微纳机电系统建模与仿真大作业.docx

1、微纳机电系统建模与仿真大作业研究生课程考试成绩单(试卷封面院系机械工程学院专业机械设计及理论学生姓名刘晨晗学号129580课程名称微/纳机电系统建模与仿真授课时间2013年 3 月至2013年 6 月周学时 3 学分 2简要评语考核论题MEMS综述总评成绩(含平时成绩备注任课教师签名:日期:注:1. 以论文或大作业为考核方式的课程必须填此表,综合考试可不填。“简要评语”栏缺填无效。2. 任课教师填写后与试卷一起送院系研究生秘书处。3. 学位课总评成绩以百分制计分。1、MEMS简介 (12、MEMS历史与发展现状 (22.1 MEMS历史 (22.2 MEMS发展现状 (33、MEMS研究内容

2、(44、MEMS器件举例-悬浮微器件的结构及工作原理 (64.1 器件介绍 (64.2 器件的结构和加工工序 (64.3 器件的生产工艺 (74.4 器件的工作原理 (85、MEMS的应用与未来 (96、参考文献 (11MEMS 综述129580 刘晨晗1、MEMS 简介图1显示了自然界一些典型事物的特征尺寸,我们人类生活在以米为单位的世界里。两端分别有宏大的宇宙与微小的原子,其间有一段尺寸区间1m -100m 或者0.1m -100m 称为微纳米区间。在1959年12月29日的美国加州理工学院,著名的物理学家理查德-费曼(Richard P. Feynman 在一年一度的美国物理学会上提出一

3、个极具深刻洞察力的观点“There is plenty of room at the bottom ” 【1】。接下来的时间至今,在微纳米尺度以及原子尺寸级别相关研究的快速发展映证了费曼观点的远见卓识。尤其值得一提的是在微纳米区间的发展。 图1 自然界典型事物的特征尺寸MEMS 即Micro-Electro-Mechanical System ,它是以微电子、微机械及材料科学为基础,研究、设计、制造、具有特定功能的微型装置,包括微结构器件、微传感器、微执行器和微系统等。MEMS 所研究的尺寸范围正好是上述微纳米区间。日本国家MEMS 中心给Microsystem/Micromachine 下的

4、定义 【2】:A micro machine is an extremely small machine comprising very small(several millimeters or less yet highly sophisticated functional elements that allows it to perform minute and complicated tasks 。MEMS 是在微电子技术基础上发展起来的多学科交叉的前沿研究领域,其起源可以追溯到20世纪5060年代,最初贝尔实验室发现了硅和锗的压阻效应,从而导致了硅基MEMS 传感器的诞生和发展。在随后

5、的几十年里,MEMS 得到了飞速发展,1987年美国加州大学伯克利分校研制出转子直径为60120m 的硅微型静电电机【3】;19871988年,一系列关于微机械和微动力学的学术会议召开,所以20世纪80年代后期微机电系统一词就渐渐成为一个世界性的学术用语,MEMS技术的研究开发也成为一个热点,引起了世界各国科学界、产业界和政府部门的高度重视,经过几十年的发展,它已成为世界瞩目的重大科技领域之一。MEMS是一种集成系统,典型的MEMS是将信息获取传感器、信息处理电路及执行机构等功能器件集成在一起,以提高系统的效率和可靠性。MEMS被认为是微电子技术的又一次革命,它具有一下一些特点【4,5】:(1

6、微型化:MEMS器件体积小、重量轻、耗能低、惯性小、谐振频率高、响应时间短。(2以硅为主要材料,机械电器性能优良:硅的强度、硬度和杨氏模量与铁相当,密度类似铝,热传导率接近钼和钨。(3尺度效应现象:一般的MEMS器件还没有小到进入物理学中的微观范畴,因此进店物理学仍然成立。但由于尺寸说笑带来的影响,许多物理现象与宏观世界有很大区别,因此许多原来的理论基础都会发生变化,如力的尺寸效应、微结构的表面效应、微观摩擦机理等,因此有必要对为动力学、微流体力学、微热力学、微摩擦学、微光学和微结构学进行深入的研究。(4批量生产:用硅微加工工艺在一片硅片上可同时制造成百上千个微型机电装置或完整的MEMS,批量

