

一般：

180~500度

电压：

低压；静电力减弱，无法键合

高压：

击穿玻璃

一般：

200~1000伏

•热键合：

高温处理后，硅片直接键合在一起。

硅直接键合（SDB）

硅熔融键合（SFB）

直接样品键合（DWB）

•复合键合：

原理利用中间层之间的反应完成键合

带硅化物的键合：

NiSi，PtSi，TiSi2等

金硅键合：

利用金硅互熔点低的特点（400度左右）

7．工艺集成

MEMS与IC（集成电路）单片集成的工艺方案：

Pre－CMOS：

先制作集成电路，再制作MEMS器件

Post－CMOS：

先制作MEMS器件，再制作集成电路

混合工艺（MixedProcess）：

MEMS与IC的工艺互相交叉进行

Pre－CMOS：

优点：

可利用现有IC加工中心的制作IC部分（高性能IC，经济、可靠、高成品率）

缺点：

但制作MEMS器件时，温度不能超过IC可承受范围

Post－CMOS：

优点：

制作MEMS器件时，温度受IC的限制

缺点：

但难以利用现有IC加工中心的制作IC部分（材料兼容性、污染等）

工艺残余应力

残余应力及残余应力梯度的来源：

（1）热应力：

淀积材料与衬底材料的热膨胀系数差异

（2）内禀应力：

晶格失配，位错

残余应力的影响分析：

残余应力对释放后的微结构的形状有很大影响，将引起微结构较大变形，可能影响其性能或导致器件不可用；残余应力同时对微结构刚度有较大影响，可改变结构刚度，引起器件的灵敏度、频率等与设计值有较大偏差；当残余应力较大时，还可能使结构断裂，导致器件破坏。

工艺残余应力可以采用平均残余应力和残余应力梯度来表达。

残余应力的检测方法：

（1）基底弯曲法

（2）轴向变形测量

（3）屈曲长度测量

利用梁/杆在轴向压力作用下的屈曲现象检测残余应力，根据屈曲长度确定残余应力，其中屈曲长度是产生屈曲的梁的最小长度。

残余压应力：

残余拉应力：

可以采用以下结构，将拉应力转换为压应力进行检测。

（4）指针偏转测量法

（5）谐振频率测量

（6）Raman光谱法

降低薄膜内残余应力方法：

•掺杂粒子种类及浓度

•薄膜淀积的温度、压力等参数

•退火温度与时间

•还可通过结构设计降低残余应力及其影响

MEMS加速度传感器

MEMS加速度计的特点：

尺寸小、成本低、易集成、功耗小等

加速度计的性能指标：

•量程：

•灵敏度：

为提高灵敏度，可降低刚度、增加质量

•动态范围：

提高加速度计的固有频率，但这与提高灵敏度有矛盾。

根据传感方式的不同，加速度计可以分为：

压阻式、压电式、电容式、谐振式、隧穿式、热对流式等。

压阻效应：

是指某些材料在机械力作用下产生形变时，其电阻也会发生变化。

常用压阻材料：

p+或n+多晶硅

金属

压阻式加速度传感器特点：

–读出电路非常简单

–温度系数大

压电效应：

某些材料在机械力作用下产生形变时，会引起它的某些表面带电的现象，而且其表面电荷密度与应力成正比。

可用于MEMS传感器。

逆压电效应：

即材料在外电场的作用下要发生性变。

可用于MEMS执行器。

常用压电材料：

石英晶体、PZT、ZnO、AlN等

静电式（电容式）加速度传感器特点：

–制作工艺简单

–不受温度影响

–读出电路复杂

–易受寄生参数影响

–非线性

谐振式加速度传感器特点：

–直接数字输出

–潜在的高精度：

电漂移和热噪声影响小

隧道式加速度传感器特点：

–极高的灵敏度

–低频噪声大

–必须闭环工作

–重复性、一致性差

热对流式加速度传感器特点：

–结构和读出电路简单

–响应较慢

–线性工作范围小

–受温度影响大

MEMS静电式（电容式）传感器通过检测电容的变化量得到待测物理量，其电极布置可采用以下形式

MEMS麦克风

麦克风是将声压转换为电学量的器件。

可闻声特点：

Ø声压范围：

10e-5～50Pa

Ø频率范围：

20Hz～20000Hz

包括压阻式、压电式和电容式等麦克风，重点介绍电容式麦克风。

商业化MEMS麦克风对灵敏度的要求：

8~10mV/Pa.

