第一章 微机电系统(MEMS)概论

Micro-/Optical-Electronics and System on A ChipChances, Challenges and ApplicationsMicro-Electro-Mechanical-System(MEMS)XiangliangJin Ph.Dxiangliangjin@gmail.com& jinxl@xtu.eu.cnStrictly Confidential -Do Not Distribute –Copyright 2011第一章微机电系统（MEMS）概论内容提要9MEMS的基本概念，与宏观机电系统的对比特征9MEMS技术的发展过程与大致技术现状9MEMS典型产品的应用Strictly Confidential -Do Not Distribute –Copyright 201121本章学习要求•理解MEMS的基本概念，明确其与宏观机电系统的对比特征。•了解MEMS技术的发展过程与大致技术现状。•了解MEMS在军事、汽车、医学等重要领域中的应用，特别是一些典型产品。Strictly Confidential -Do Not Distribute –Copyright 20113一、简介󰂋机械与机电系统；宏观机电系统与微机电系统󰂋微机电系统：它是以微传感器、微执行器以及驱动和控制电路为基本元器件组成的、可以活动和控制的、机电合一的微机械装置。󰂋特点：1、学科交叉（力学、机械、电学、光学、电磁学、生物、化学等学科）2、微型化、集成化和智能化；3、低成本批量化；4、应用广泛（军民两用）5、高新技术。󰂋微机电系统的相关术语：MEMS(MicroelectromechanicalSystems)（美国）Micro Machine （日本）Micro System Technology （欧洲）Strictly Confidential -Do Not Distribute –Copyright 201142微机电系统的组成󰂋微机械电子系统(微机电系统)的组成：一般可定义为由微米和纳米加工技术制作而成的，融机、电、光、磁以及其他相关技术群为一体的，可以活动和控制的微工程系统。目前，人们泛称其为MEMS。它是以微传感器、微执行器以及驱动和控制电路为基本元器件组成的、自动化性能高的、可以活动和控制的、机电合一的微机械装置。用它进行的操作是极其微细的，有的操作已经到了单个细胞乃至分子范筹；有的微型敏感元件能敏感到单个原子，能进行原子量级的探测。如此细微的工作状况，用肉眼是不能分辨的，必须借助显微术或专用仪器来观察和控制。Strictly Confidential -Do Not Distribute –Copyright 20115微机电系统的发展状况󰂋微机械电子系统，即微机械技术，是20世纪80年代后期国际上兴起的一项高技术。它以集成电路技术、表面加工技术和纳米精加工技术为基础，具有极大的学科交叉性，微机电系统的设计与制造涉及到设计、材料、制造、测试、控制、能源以及连接等相关技术。与传统机械系统相比，除在尺度上很小外，它还是一种高度智能化和高度集成化的系统。微机电系统的研究是制造技术上的一场革命，在21世纪的机械发展过程中将占有主导地位。微机械技术将是一项新兴的产业，会优先在生物、医疗、航空、航天、电子产品、过程控制及测试技术等领域获得广泛的应用。Strictly Confidential -Do Not Distribute –Copyright 201163集成电路技术的发展Strictly Confidential -Do Not Distribute –Copyright 20117半导体晶体管计算机Strictly Confidential -Do Not Distribute –Copyright 201184上世纪末的微型计算机芯片Strictly Confidential -Do Not Distribute –Copyright 20119Strictly Confidential -Do Not Distribute –Copyright 2011105国外的发展现状（1）󰂋部等投资1.4亿美元进行微机电系统技术研究。在美国：国家自然科学基金、先进研究计划、国防军方资助下，完成了《微电子机械系统的军事应用》研究报告。󰂋通讯、破坏敌方指挥系统及战斗力、研制微型卫星主要研究方向：精密制导武器、灵巧武器、侦察及纳米卫星等。