微传感器原理与技术

一、名词解释：MEMS：其英文全称为Micro-Electro-MechanicalSystem，是用微电子，即microelectronic的技术手段制备的微型机械系统。第一个M也代表器件的特征尺寸为微米量级，如果是纳米量级，相应的M这个词头就有nano来替代，变为NEMS，纳机电。MEMS及NEMS是在微电子技术的基础上发展起来的，融合了硅微加工、LIGA技术等的多种精密机械微加工方法，用于制作微型的梁、隔膜、凹槽、孔、反射镜、密封洞、锥、针尖、弹簧及所构成的复杂机械结构。（点击）它继承了微电子技术中的光刻、掺杂、薄膜沉积等加工工艺，进而发展出刻蚀、牺牲层技术、键合、LIGA、纳米压印、甚至包括最新的3D打印技术SOI:SOI（Silicon-On-Insulator，绝缘衬底上的硅）技术是在顶层硅和背衬底之间引入了一层埋氧化层。通过在绝缘体上形成半导体薄膜，SOI材料具有了体硅所无法比拟的优点：可以实现集成电路中元器件的介质隔离，彻底消除了体硅CMOS电路中的寄生闩锁效应；采用这种材料制成的集成电路还具有寄生电容小、集成密度高、速度快、工艺简单、短沟道效应小及特别适用于低压低功耗电路等优势，因此可以说SOI将有可能成为深亚微米的低压、低功耗集成电路的主流技术。SOC:SOC-SystemonChip，高级的MEMS是集微型传感器、微型执行器以及信号处理和控制电路、直至接口、通信和电源等于一体的微型器件或系统，这样的系统也称为SOC，即在一个芯片上实现传感、信号处理、直至运动反馈的整个过程。LIGA:LIGA是德文光刻、电镀和模铸三个词的缩写。它是在一个导电的基板上旋涂厚的光刻胶，然后利用x射线曝光，显影后形成光刻胶的模具，再用电镀的方法在模具的空腔中生长金属，脱模后形成金属的微结构。特点：该工艺最显著的特点是高深宽比，若用于加工一个细长杆，杆的直径只有1微米，而高度可达500微米，深宽比大于500，这是其他技术无法比拟的。其次，它还具有材料广泛的特点，可加工金属、陶瓷、聚合物和玻璃。但传统的LIGA采用的x射线曝光工艺极其昂贵，近年来采用SU-8光刻胶替代PMMA光刻胶，紫外曝光代替x射线曝光的准LIGA技术获得了更广泛的发展和应用。DRIE:反应离子深刻蚀（DeepRIE）。干法刻蚀的典型工艺是DRIE深槽刻蚀。刻蚀分为两步，第一步，通入SF6刻蚀气体进行反应离子刻蚀，刻蚀是各向同性的，即槽底不仅要被刻蚀，槽壁也会被刻蚀。如果就一直这样刻下去，刻蚀的图形和掩模定义的图形将完全不一样，很难控制微结构的尺寸。解决此问题的方法是分步刻蚀，逐次推进。在刻蚀进行10多秒钟转入第二步，快速地将刻蚀气体切换成保护气体C4F8，C4F8在等离子的作用下进行聚合，生成类似于特氟龙这种不粘锅材料，沉积在槽底和槽壁上。10多秒钟后，又切换成SF6刻蚀气体，等离子体中的正离子在电场加速作用下只轰击槽底，而不怎么轰击槽壁，优先将槽底的聚合物保护膜打掉，暴露出硅片表面，从而使得化学刻蚀反应能够再次进行。刻蚀时，由于槽壁上仍然保留有保护膜，而不会被刻蚀。重复这样的刻蚀-保护过程，就能在硅片上刻蚀出垂直的深槽。深槽在宏观上的垂直度能达到88-92°，但微观上其侧壁是有多段小弧形连接而成。干法刻蚀不再象湿法腐蚀那样需要晶向的对准，因此可以制备出齿轮、弹簧等复杂的图形。二、多项选择题第一章、1、MEMS器件的尺寸范围是：（1）（1）从1um到1mm（2）从1nm到1um（3）从1mm到1cm3、微系统部件的“深宽比”被定义为（1）之比（1）高度方向尺寸和表面方向尺寸（2）表面方向尺寸和高度方向尺寸（3）宽度方向尺寸和长度方向尺寸4、目前为止，商品化最好的MEMS器件是（2）（1）压力传感器(2)喷墨打印头（3）加速度传感器第二章、1、在曝光后被溶解的光刻胶是（1）（1）正胶（2）负胶（3）正胶或负胶2、光刻中用正胶将导致的效果（3）（1）更好（2）更劣（3）与应用负胶相同3、常用光刻中光源的波长范围是：（2）（1）100-300nm（2）300-500nm（3）500-700nm4、MEMS光刻与IC光刻的主要区别在于：（1）（1）MEMS光刻需要在更为不平整的表面上进行（2）MEMS光刻的线条更细（3）MEMS光刻都需要双面进行5、光刻技术中的曝光方式有（1）（2）（3）（1）接近式曝光（