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1、MEMS习题131分析讲解学习1.解释微系统技术与微电子技术的差异微电了微系统（硅底）梗用单晶硅片、菇化合如 mu使用单品昨片和一些耳他材料例如GaAs,仃英、 聚合物段金属砖枪电流u实现特定的电路功能可以实现毎种的生物.化学、机电和光学功腿冏定的结构可能包抵活动部件主要为二维结构亘朵的三錐结构基底上高密度的貝朵图形基底上的简怕囲形少量兀件装配零元件装配集成电路芯片被完全保护，避免外界接触榜感曙芯片与接触媒介有接口成熟的卑成电路设计右法学缺乏丄程设计方法学和标准久星的导电通孔和引线少量导电通孔和引线有工业标准没有工业标准大批量主严批量生产或订单生产加L技术已经验证并規迟嵌文许务融电子加工技术可

2、用于生产制适技术已经验证井规定成文独特的制适技术建立了相当完善的热装技术封装技术尚处F萌坪时朋12建议列表格进行比较，优先写标红部分。2.比较MEMS封装与IC封装的不同MEMSIC复杂的=维结构主要为二维结构含有活动部件或液休固定的薄固休结构希要将微结构同徹电子集成不希耍这种集成需接独工作介质井处于惡劣通过包装与工作介质相隔离环境下涉及多种不同材料只涉及少数几种材料很多元件需组装少数元件需要组装主要采用人工进行組装具有自动化的组装技术封装技术处于起步阶段成热的封装技术3.介绍BioMEMS的分类及其典型结构的工作原理1） 用于识别和测量生物物质的生物传感器2） 生物仪器及外科手术工具3） 生

3、物测试诊断系统 典型结构：生物医学传感器工作原理：生物物质可与传感器内部的某些元素化学反应释放出某些元素, 这些元素可以改变传感器中的电流模式。参考例图（根据时间决定画不画）：测抗匍萄糖儈垃的工物医学传感器Pt electrodeRoviryi aicohorsutorBlood sannple-个钳薄电极* -个薄的Ag/AgClS膜对血液输入+聚乙烯酒耕溶液（含0葡蔔糖+02*怖蔔糖酸内酯酶+H2O2H2O2可被钳电极匕的电压电解，形成并被电扱吸引通过测畐两电极之间的电流閒可知葡萄糖禽量生物传感器工作原理：基于待检测分析物与生物分子 （如酶、抗体或其他形式的蛋白等 ）的相互作用。参考例图（

4、根据时间决定画不画）：Oput .SirMhW IEBiomalecuk Ls er r生物传感器惊理框图Bioinclecule SupplyClieiBim*OptiuliI lit mt IHrwnunfLkcfrochnikfllISt LI Ion SttuHih亡Hdd Eflcct Imnsduccr生物分子层（可根据测试冃的选择）作为传感器单元输入被分析物生物分子层吸附被分析物内的某些特定元素它们之间的相互作用将影响传感器输出信号4.介绍微型电动机的工作原理，介绍微型加速度计的典型配置及其工作原 理1微型电动机的工作原理：运动方向固定电极ABCDWW介电材料WW+W/3可动电极

5、 % ZA% BCD如图所示，对 A组电极施加电压，在电场的作用下， A与A发生相对运动，使得A与A对齐，但引起了 B与B的错位；接着给 B组电极施加电压，B与B 发生相对运动，使得 B与B 对齐，但引起了 C与C的错位；继续给 C组电极施加 电压，C与C发生相对运动，使得 C与C对齐，但引起了 D与D的错位。如此 反复，可动电极就能想着一个方向不断运动。电极间错开的距离越短，电极数越 多，运动就越平稳。除了直线电动机，还可以通过类似的方法做出旋转电动机。2）微型加速计的典型配置及工作原理典型配置：质量振子、弹簧和阻尼器质量Y 振子1 -3弹簧阻尼器振动基体 工作原理：器件加速运动时，使得基体

6、和弹簧同时加速运动，质量振子为了 平衡，也需要弹簧提供一惯性力，从而使得弹簧拉伸 （压缩）。通过测量弹簧力的大小，或弹簧引起的变形的大小，或由质量振子和固定基体组成的电容器电容的 大小，来测量加速度的大小。阻尼器的作用是减弱弹簧的简谐运动，使质量振子 快速稳定，从而快速获得测量值。MEMS中常用的加速度计有悬梁式加速度计和平衡力式加速度计。悬梁式加 速度计中，悬臂梁充当弹簧，质量块为质量振子，腔内流体充当阻尼器，通过测 量悬臂梁上的压敏电阻值计算加速度。平衡力式加速度计中薄梁为质量振子，弹 簧铰链为弹簧，周围流体为阻尼器，通过测量差动电容计算加速度。5.解释硅被优先选择作为MEMS衬底材料的原