󰂋描隧道显微镜（STM）和原子力显微镜（AFM）的微主要实用化成果：Park公司开发研制出用于扫型传感器；Texas公司开发出用于彩色图像投影显示的数子镜面器件（DMD）；AD公司开发研制的加速度计，管芯尺寸为1.5mm*1.5mm，量程达50g，灵敏度为15mv/g等。±Strictly Confidential -Do Not Distribute –Copyright 201111国外的发展现状（2）󰂋欧共体：成立了NEXUS（多功能微系统研究合作机构）组织；德国制定了微机械系统技术计划（1990～1995投资共40亿马克），20世纪80年代中期发展了一种LIGA（深度同步辐射X射线光刻、电镀和模铸）工艺，深化了平面加工技术，实现了高宽比大于200的三维立体结构的加工制造，被加工材料也扩展为金属、塑料和陶瓷。被公认为是一种最有发展前景的超微细加工方法。󰂋主要研究机构和实用化成果：Karlsruhe核研究中心、微技术研究所（IMM）、Microparts公司等。已开发研制出微传感器、微电机、微执行器、集成光学和微光学元件、微型流量计以及直径为数百微米的金属双联齿轮等。Strictly Confidential -Do Not Distribute –Copyright 2011126国外的发展现状（3）󰂋日本：制定了纳米制造计划（1985～1990年）、埃技术计划（1992～2001年计划投资1.85亿美元）、微机器人计划。计划生产两台微型机器人用于医学诊断（或微型手术）和飞机发动机（或原子能设备）的微小裂纹的维修诊断。现有MEMS研究机构60余个（企业占2／3），1990年成立了微机械中心（MMC）和微机械学会（MST）。每年举办一次MEMS国际研讨会。󰂋主要实用性成果：利用电火花加工技术、IC技术和光成型技术加工出各种传感器和执行器，研制成功主要用于生物和医疗的微型机器人。有三本专著出版。Strictly Confidential -Do Not Distribute –Copyright 201113国内的发展现状󰂋主要研究机构¾华北地区：清华大学、北京大学、中科院电子所、信息产业部13所、华北工学院微米纳米技术研究中心等；¾华东地区：中科院上海冶金所、上海交通大学、复旦大学、东南大学、浙江大学、上海大学、厦门大学等。¾东北地区：信息产业部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。¾西南地区：重庆大学、信息产业部24所、26所、44所等。¾西北地区：西安交通大学、航空618所、航天771所、航天16所等。Strictly Confidential -Do Not Distribute –Copyright 2011147国内的主要研究现状及成果󰂋清华大学广泛开展了多种微型传感器(微加速度计、微陀螺、微磁场计、微压力传感器、微流量传感器、微麦克风等)、微泵、微阀、微喷、微毛细管电泳仪、微光开关、RF-MEMS器件、微光谱仪、DNA芯片等的研究。其中，微加速度汁和微泵正在准备生产；微毛细管电泳仪已经制成样机，可以用于药物分析和环境监测，具有广阔的市场潜力，正在向市场化推进。道的清华大学于2000年6月发射成功进入700km太阳轨“航天清华一号”微小卫星，运行状况良好。其特点是质量轻(50kg)、体积小(0.07 )、研制周期短(约1年)、成本低、功能密度高，体现了我国MEMS技m3术在微小卫星中的应用取得重大突破。Strictly Confidential -Do Not Distribute –Copyright 201115北京大学微电子所󰂋北京大学微电子所以IC加工生产线为基础，开展了体硅工艺和表面工艺研究，已形成了较成熟的工艺技术，研制了硅微高加速度计、微化学传感器等，计划利用2年时间实现微型继电器、可调电容和微光学器件的小批量生产，已经得到环宇－青岛公司的资金投入。Strictly Confidential -Do Not Distribute –Copyright 2011168信息产业部13所󰂋信息产业部13所已经建成体硅加工的小批量制造基地，研制了微加速度计、微陀螺、红外隧穿传感器、微光器件等，在“十五计划”期间，他们将发展重点放在航空航天和信息技术领域，准备开发微小卫星、惯性组件、RF—MEMS器件和光交换设备等。