7、生产可大大降低生产成本。(5集成化:可以把不同功能、不同敏感方向或致动方向的多个传感器或执行器集成于一体,或形成微传感器阵列、微执行器阵列,甚至把多种功能的器件集成在一起,形成复杂的微系统。微传感器、微执行器和微电子器件的集成科制造出可靠性、稳定性很高的MEMS。(6多学科交叉:MEMS涉及电子、机械、材料、制造、信息与自动控制、物理、化学和生物等多种学科,并集约了当今科学技术发展的许多尖端成果。2、MEMS历史与发展现状2.1 MEMS历史费曼提出“There is plenty of room at the bottom”观点后几十年,人们都没有意识到它的重要性。直到微马达的出现才引起了人

8、们的重视。1987年,美国UC Berkeley 大学发明了基于表面牺牲层技术的微马达,引起国际学术界的轰动,人们看到了电路与执行部件集成制作的可能性,这是MEMS技术的开端。1988年,美国的一批著名科学家提出“小机器、大机遇”,并呼吁:美国应当在这一重大领域发展中走在世界的前列。1993年,美国ADI公司采用该技术成功地将微型加速度计商品化,并大批量应用于汽车防撞气囊,标志着MEMS技术商品化的开端。20世纪90年代,发达国家先后投巨资并设立国家重大项目促进其发展。此后,MEMS技术发展迅速,特别是深槽刻蚀技术出现后,围绕该技术发展了多种新型加工工艺。最近,美国朗讯公司开发的基于MEMS光

9、开关的路由器已经试用,预示着MEMS发展又一高潮的来临。目前部分器件已经实现了产业化,如微型加速度计、微型压力传感器、数字微镜器件(DMD、喷墨打印机的微喷嘴、生物芯片等,并且应用领域十分广泛。近年来国际上MEMS的专利数正呈指数规律增长,说明MEMS技术全面发展和产业快速起步的阶段已经到来。图2展示了MEMS发展历史上一些重要的时刻【6】 图2 MEMS发展历史2.2 MEMS发展现状2.2.1 国外概况回顾MEMS发展进程,国外发展MEMS的特点有如下4个方面【7】:A国家高度重视。在初期,政府行为起主导作用,如1992年“美国国家关键技术计划”把“微米级和纳米级制造”列为“在经济繁荣和国

10、防安全两方面都至关重要的技术”。美国国家自然基金会(NSF把微米/纳米列为优先支持的项目。美国国防部先进研究计划署(DARPA制定的微米/纳米和微系统发展计划,对“采用与制造微电子器件相同的工艺和材料,充分发挥小型化、多元化和集成微电子技术的优势,设计和制造新型机电装置”给予了高度的重视。日本早在1991年开始启动了2.5亿美元的大型研究计划“微机械十年计划”。B企业介入、市场牵引。在MEMS发展初期,美国就重视牵引研究主体大学与企业的结合。例如在MEMS的重点研究单位UC Berkeley成立的BSAC(Berkeley Sensor and Actuator Center就由多所大学和企业

11、组成。ADI公司看到了微型加速度计在汽车领域应用的巨大前景,通过引入表面牺牲层技术并加以改造,使微型加速度计的商品化获得巨大成功。C重点领域明确。美国在发展初期确定军事应用为其主要方向,侧重以惯性器件为代表的MEMS传感器的研究;日本重点发展进入工业狭窄空间的微机器人、进入人体狭窄空间的医疗微系统和微型工厂。欧洲则重点发展TAS(Micro Total Analysis System,全微分析系统或LOC(Lab on Chip,芯片实验室。D重视基础技术的建设。十分重视设计、材料、加工、封装、测试等技术的发展。美国除在研究单位建立独立的加工实验室外,还特别建立了专门为研究服务的加工基地,如M