与压电式和压阻式麦克风相比，电容式麦克风具有：

Ø灵敏度高

Ø噪声小

Ø稳定性好

等优点，因此目前MEMS微型麦克风大都采用电容式。

MEMS压电声波传感器

MEMS声波传感器工作原理：

根据Sauerbrey方程：

石英晶体谐振频率变化与其表面淀积的物质质量成线性关系，因此可以通过测量晶体谐振频率的变化，准确检测其表面粘附物质的质量。

声波传感器是一种通用的物理、化学和生物传感器。

将声波传感器用作生物传感器，具有速度快、精度高、非标记等优点。

根据尺度定律，随着结构尺寸减小，结构频率增加很快，因此微型化可以提高频率，从而提高声波传感器的灵敏度。

MEMS声波传感器可分为基于表面声波（SAW）谐振器的传感器和基于薄膜体声波（BAW）谐振器的传感器。

其中基于SAW谐振器的传感器占用的面积大，频率低，灵敏度相对不高；基于薄膜体声波（BAW）谐振器的传感器占用的面积小，频率高，灵敏度高，是目前的重点研究方向。

MEMS微能源

电源已经严重制约了基于MEMS的无线传感网络和自主式微系统等的发展与应用。

美国加州理工学院（MIT）的Senturia教授于1990年提出微能源概念（PowerMEMS，或MicroPower）。

IC技术、MEMS技术和无线通讯技术等的发展，促进了无线传感网络节点向微型化、低功耗方向发展，使基于MEMS技术的微能源的应用成为可能。

基于物理能转换的微能源包括太阳能电池、热电池、核电池、微型发电机（应变式、振动式）等。

MEMS振动发电机可以将环境中的振动能转换成电能，为负载供电，在基于MEMS的无线传感网络和自主式微系统等方面具有广阔应用前景。

根据能量转换机理的不同，MEMS振动发电机可分为电磁式、静电式和压电式三类。

MEMS微型振动式压电发电机的工作机理：

外界环境振动引起带质量块的压电复合梁的振动，进一步引起压电复合梁的压电层应力的交替变化，由于压电效应，在压电层的两个电极表面产生电势差，可实现对负载的供电。

MEMS执行器

执行器又叫动作器，既具有动作执行的功能。

目前研究的MEMS执行器主要包括微马达、微齿轮、微泵、微阀、微镊子、微镜、微喷射器、微扬声器、微谐振器等。

MEMS微镜

•应用领域：

成像、光通讯、光谱分析、内窥镜、条形码阅读等。

•根据驱动方式，MEMS微镜可分为电磁驱动微镜、静电驱动微镜、热驱动微镜和压电驱动微镜等。

•电磁驱动微镜：

利用外部磁场或线圈产生的磁场使微镜偏转，体积较大。

•静电驱动微镜：

用静电力驱动微镜运动，是目前研究和应用得最多的微镜。

其谐振频率高，但驱动电压相对较高。

•热驱动微镜：

优点是驱动电压低，缺点是功耗大。

静电力对MEMS器件设计的影响

静电吸合（Pull-in）是结构受到弹性力和电场力同时作用时的一种失稳现象，它限制了静电式（电容式）MEMS器件的可控位移和可控转角。

当施加的电压不同时，可动电极在不同位置处受到的弹性力与电场力如下图所示，其中FM为弹性力，FE为电场力。

对于以上平行板电容器而言，其可动电极的可控位移仅为两个电极之间间距的三分之一。

MEMS封装

•MEMS器件与系统的复杂功能对封装设计要求很高：

不同器件要求不同，甚至同一芯片需根据不同需求设计不同封装

•封装是微系统工业面临的主要挑战

•封装及封装设计应该与MEMS器件与系统的设计紧密联系

•微系统系统封装可以分为三个层次

器件级封装：

系统级封装