Strictly Confidential -Do Not Distribute –Copyright 201117信息产业部49所󰂋信息产业部49所从20世纪80年代初就开始从事微传感器的相关研究，主要制造不同规格的微压力传感器、气敏／湿敏传感器、流量传感器等，并研制为武器装备配套的微加速度计，争取在2002年实现5000只的规模。Strictly Confidential -Do Not Distribute –Copyright 2011189中国科学院上海冶金所󰂋中国科学院上海冶金所研制了微加速度计、微陀螺、微压力传感器、微红外传感器阵列、微光器件等多种MEMS器件，作为首席专家单位主持973项目“集成微光机电系统”研究，并开展了微小卫星的研究。Strictly Confidential -Do Not Distribute –Copyright 201119沈阳仪器仪表研究所󰂋沈阳仪器仪表研究所生产的OEM微硅压力传感器系列、双向静压过载微差压传感器系列，市场需求量较大，已形成小规模生产能力，计划逐步建成150万只的生产规模。Strictly Confidential -Do Not Distribute –Copyright 20112010信息产业部24所󰂋信息产业部24所主要生产专用模拟集成电路，拥有各种IC生产线，他们从“九五”开始与重庆大学合作进行MEMS的研究，参与了微触觉传感器和生物芯片的生产。Strictly Confidential -Do Not Distribute –Copyright 201121东南大学󰂋东南大学E-life公司，主要开发生产有自主知识产权的东南大学和国际风险投资资金合作成立有DNA分析芯片及其相配套的平台。这种高密度的芯片将被用来建立人口基因档案，为公安等部门服务。基因检测方法，具有速度快、成本低的优点。该芯片及其平台在医院中可以代替传统的目前，E-life公司正在与医院进行联合研究，可望形成较大的产值。东南大学还研制了硅微加速度计和陀螺等。Strictly Confidential -Do Not Distribute –Copyright 20112211华北工学院微米纳米技术研究中心󰂋华北工学院微米纳米技术研究中心主要从事微机械加速度计、微陀螺和微惯性测量组合的应用系统研究，正在开展军用和民用的惯性系统、新型的单兵作战系统以及道路、桥梁的监测系统等方面的工作。Strictly Confidential -Do Not Distribute –Copyright 201123浙江大学󰂋浙江大学研制的纳米碳管、微透镜阵列、蛋白质生物芯片比较成熟，可望投入生产。另外他们也很重视设备的研制，可以向市场提供反应离子束蚀刻机、双元STM纳米检测仪。他们还研制了硅微加速度计、微陀螺、微真空计、微高度计等。Strictly Confidential -Do Not Distribute –Copyright 20112412重庆大学󰂋重庆大学研究了微加速度阵列、光压力传感器、触觉传感器细胞流变学测量仪、微型光谱仪等。Strictly Confidential -Do Not Distribute –Copyright 201125中国科学院电子所󰂋中国科学院电子所开发了微气敏传感器、微波功率传感器、谐振式和真空微电子压力传感器、微pH传感器等。他们的另一个研究重点是微生物传感器和微分析系统，正在研究微芯片PCR扩增仪、CE微型毛细管电泳仪、DNA微型检测仪等。Strictly Confidential -Do Not Distribute –Copyright 20112613中国科学院合肥智能机械研究所󰂋中国科学院合肥智能机械研究所从1989年起就开始进行微机械加工技术研究，以MEMS技术为主要实现手段，以研制生物医学、航天等领域的微型传感器与微型机器人系统为目标，研究微传感器、微执行器与微系统。研究了硅各向异性腐蚀工艺、电化学掺杂选择腐蚀工艺、硅—硅静电键合工艺，研制了硅微力传感器、微结构气敏阵列传感器、集成化硅触觉阵列传感器、微型三维力传感器、表面微加工转速传感器、无线驱动体内微机器人等。目前正在研制爆炸物探测微阵列、微型六维力探针、柔性触觉传感器、能够进入人体的肠胃进行检查的微机器人等微机电系统。Strictly Confidential -Do Not Distribute –Copyright 201127哈尔滨工业大学󰂋主要研究机构航天学院MEMS中心、机器人研究所MEMS研究组、机电工程学院微机电研究室、机械制造及其自动化MEMS研究组等。