12、CNC、SANDIA国家实验室等。德国也建立了BOSCH实验室。2.2.2 国内概况我国MEMS的研究始于20世纪90年代初,起步并不晚,在“八五”、“九五”期间得到了科技部、教育部、中国科学院、国家自然科学基金委和原国防科工委的支持。经过10年的发展,我国在多种微型传感器、微型执行器和若干微系统样机等方面已有一定的基础和技术储备,初步形成了几个MEMS研究力量比较集中的地区。包括京津地区,如清华大学、北京大学、中科院电子所、信息产业部电子13所、南开大学等;华东地区,如中科院上海冶金所、上海交通大学、复旦大学、上海大学、东南大学、浙江大学、中国科技大学、厦门大学等;东北地区,如信息产业部电子

13、49所、哈尔滨工业大学、中科院长春光机所、大连理工大学、沈阳仪器仪表工艺研究所等;西南地区,如重庆大学,信息产业部电子24所、44所和26所等;西北地区,如西安交通大学、航空618所、航天771所等。这些因地域而组成的研究集群,已形成彼此协作、互为补充的关系,为我国的MEMS研究打下了良好的基础。在科研能力积累上,1996年建设的微米/纳米加工技术国家级重点实验室,使我国的MEMS加工技术研究得到较大提高,实验室购置了当时国际上最先进的MEMS 加工关键设备,如STS深槽刻蚀机、Karlsuss双面光刻机/键合对准机、可用于硅/玻璃静电键合和硅/硅预键合的Karlsuss键合机、LPCVD、压

14、塑机等,连同配套的IC设备,如溅射台、扩散炉、RIE刻蚀机、PECVD、光刻机等设备,初步构成了具有国际先进水平的MEMS加工线。这些设备结合一些分散于各研究机构的微电子工艺线和微加工设备,组成了目前我国的MEMS加工技术基础。在上述设备的基础上,已开发出具有一定水平的MEMS加工技术。其中北京大学所属微米/纳米加工技术重点实验室分部开发出4种MEMS全套加工工艺和多种先进的单项工艺,已制备出加速度计样品,并已开始为国内研究MEMS的单位提供加工服务。上海交通大学所属微米/纳米加工技术重点实验室分部可以提供非硅材料的微加工服务,如LIGA技术制作高深宽比微结构的基本加工技术,紫外深度光刻、高深

15、宽比微电铸和模铸加工,功能材料薄膜制备等。电子部13所研究的融硅工艺也取得了较大进展,已制备出微型加速度计和微型陀螺样品。经过近20年的发展,我国已在微型惯性器件和惯性测量组合、机械量微型传感器和制动器、微流量器件和系统、生物传感器和生物芯片、微型机器人和微操作系统、硅和非硅制造工艺等方面取得一定成果。现有的技术条件已初步形成MEMS设计、加工、封装、测试的一条龙体系,为保证我国MEMS技术的进一步发展提供了较好的平台。但是,由于历史原因造成的条块分割、力量分散,再加上投入严重不足,尽管已有不少成果,但在质量、性能价格比及商品化等方面与国外差距还很大。3、MEMS研究内容MEMS系统主要包括微

16、型传感器、微执行器和相应的处理电路三部分。作为输入信号的自然界各种信息,首先通过传感器转换成电信号,经过信号处理单元后(包括A/D、D/A转换,再通过微执行器对外部世界发生作用。下图给出了MEMS系统与外界相互作用的示意图【8】。 图3 MEMS系统与外界相互作用图MEMS研究的内容极为广泛。其关键技术有设计技术、材料、制作工艺和测试技术。(一设计技术MEMS产品设计包括系统、器件、电路和封装等设计。MEMS器件的设计需要综合多学科理论分析,这大大增加了设计参数选择的难度,常规分析计算已无法满足设计需要。计算机技术的进步使得CAD技术在MEMS 器件设计中得到广泛的应用,采用CAD能设计出具有

17、低成本、高性能、更为复杂的新型系统。2D和3D计算机绘图技术的发展能够对复杂的MEMS结构及版图进行计算机设计,有限元分析技术的应用可以用精确的计算机数值求解方法来分析和预测器件的性能,对器件的静态、准静态和动态模拟成为可能,从而使我们能够对MEMS 器件的结构和工艺进行计算机模拟和设计优化。(二材料MEMS应用的材料主要有三种:单晶硅和多晶硅,压电材料和其他类型合成材料。(1硅材料:硅的机械性能好,硅的强度、硬度和杨氏模量与铁相当,密度类似铝,热传导性接近钼和钨。19世纪60年代,MEMS刚出现时,IC工业应用的半导体材料只有单晶硅衬底和多晶硅薄膜两种材料。(2压电材料:开发研究表明,压电材