7、因。1） 可以被集成到硅衬底的电子器件上2） 力学性能稳定，是理想的结构材料，拥有较高的杨氏模量和较小的密度3） 高温下的尺寸稳定性4） 热膨胀系数小5） 没有机械迟滞，硅晶面平整6） 材料来源广泛，成本较低7） 设计、制造更灵活，处理、制作工艺成熟6.MEMS材料中压电晶体材料、聚合物类材料各自特点及应用；如何使聚 合物导电？1） 压电晶体材料：特点：拥有压电效应（受到压力变形时， 能在上线表面产生电压） 和逆压电效 应（在上下表面施加电压，材料能产生一变形）；通常为固体陶瓷材料应用：MEMS中的执行器、压电微泵、打印机墨盒、双压电微风扇2） 聚合物材料：特点：重量轻、成本低、熔点低、电导率

8、差（一般为绝缘体）、处理工艺简单、耐蚀性好、形状稳定性高应用：光阻聚合物用于生产掩模和 LIGA技术中MEMS的初模；铁电聚合物用于MEMS中的执行器；聚合物还用作介电材料、电磁屏蔽材料、封装材料和有 机衬底3）使聚合物材料导电的方法：热解；掺入过渡金属原子；加入导电纤维7.介绍化学气相沉积的工作原理1） 携带扩散反应物的气体流过热表面2） 表面温度提供的能量引起气体中反应物的化学反应3） 反应中和反应后形成薄膜4） 化学反应的副产品由出口排除。水平反应器垂直反应器& 比较干法腐蚀和湿法腐蚀的不同之处1 参数干法腐蚀银法腐怏 方冋性对梦数材料好仅对单晶材料（深宽比高达100）生产自动臃度好差环

9、境詠捕膜层粘附性能不是关键丙素林关镇孵比差非常好待隔蚀荷料仅特定材料所有 I工艺規模扩大困难容易 I请洁度有条件清洁好至归濤好|&界尺寸控制非常好(cCM urn差装羞成本昂贵较昂贵典型腐蚀速率11(0.1 um/minjij抉 (6um/min)快 1 um/mintLt)很少腐越速剌空制在缓慢腐罰好困难9.等离子体在微加工中的作用1） 等离子刻蚀2） 离子注入3） 薄膜沉积10.叙述体硅微制造、表面微加工和 LIGA工艺的特点及其优缺点 体硅微制造特点：缺点：材料损失大；仅限于低深宽比的几何形状，即表面尺寸远大于深度尺寸 优点：简单，是一个成熟的工艺过程；生产成本低；适合简单形状的制造；

10、表面微加工特点：缺点：需要在基底上构造材料层；需要复杂的掩模设计及生产；必须要腐蚀掉牺牲层；工艺过程耗时多，成本大；有界面应力和粘连等工程问题优点：需要在基底上构造材料层；不受硅晶片厚度的限制；薄膜材料的选择范围大；适合于复杂的形状LIGA工艺的特点：缺点：所有工艺中花费最多的工艺；X射线光刻需要用到一种特殊的同步加速器辐射设备 ； 需要研制微注入压模技术及进行大批量生产的设备 优点：微结构的深宽比不受限制；柔性的微结构和几何形状；是三种技术中唯一可生产金属微结构的工艺；在制备注入压模的情况下，是三种制造工艺中最适合批量生产的11.表面微加工由几个的组成部件组成？对于表面微加工过程主要存在哪

11、些力学问题，分别阐述其原因组成部分：生成绝缘层淀积材料SlUwn Subvtrtf* 5显影并去除多余光刻胶1 1Silicon Subst re6刻蚀暴露的材料Silicon Subft7去除残留光刻胶力学问题：1层间的粘附Peeling offSevering along the tnterTce by shear层间粘结力不够2界面应力At 1000C:AtDuring oxidation by CVDAfter oxidation衬底与淀积材料热膨胀系数不匹配12.分析表面微加工中防止粘连产生的原因.防止粘连的主要方法主要有哪 三类？原因：一旦产生，接难以分离。方法S3-7防止粘连的方