Strictly Confidential -Do Not Distribute –Copyright 20112814小结：MEMS的形成与发展1、MEMS的形成基础学科交叉的产物机械电子学——机械学、电子学、计算机技术交叉MEMS——机/电/磁/光/声/热/液/气/生/化等多学科交叉与机械电子学的关系•不是简单的提升•基本组成相同Strictly Confidential -Do Not Distribute –Copyright 2011292、MEMS的特点MEMS的内涵•“微”——尺度效应的作用•“机电”——拓展向更多物理量的融合•“系统”——水平、实际应用现状MEMS的特点•以实现新功能、特殊性能为前沿目标特殊性能•微米量级空间里实现机电功能，提升已有性能（包括微型微米量级空间里实现机电功能，化、集成化、高可靠性等）高可靠性等•采用微加工，形成类似IC的批量制造、低成本、低消耗特征Strictly Confidential -Do Not Distribute –Copyright 201130153、MEMS的发展920世纪60年代-，集成电路制造工艺，CD目前已达45nm，在1mm2内有若干个G以上容量的单元电路9体微加工、深槽加工技术发展，形成MEMS制造技术。典型代表：德国LIGA 技术MEMS发展的重要标志•制作水平方面——微马达（静电）•应用水平方面——Lab-on-a-Chip、微飞行器、微机器人MEMS与NEMS的关系——概念延伸、MEMS工艺为基础、对象向生物化学扩展•生物微马达•生物工程操作•碳纳米管Strictly Confidential -Do Not Distribute –Copyright 201131二、微机电系统的特征󰂋尺寸微小是微机电系统的基本特征当尺寸小到微米或亚微米量级时，会产生微尺寸效应。它的影响将反映到诸如结构材料、设计理论、制造方法、在微小范围内各种能量的相关作用及测量技术等许多方面。也就是说，工程上常用的尺寸缩放法不适用于由微尺寸元器件组成的微装置；因而，传统的设计理论、方法及一些物理定律不能完全套用，许多理念需要更新和重新建立，必须从新的构思出发去探索微机械由于尺寸效应形成的一些特殊现象和规律。Strictly Confidential -Do Not Distribute –Copyright 20113216微尺寸效应的影响󰂋1、微尺寸效应对于元器件间的作用力的影响随着尺寸的减小，与尺寸3次方成比例的像惯性力、体积力及电磁力等的作用将明显减弱；而与尺寸2次方成比例的像粘性力、表面力、静电力及摩擦力等的作用则明显增强，并成为影响微机械性能的主要因素。在微机械设计中，多利用静电力驱动。在微机械中，又由于表面积与体积之比相对增大，使热传导的速度也相对增加。研究微机械中的摩擦、磨损的特性与机理是该领域的主要课题之一。Strictly Confidential -Do Not Distribute –Copyright 201133󰂋2、微尺寸效应对于元器件机械强度的影响随着元器件尺寸的减小，元器件材料内部缺陷出现的可能性减小，因而元器件材料的机械强度会增加。所以微型元器件的弹性模量、抗拉强度、疲劳强度及残余应力均与大零件有所不同。󰂋3、微尺寸效应对于元器件惯性和热容量的影响由于微尺寸效应，导致微机电系统的惯性小、热容量低，容易获得高灵敏度和快响应。Strictly Confidential -Do Not Distribute –Copyright 20113417󰂋4、微尺寸效应对于元器件信号检测的影响由于微尺寸效应，导致微机电系统的前端装置（如微传感器）的输出信号十分微小，传统的测量工具和仪器难以实现如此微弱信号的检测，必须创造新的测量设备。Strictly Confidential -Do Not Distribute –Copyright 201135󰂋5、微尺寸效应对于元器件设计方法的影响¾微机电系统尺度的缩小，集成化程度的提高．会导致工序增多，成本增高；所以应在试制前对整个微饥电系统的器件、工艺及性能进行模拟分析，对各种参数进行优化，以保证微系统的设计合理、正确，降低研制成本，缩短研制周期。显然，传统的设计方法(基本上为试凑法)巳难以满足上述新要求，必须寻求新的设计途径。¾其中最流行的设计方法就是微机电系统的计算机辅助设计(MEMS CAD)。运用MEMS CAD，除了借鉴已有的机械CAD和电子工具外，还必须针对特定的微系统，开发专用的CAD建模软件。