18、料是制作MEMS的良好材料。MEMS 材料的一个明显的变化是用单晶石英取代硅。石英也是一种高性能的晶体,虽然批量生产不如硅,但可以进行定向腐蚀,已用于制造压力传感器、加速度计和陀螺。(3合成材料:最近几年材料结构的控制技术发展很快,在未来阶段,MEMS 应用的新材料包括化合物材料、高温超导材料、磁阻材料、铁电材料、热点材料以及许多其他功能材料。这些材料是专门为MEMS传感器研究和开发的。(三制作工艺微机械加工技术是制作微传感器、微执行器和微电子机械系统的关键技术。微机械加工工艺分为硅基加工和非硅基加工。硅基加工技术比较成熟,硅的力学性能较好,适合做微型机械。硅基工艺包括表面加工(牺牲层技术、体

19、加工(各向异性刻蚀技术、SPB(硅直接键合、LIGA和准LIGA加工;非硅基加工包括微电火花加工、微电铸、激光加工、STM和AFM等。MEMS技术首先是在微电子平面加工工艺基础上发展起来的,又先后有了深反应离子刻蚀(DRIE、LIGA和准分子激光等多种工艺创新。这些工艺相互补充,各有所长。目前已经面市的一代MEMS产品具有一个关键特征:简单、易于大规模生产、价格便宜、适合于用硅平面工艺加工。硅熔合键合与深反应离子刻蚀相结合是把“表面”微机械加工与传统的“体”微机械加工的优点结合起来,即把一般集成电路制造工艺的设计灵活性与兼容性和体工艺的坚固性和三维成型能力结合起来。深反应离子刻蚀DRIE 采用

20、氯和氟为基础的等离子体(如用射频功率驱动刻蚀出近似垂直壁面的深层结构。目前已经能刻蚀出200m 的深度。(四测试技术MEMS 的封装和测试占重要地位。建立在微电子基础上的MEMS 产品的生产工艺应该是比较成熟和可靠的,伴随着CAD 和生产工艺要求的不断提高,提高测试和封装的水平和手段才能确保产品的高性能、高可靠性、降低生产成本。4、MEMS 器件举例-悬浮微器件的结构及工作原理4.1 器件介绍随着人们对纳米材料的兴趣越来越浓烈,尤其是碳纳米管和石墨烯的发现,导致了对纳米材料大量的研究工作。然而这些工作很多集中在理论上,实验上的研究相当有限。原因在于传统的实验方法几乎不可能测量这种小尺寸微/纳米

21、尺度的物理性质。介于此,伯克利大学的相关研究人员设计了一套实验设备用来测量这种纳米材料尤其是一维纳米线的物理性质。利用这套装置可以用来测量一维纳米线的热导率、Seeback 系数和电导率,测量结果和先期理论符合得很好。这套器件后来经过很多学者的改进,目前已经成为一种常用的设备用来测量一维纳米线的相关物理性质。4.2 器件的结构和加工工序这里我们介绍2003年Li Shi 发表在杂志Jour of Heat Transfer 上论文 【9】介绍的悬浮微器件,如图4所示: 图4悬浮微器件扫描电子显微图图4是该悬浮微器件的扫描电子图像。从图中我们可以看出这是一个悬浮结构,包括两个14 m X25m

22、低应力x SiN 薄膜,薄膜由五根0.5m 厚,420m 长以及2m 宽的x SiN 梁支撑。在每个薄膜表面上都有30nm 厚、300nm 宽的铂阻器(PRT。PRT 通过位于梁表面1.8m 宽的铂连接到200m X200m 的铂板上。另外在薄膜上还有1.8m 宽的铂电极,提供对样品的电接触。4.3 器件的生产工艺根据文中叙述,该装置可以批量生产。在一片100mm 直径的wafer 上可以生产2000个密集排布的悬浮微装置。具体的微制造工艺如下:SiNx SiPt LTO (低温SiO2 Photoresist射频溅射 低压化学气相沉积 I-line 圆片分档器 活性离子刻蚀溅射刻蚀 活性离子