12、法种 类方 准基本更理机械结 构支承井列的支承凸点沉稅结构忌前在牺牲层上刻恤一些坑*沉积的姑构层就会在抗 戒向下的爽起，在干燥时支承结构侧壁月牙结构支承防止悬臂梁变形临时增强檢释放结构增加刚度防止最臂梁蛮捲改进释 放方法二械化碳爵界释放将清洗薇临界变为气体.防止岀现滝体-气休相变气体HF释放HF气体腐蚀猶牲层*避免表翫犧力.價是释故速度很慢光刻胶支承释放有机溶就置换晴洗補駁人光刻腔中，再用等离子刻蚀固化的光刻艮冷拣升华注液休和结构同时冷冻然后在盛空中升华防止出现液体气休相变械小表面张力表面粗糙处理尊离子体轰击等方法使裘向粗糙+减小实际接触面积表面厌水处理 1用NH|F移被赴理.得到就总瘦盖的废

13、水性表面.降低E细现象 : .表面槻膜社理表面黴盖，层低我面能的厌水薄降低尼细现象和蛊面张力13.介绍LIGA工艺过程，在LIGA工艺过程中为什么电铸是必要的？ LIGA对光刻胶有什么要求LIGA包括三个工艺过程：深层同步辐射 X射线光刻电镀成形注塑UMdmvrlUnMnfiEKl/irttarta网 MprlWn使用电铸将微结构内部填充，将聚合物取出后就可得到金属的微结构， 并以此为模子可进行下一步的注塑。光刻胶选取：近年来选用高灵敏度的 SU-8，曝光时间短，适用于大尺度 加工。对电子束敏感，与衬底材料附着性能好。14.描述DRIE工艺并分析DRIE如何获得近乎完美垂直腐蚀结构DRIE在腐

14、蚀过程可以在侧壁生成几毫米厚保护掩模；采用高浓度等离子体源，使基底材料等离子刻蚀过程与侧壁上腐蚀保护 材料沉积过程交替进行。DIRE延伸了体硅微制造，获得高深宽比，并且腔壁完全垂直。15.比较体硅微制造与表面微加工工艺技术的异同点。体硅微加工是指对晶体或非晶体的体块材料进行腐蚀，得到三维形貌。 表面微加工是指在衬底上逐层累积与刻蚀，从而形成结构。表面微加工尺寸上一般远小于由体硅微加工获得的器件。共同的工艺技术：光刻、氧化、扩散、离子注入， LPCVD、PECVD、等离子刻蚀、多晶硅的使用、溅射、蒸发、电镀工艺技术区别：体硅微加工中采用了各向异性腐蚀、键合技术、腐蚀停 止层、双面工艺、电化学腐蚀

15、；表面微加工采用干法刻蚀实现图形化、各向同性腐蚀进行结构释放。16.MEMS微系统封装主要难点微系统有三维结构； 每层结构由不同材料成； 系统中含有流体或受环境排斥物质；对需要直接与外部环境作用才能实现功能的 MEMS器件，封装结构要 实现保护及信号连接的作用。17.键合技术主要应用领域，微系统元件键合的难点 应用领域：（1） 基片之间的键合：硅晶片键合到硅晶片、硅晶片键合到由玻璃、石 英、蓝宝石、陶瓷和金属材料制成的承载晶片上（2） 微元件固定到承载基片上：硅模片固定到由玻璃或者陶瓷制成的基 板上（3） 微器件上转换器的输入输出引线以及导电线的连接 微系统元件键合难点：（1）表面之间的紧密结

16、合(2)温度18.介绍粘合剂键合、共晶键合特点及工艺过程检测和控制要求(1)特点键合方法温度密封性可靠性环氧树脂(粘 合剂)键合低不好不确定共晶键合中好不确定(2)工艺过程检测和控制要求 a粘合剂键和过程检测 过程温度控制： 温度影响粘性 温度过高，流动性好，污染表面 接触力过小，晶片与黏合剂接触不好，强度不高；环氧树脂键合过程失效的接触力变化范围较大，对测力的 精确性以及重复性必须检测污染污染导致键合性变差，造成电阻增加或者导电性能下降 污染可能是由于环氧树脂过期或者清洗不足b共晶键合过程检测 过程温度控制低于共晶点，长时间保温，键合结点颗粒状； 温度过高，热冲击、浸润不足接触力过大，不满足