这方向有大量的工作要做。Strictly Confidential -Do Not Distribute –Copyright 20113618微机电系统的材料󰂋微机电系统常用材料¾传统的机电系统，用得最多的是金属材料，采用传统的机械制造工艺制作而成；而微机电系统最常用的则是硅及其化合物材料。以及特种合金、石英、塑料和陶瓷等。1982年K.E.Petersen发表了一篇著名的论文“硅作为机械材料”，引起了人们对硅的重新认识。󰂋硅及其合金材料的特点¾硅是容易获得的超纯无杂的低成本材料，有极好的机械特性和电学特性，非常适合制造微结构；¾便于利用集成电路(IC)工艺和微机械加工工艺进行批量生产；¾硅微结构便于和微电子线路实现集成化。Strictly Confidential -Do Not Distribute –Copyright 201137微机电系统的制造技术󰂋微机电系统制造的特点由于微机电系统及器件多种多样，不仅和微电子之间有交联，还和外界其它物理量相互作用，并且为体型结构。因此，集成电路制造技术，包括版图设计、刻蚀工艺、薄膜工艺以及模拟技术等已发展得较为成熟，能成功地用于微电子器件和集成电路的制作，但它不能完全满足微机电系统及其器件的制造要求。󰂋微机电系统专用制造方法体型加工技术、表面加工技术、LIGA（深度同步辐射X射线光刻、电镀和模铸）技术、构件间的相互组装技术、键合及封装技术等。Strictly Confidential -Do Not Distribute –Copyright 20113819微机电系统的测量技术󰂋由于微尺寸效应，导致微传感器、微执行器等的输出量衰减到微弱信号级¾如运动位移、振幅及形变小到亚微米和纳米量级。将它们变换成可供接收和处理的电信息时，相应的电压量小到微伏、亚微伏乃至nV，电流量小到nA，电容量小到(0.1～.001)pF。󰂋为了把如此微弱的有用信号从强噪声背景下提取出来，从设计上考虑，必须遵循的原则是：¾设计合理的集成检测电路布局；¾检测电路必须与微机械装置(如微传感器)尽量靠近，最好能与传感器实现单片集成或混合集成；¾尽量减短微系统的尺少链。Strictly Confidential -Do Not Distribute –Copyright 201139微机电系统功能元件测量仪器󰂋扫描隧道显微镜（STM）工作原理¾利用超细的金属纳米探针(纳米尖)和被测样件表面构成2个电极，当探针尖与样件表面非常接近(如1nm)时，在探针与表面形成的电场作用下，将产生隧道电流效应，即电子会穿过二者之间的空隙从一个电极流向另一个电极。¾隧道电流的大小与空隙大小有关。当空隙增大时，电流指数形式衰减，若空隙增大0.1nm，电流减小1个数量级，灵敏度极高。¾测出探针在非常接近的被测样件表面上扫描产生的隧道电流变化，即可得知样件表面在nm尺度内各点位置的微细变化，即表面的三维空间形貌。Strictly Confidential -Do Not Distribute –Copyright 20114020扫描显微术主要组成部份Strictly Confidential -Do Not Distribute –Copyright 201141原子力显微镜（AFM）工作原理󰂋在STM的基础上，现己发展了多种扫描探针的显微技术，以适应不问领域的需要。󰂋这些显微技术都是利用探针与样件的不同相互作用，探测表面或界面在nm尺度上表现出来的微细变化。¾如原子力显微镜AFM，就是利用探针和被测表面之间微弱力的相互作用这一物理现象，对被测样件表面进行扫描测量，得知纳米形貌。¾AFM的探测力极其微弱，在10－6～10－9N之间，形成与被测表面轻微接触或接近非接触(相互作用力仅为几nN)的模式。¾这种接触模式是不会使样件表面产生形变和损伤的。Strictly Confidential -Do Not Distribute –Copyright 20114221AFM扫描测量结果示例用AFM扫描测量出的多晶硅芯片的表面粗糙度Strictly Confidential -Do Not Distribute –Copyright 201143MEMS设计的基本问题󰂋工程技术的三要素供给需求生活物质衣食行时间过程能量住信息精神MEMS目前阶段关键要素：材料、工艺、结构Strictly Confidential -Do Not Distribute –Copyright 20114422󰂋MEMS设计要求和设计基本思想9要求——高性能/智能化/高效率/低成本/高可靠性9方法——设计中必须考虑分系统设计层次按信息流程建立统一物理特征参量Strictly Confidential -Do Not Distribute –Copyright 201145󰂋按系统设计层次考虑设计功能——MEMS主功能含变换、传输、存储三方面。