23、刻蚀(a (b (c (d (e (f (g (h (i图5 悬浮微装置制造工艺步骤生产工艺如图5所示:首先在100mm 的wafer 上用低压化学气象沉积法(LPCVD 沉积一层厚度为0.5m 的低应力x SiN 薄膜如图5(a 所示;接着30nm 厚的铂薄膜通过射频溅射法沉积到x SiN 薄膜上。类似地,用LPCVD 在铂膜上沉积一层300nm 厚的低温二氧化硅(LTO ;然后沉积光刻胶(photoresist,接着用活性离子刻蚀LTO 层,将photoresist 层的图案转移到LTO 层,然后以LTO 层为掩膜刻蚀铂层如图5(f ,photoresist 和LTO 剥除后如图5(g ;

24、接着再沉积photoresist ,以其为掩膜刻蚀 薄膜,最后刻蚀掉基底硅形成需要的悬浮微器件如图5(i 所示。4.4 器件的工作原理图6 样品热导测量原理图图6是测量样品热导实验原理图。整个实验装置工作时需要放置在低温真空环境中(压力需要小于1X10-5Torr 。上述悬浮微器件的两个薄膜一个是加热薄膜、另一个是感应薄膜。实验时,从一根梁上Pt 线通入直流电流I (有两根梁有电流I ,如图羟化四甲基铵(i微/纳机电系统建模与仿真报告 6 所示。这样就会在加热 PRT 上产生 Qh = I 2 Rh 的热量， Rh 是 PRT 的热阻；通有电流 的两根梁上每根梁产生 QL = I 2 RL ，

25、RL 是梁上 Pt 线的热阻。 由图 6 可以看出， 有 Q2 的 能量通过样品从加热薄膜流向感应薄膜。根据电阻图我们可以画出相应的热阻图，如 图 6 下部所示。据此我们得到如下方程： （1） Q2 = Gb (Ts - T0 ) = Gs (Th - Ts ) 式中 Gb = 5kl A / L 是五根梁的热导，k l 、A 和 L 分别是梁的热导率、 横截面积和长度； -1 Gs = Gn + Gc-1 ( ) -1 是样品的热导，其中 Gc 是接触热导，Gn = k n An / Ln 是样品本身的热 导， 横截面积和长度 （两个薄膜之间部分的长度） ， k n 、An 和 Ln 分别是

26、样品的热导率、 在实际工艺中一般会使得接触热阻 Gc 很大，这样 Gs 就是 Gn 即样品本身的热导。根据 式（1）只要测到 Gb 就可计算得到 Gs 即 Gn 。 在分析中，考虑一维热传导就可以得到梁中的温度分布：两根通有电流的梁中有 一个抛物线的温度分布；其他八根梁中是线性温度分布。所以说通过两根梁流向环境 的能量为 （2） Qh,2 = 2(Gb DTh / 5 + QL / 2) 加热薄膜上的其他三根梁流向环境的热量为 Gh,3 = 3Gb DTh / 5 感应薄膜通过五根梁流向环境的热量为 Qs,5 = Gb DTs （3） （4） 式（2）和式（3）中的 DTh = Th - T0

27、 ，式（4）中的 DTs = Ts - T0 。根据能量守恒，在 稳定时通入电流系统产生的能量和系统流向环境的能量相等得 （5） Qh,2 + Qh,3 + Qs,5 = Qh + 2QL 从（5）式我们可以化简得到 Gb = 和 Qh + QL DTh + DTs （6a） DTs （6b） DTh - DTs 式（6）中 Qh 和 QL 很容易从电流和电压得到。关键是求 DTh 和 DTs ，这可以根据 PRT 的温阻度系数以及电阻的该变量得到，计算公式如下： DRs (I ) DTs (I ) = ; DRs (I ) Rs (I ) - Rs (I = 0 ) （7） dRs (I =