17、共晶键合所要求的清洗过程过小，器件位置不平整，导致电路性能和机械可靠性变差 清洗不充分清洗，影响共晶键合形成；过量清洗，共晶键合变薄，电路性能变差，机械性能变差 空气条件氧气过多，氧化、妨碍润湿。N2调节空气成分，压力、速度、喷嘴位置 污染无机污染物，Ar等离子气；有机，氧等离子或者化学溶液 加工时间增加键合时间，导致Au过度溶解，接头性能下降19.介绍局部加热键合的主要方法，采用激光进行局部加热键合有何显著优 点？主要方法：金硅共晶键合，硅 -玻璃熔化键合，局部焊接键合，局部 CVD 键 合，局部激光辅助键和。激光进行局部加热键合的优点： 反应时间和温度可控 非接触式过程不同材料可以使用不同

18、波长的激光 加工复杂图形的能力和用户选择性20.介绍三种导线键合方法和特点，对导线键合过程控制检测要求有哪些 热压：引线键合在机械压力和大约 400C的温度下完成键和过程为，加 热引线形球，用毛细管状（热压头？ ppt 上是那么写的）的工具将球压倒焊 盘上，施加机械压力在球键合到焊盘上之后移走毛细管状的工具 楔形-楔形超声键合：室温下的键合能亮是由 20-60khz 的超声震动提供。 热压超声：是使用超声的热压键合，键和温度为100-150C,键合形状为 球形-楔形或者是楔形 -楔形导线键合键合过程检测过程温度控制超声波键合：室温；超声焊接：125175C；热压键合：250300 C； 工具温

19、度超声波及热声键合：室温； 热压键合： 300 400 C；键合力过度键合：键合节点弱化 键合不足：键合材料形变不够，难以焊接过程时间 过短，无法完成键合；过长：超声损坏焊点超声波耦合 调整超声波发生器的输出电压调整超声能量；静态和动态下谐振频率和阻抗的偏差；固定传感器的晶体堆键合表面金属化 薄而硬键合表面需要更大的超声波能量和接触力，较大 的键合表面；截尾时需要小的接触压力； 厚而软的键合表面需较小的超声波能量和接触力，较小 键和表面；截尾时要更大的接触压力。键合表面污染：湿法清洗、等离子清洗 有机：氧或者氢等离子清洗或化学刻蚀； 无机：氩等离子体清洗 热压键合受表面污染的影响最大；热声受污

20、染影响最小键合材料属性（纯度、硬度延展性） 硬度大，需要大的接触力，高的温度，大的超声能量； 延展性引起截断时段点发生变化21.为何对于 MEMS 器件制造，密封工序是要重点考虑的对象？按照材料 分类，密封分为哪两类，各有何特点？MEMS 密封的必要性 : 防化学污染、湿气腐蚀、盐雾污染、来自生物体污染、空气污染； 防止机械破坏。密封材料：有机材料、无机材料有机材料经济、耐久性不够，性能受所用聚合物树脂渗透性控制； 无机密封相对长久、且是气密的，甚至实现真空封装，成本高。22.集成密封过程的主要优点、步骤。集成密封过程的主要优点：晶片切割和处理工序之前，可以对机械元件 进行原位密封，避免受到污

21、染。集成密封过程的步骤：1采用微细加工技术制作器件和起间隔作用的牺牲层；2沉积牺牲层并形成图形，之后是封装盖层的沉积和图形制作过程， 从而形成具有刻蚀通道和空腔的密封外壳。3去除牺牲层4沉积密封通道和空腔微机械结构.牺牲层 硅基底(a)微结构与牺拄层释放孔通道 牺牲层封装外壳(b)多牺牲层与密封外壳牺牲层去除(c)去除牺牲层密封释放孔和逋道山密封通道和空腔23.使用中间层进行晶片键合其工艺过程的主要特征。使用中间层进行晶片键合的主要步骤。主要特征：广泛用于陶瓷工业，形成金属与金属之间或者金属与陶瓷之间的键合， 包含如下特征融合或熔化两种材料形成一个稳定的、易于键合的中间成分扩散作用。被挤压的链

22、接部分被加热到材料熔点 70%的温度，从而 在界面上形成一个稳定的中间层材料焊接过程。将填充材料放入待连接的两个部件之间，并在加热作用 下形成稳定的中间层材料键合过程中，中间层可能流入并填充两个键合面之间的缝隙，从而对粗 糙度的要求没有晶片直接键合高主要步骤：1制作密封盖和器件在密封盖晶片上制作4微米厚多晶硅薄膜；可断裂连接链由金/多晶硅材料制作成；金焊接头分布在密封盖的边缘2热压键合采用热压键合，金焊接头被焊到硅基底的密封环上3连接链分离| 晶片盖 金焊接头丄-也 占、可断裂连接链 薄膜器件晶片MEMS器件 密封环连接轻断裂0(a)制作密封澄和器件24.判断真空密封好坏的依据。阳极键合工艺与