为便于研究、分析、设计……层次——分系统、子系统、元件（元素）三层次。子系统和元件（元素）之间必须平稳可靠地输入/输出物质、能量、信息……接口——硬接口——以硬件形式。分零接口/主动接口/被动接口/智能接口软接口——对信息进行平稳的传递、变换、调整。例如平稳地输入输出规格、标准、程序、法律、符号等。Strictly Confidential -Do Not Distribute –Copyright 20114623󰂋按信息、物质、能量流程考虑设计信息流程、能量流程的概念智能化的作用、内部构造、信息流程（见书）Strictly Confidential -Do Not Distribute –Copyright 201147󰂋建立统一的物理特征参量作用——对机、电、磁、热、流、光等不同物理现象作统一方法的描述，从而纳入统一模型中进行分析原理——各物理分支特征参量关系均遵从阻量、容量、惯量（感量）作用的相似规律方法——都参照于同一概念的物理特征参量——电描述，因其分析方法较为成熟方便阻量＝势能变化/ 速度、电流或流量的变化容量＝质量或位移变化/ 势能变化惯量＝势能变化/ 流量（速度或电流）每秒的变化Strictly Confidential -Do Not Distribute –Copyright 20114824三、MEMS的制造方法概述MEMS与IC工艺追求不同•从二维到“假三维”、“真三维”•以IC平台发展起来为主，非IC工艺日渐丰富Strictly Confidential -Do Not Distribute –Copyright 2011491、在IC加工平台上发展的工艺󰂋体微加工技术󰂃湿法加工（化学）原理：局部区域化的电解电池作用。特点：质量控制难，对腐蚀速度及腐蚀结构质量的影响因素多󰂃干法加工（物理/化学）原理：离子轰击、腐蚀分子与硅衬底表面反应特点：分辨率高，各向异性腐蚀能力强，腐蚀选择比大，能进行自动化操作，设备与工艺成本高等󰂃混合加工法先进性在于制造新的微结构装置，如波导Strictly Confidential -Do Not Distribute –Copyright 20115025󰂋高深宽比批量复制微加工技术——专为MEMS的LIGA 系工艺（LIGA/准LIGA/DEM）9LIGA= X射线光刻+电铸制模+注塑复制德文lithograph galvanformungund abformug特点：深度可达数百至特点：1000μm，高宽比大于200侧壁平行线偏离在亚微米范围内利用微电铸和微塑铸可大规模生产9DEM技术=深层刻蚀（Deepetching）+微电铸（Electroforming）+微复制工艺(Microreplication)Strictly Confidential -Do Not Distribute –Copyright 2011󰂋表面微加工技术表面微加工是在基体上连续淀积结构层、牺牲层和图形加工制备微器件。其应用材料为多晶硅、二氧化硅、氮化硅、磷硅玻璃等。Strictly Confidential -Do Not Distribute –Copyright 2011262、非IC工艺•微细电火花•约束化学加工•激光微加工•微注塑、模压加工•激光微固化等特点•可实现二维半、真三维加工•与超精密机械加工互相借鉴，具有更广应用范围•与IC兼容性问题不利于目前在MEMS中的应用，需要解决Strictly Confidential -Do Not Distribute –Copyright 2011533、封装（键合、封装、检测）键合•基本原理•是封装的主要手段封装对于IC、MEMS的重要性Strictly Confidential -Do Not Distribute –Copyright 20115427本章重点难点󰂉重点：微机电系统的发展过程、实际意义与典型应用󰂉难点：MEMS比宏观机电系统优越的基本原理，结合尺度效应理解；MEMS发展与加工技术的关系。Strictly Confidential -Do Not Distribute –Copyright 20115528