28、 0 ) dT DRh (I ) DTh (I ) = ; DRh (I ) Rh (I ) - Rh (I = 0) （8） dRh (I = 0) 3 dT 式中 I=0 物理意思表示左侧没有通电流。到此就可以得到样品本身热导 Gn 。 最后需要提一点：在计算过程中忽略了热辐射，因为热辐射所在比重很小。 Gs = Gb 5、MEMS 的应用与未来 近几年来，MEMS 器件正在加速向具有信号处理功能的微传感器芯片，以及能 9 微/纳机电系统建模与仿真报告 够完成独立功能的“片上系统” (微系统 方向发展。近年来，国外一些著名厂商将 MEMS 技术推广应用到光电领域，研制成功微型光电子系统，进

29、一步拓展了 MEMS 技术的应用领域。Agere 公司日前新推出业界首款三维手持 MEMS 系统 【10】 ，该系 统由微镜像章动开关和驱动器芯片等一系列器件构成，集光、电、微机械和微封装技 术于一体，其优势是能够简化交换设备和交叉连接等光纤联网系统的设计和制造，大 大加快全光网技术和设备的发展步伐。TI 公司为高清晰度显示设备而研制的数字光 处理器件(DLP也属于一种 MEMS 系统 【11】 ，这款产品的核心是一种数字微镜器件 (DMD光半导体芯片。由于 DLP 技术不断实现的商业化，该技术的应用也越来越广 泛，目前，全球已经有将近 40 家著名的 TV 和放映设备厂商开始采用 DLP 子

30、系统。 LG 公司也在韩国电子展览会上展示了一款采用 DLP 子系统的 52 英寸彩电 (1 英寸=2. 54 cm。美国也在日前推出一款集成了振动传感器和控制电路的 MEMS 芯片，这款 新产品采用先进的半导体工艺制造，适用于家电、汽车安全气囊和游戏机等产品。在 游戏机中，MEMS 芯片组成的器件可以取代游戏机中的操作杆或者按键，用户只需 改变这种器件的位置，即可随心所欲地控制整个游戏过程，获得更佳的享受。微传感 器最热门的趋势之一是“片上系统”构想，也就是说要制成微系统，而不仅仅是微传 感器，这种研究工作大多是在许多大学里进行的，例如:位于俄亥俄州克利夫兰市的 CaseWestern Re

31、serve 大学，在研究开发集成 MEMS 流体处理系统方面，包括应用于 分析仪器中的新型微阀门和微量泵等方面，已取得一些研究成果 【12】 。美国加州的 斯坦福大学，在研究开发 MEMS 技术和器件方面成绩斐然 【13】 。该校与位于帕萨 迪纳市的加州理工学院协作，研究开发脑细胞组织探针，并已证实 MEMS 器件具有 再生某些神经细胞组织能力。另外，作为片上微仪器研究开发的重点内容之一，斯坦 福大学证实，MEMS 技术可以用于光刻工艺中。光刻的片上 MEMS 仪器可能已经不 是遥远的事了， 斯坦福大学与位于加州米尔皮塔斯市的 Lu-casNova-Sensor 公司联手， 一直在研究开发新微

32、机械加工技术深度活性离子刻蚀 (DRIE。这种技术将可能实 现对硅作深度达 200 m m ，并接近理想状态的垂直墙、窄沟道及孔的刻蚀，而且，可 以保持高精度和较大的纵横尺寸比。这项技术成果将促进 MEMS 技术在生物医学领 域的进一步应用。 MEMS 未来可能的一些方向： 1、MEMS 与无线通信领域 在无线通信终端领域，对微型化、高性能和低成本的追求使大家普遍期待能将各 种功能单元集成在一个单一芯片上，即实现 SOC(System On a Chip，而通信工程中 大量射频技术的采用使诸如谐振器， 滤波器、 耦合器等片外分离单元大量存在。 MEMS 技术不仅可以克服这些障碍，而且表现出比传统的通信元件具有更优越的内在性能。 日前，IBM 公司采用 MEMS 技术已经开发出了能够用在手机等无线装置上的微 型嵌入式频率调谐器和其他设备。 2、MEMS 与微波射频技术 （1）MIC：microwave integrated circuits（微波集