23、局部 CVD沉积结合的真空密封步骤。判断真空密封好坏的依据：密封后真空腔的真空度； 真空腔在经过一定时间剩余真空度(泄漏速度)。阳极键合工艺与局部CVD沉积工艺结合的真空密封步骤： 通过KOH湿法刻蚀工艺在硅晶片上形成凹形空腔采用薄膜沉积、光刻和刻蚀形成MEMS结构和互连导线采用化学机械抛光磨平表面将玻璃晶片通过阳极键合连接到硅基底采用CVD工艺对通风孔进行密封Vent _Miaobe 亦 er25微组装过程中微观操作与宏观尺寸操作不同， 具体叙述其特点答：1操作对象肉眼看不见。很难通过肉眼直接观察来进行操作，需借助特 定的显微镜进行。2操作对象重量轻、结构脆弱，易于损毁。因而需要对操作过程中

24、施加 的力要有正确估计，拥有力传感器非常关键。3.操作对象形状复杂，因而操纵的不确定性较多。4.制约微操作过程的物理化学规律与大尺寸情况不同。微操作的力作用 规律不同宏观，重力可以忽略，而黏附力、静电力、范德华力等变得重 要。5.微操作的行为呈多样化，对于操作要求更高。6.用于制造微夹持器的材料呈现多样化。26比较微组装过程中，串行微组装与并行微组装的不同答：微组装分为串行微组装（顺序）与并行微组装（随机），串行微组装中零件是一个 一个装配的；并行微组装中许多相同或不同的零件同时被装配。两者不同：1.装配机理：串行微组装采用微操作机械手或微夹持器进行装配；并行微组装 采用静电力、磁场力、毛细作

25、用力、离心力等进行分布操作。2.信息反馈：串行微组装需显微视觉及微力反馈以实现微小零件的准确定位， 需闭环控制；并行微组装很少需反馈信息，为开环控制。3.组装系统复杂度及效率：串行微组装可装配结构复杂零件，效率低；并行 微组装装配结构简单零件，效率高。4.组装灵活性：串行微组装灵活性比并行高。27.微组装系统设计一般准则及主要流程答：一般准则：1.从系统角度出发设计，涉及机器人、计算机视觉、显微光学、物理 和化学；2.重视封装过程的结合， 采用自对准结构和技术来降低机器人系统的 对准精度要求；3.可重新配置的能力，基于功能分解的模块化设计；主要流程：1.送料2.微夹具、机械手或机器人加持器件3

26、.器件键合和固定，包括引线键合和特殊表面键合4.封装，包括金属、陶瓷、塑料封装以及真空封装5.检测测试，目检结构完整性及性能测试28.简述自动微组装系统的主要组成部分答：显微观测系统、多自由度工作台、微操作及夹持系统、测控系统29.压力传感器封装设计的几个主要步骤答：1.晶片的精密加工：表面涂层、晶片键合、晶圆切片；2.分组组装：芯片键合（表面胶粘、引线键合）；3.芯片或部分区域钝化；4.系统组装；5.系统封装（密封）；6.产品包装。30.简述图示的集成密封工艺过程。锻机械结掏插牲层,硅莘底微结构与牺牲层释族孔通道 牺牲层封装外売山）參牺牲层与密封外壳輛牲层去除（门去除牺牲层密封釋放孔和通道i

27、d）密封通道利空腔答：1.采用微细加工技术制作器件和起间隔作用的牺牲层；2.沉积牺牲层并形成图形，之后是封装盖层的沉积和图形制作过程，从而形 成具有刻蚀通道和空腔的密圭寸外壳；3.去除牺牲层；4.沉积密封通道和空腔31简述图示的体内PH值、C02和02含量传感器的体硅微制造工艺过程Sioxide windowSensor metal electrodeMetal etch.is etched free by a timedA在硅片正面腐蚀形成电化学井。经过氧化后，对背面腐蚀形成用于金属 电极的接入空腔。对过孔的腐蚀停止在由氧化物覆盖的电化学井底部。B硅片第二次氧化。除了悬空的、氧化物无法生长的窗口区域外，所有表 面层厚度增加一倍。C从硅片背面沉积所需电极金属到空腔内，沉积到氧化物窗口。D通过控制氧化物腐蚀去除金属膜上方的氧化物牺牲层，同时保留芯片上 其它部位较厚的氧化层。