2）接触式曝光（3）投影式曝光6、曝光方式中，图形尺寸和掩膜尺寸一致（1）（2）（1）接近式曝光（2）接触式曝光（3）投影式曝光7、影像光刻线宽的最主要因素是（1）（1）光的衍射（2）光的干涉（3）光的反射8、剥离法制备图形的薄膜的基本步骤（2）（1）（3）（1）沉积薄膜（2）光刻胶图形化（3）去除光刻胶9、在传统的投影曝光机中，一般实现的最小线宽为（2）（1）0.5（2）1（3）2第三章、1、体硅制造主要涉及部分材料从基底上的（2）（1）增加（2）减除（3）既有增加也有减除2、体硅制造中主要采用的微加工工艺为（1）（1）腐蚀（2）沉积（3）扩散3、各向同性腐蚀在微制造中几乎是不理想的，原因是（3）（1）腐蚀速度太慢（2）成本太高（3）难于控制腐蚀方向4、硅的（1）晶向之间的腐蚀速率比时400:1（1）[100]和[111]（2）[110]和[111]（3）[110]和[100]5、硅晶体中（111）晶面和（100）晶面的夹角（2）（1）50.74（2）54.74（3）57.476、各向异性腐蚀和各向同性腐蚀的速率相比（3）（1）更快（2）更慢（3）差不多相同7、KOH腐蚀剂对sio2的腐蚀速率要比对硅的腐蚀速率慢（1）（1）100倍（2）1000倍（3）20000倍8、氮化硅的抗腐蚀性要比sio2（1）（1）更强（2）更弱（3）几乎相同9、材料的选择比越高，作为腐蚀掩膜的能力越（1）（1）越好（2）越坏（3）不好也不坏10、在HNA腐蚀液中，掺杂的硅片的腐蚀速度会（1）（1）更快（2）更慢（3）没有影响11、在湿法腐蚀时，（1）处会和掩膜的图形不一样（1）凸角（2）凹角（3）两者都会12、湿法腐蚀时保留下来的时腐蚀速度（2）的晶面（1）快（2）慢（3）与速度无关13、湿法腐蚀的腐蚀深度控制技术有（1）（2）（3）（1）p-n结停止腐蚀技术（2）浓硼腐蚀停止技术（3）中间层停止技术14、p-n结腐蚀停止技术又叫做（1）（2）（1）偏压腐蚀（2）电化学腐蚀（3）p+腐蚀15、在（100）硅片的湿法腐蚀中，腐蚀出来的线条会沿（2）晶向族（1）[100]（2）[110]（3）[111]16、在（110）硅片的湿法腐蚀中，掩膜上的线条必须沿晶向族（3）（1）[100]（2）[110]（3）[111]17、采用湿法腐蚀，下述硅片能实现高深宽比的有（2）（1）[100]（2）[110]（3）[111]18、硅的过分掺杂会导致--------残余应力19、湿法腐蚀可以在（P-N掺杂硅）边界停止20、如图所示，制备在（100）硅片上的U形氮化硅掩膜对硅片进行KOH湿法腐蚀，最终获得的微结构是（氮化硅的悬臂梁）21、在（100）硅片上制备圆形的掩膜（硅片被遮住的部分为图形），利用碱液进行湿法腐蚀会获得（2）微结构。（1）硅的圆柱（2）硅的四愣锥（3）硅的三楞锥第四章干法1、反映离子刻蚀的机理包括（1）（2）（1）等离子体增强化学气相反应（2）溅射轰击（3）侧壁保护2、DRIE代表（3）（1）干法腐蚀（2）干法反映离子刻蚀（3）深层反应离子刻蚀3、DRIE的主要工艺方法有（1）（2）（1）刻蚀和侧壁保护顺序进行的方法（2）刻蚀和侧壁保护同时进行的方法（3）不需要侧壁保护的方法4、在BOSCH和低温两种DRIE刻蚀工艺中，侧壁更为光滑的是（2）（1）BOSCH（2）低温工艺（3）两者区别不大5、在RIE刻蚀中，深宽比越大，刻蚀速率越（2）（1）快（2）慢（3）一样6、在干法刻蚀中，掩模板的线条与硅片晶向的关系为（3）（1）必须沿[110]方向（2）必须沿[111]方向（3）与方向无关7、干刻中刻蚀硅的气体有：（1）（2）（1）四氟化碳（2）四氟化硫（3）C4F88、氟基气体干法刻蚀硅片在本质上是：（1）（1）各向同性的（2）各向异性的（3）与温度有关9、表面硅制造中主要采用的微加工工艺为（2）（1）腐蚀（2）薄膜沉积（3）扩散第五章表面加工方法1、PSG代表（2）（1）多晶硅玻璃（2）磷硅酸盐玻璃（3）磷硅玻璃2、表面微加工中的牺牲层被用于（2）（1）强化微结构（2）在微结构中产生必要的几何空间（3）作为结构的部分3、表面微加工中最常用的结构材料是：（2）（1）PSG（2）多晶硅（3）二氧化硅4、在表面微加工中，牺牲层的腐蚀速率与其他层的腐蚀速率相比必须（3）（1）慢得多（2）几乎相同（3）快得多5、粘连存在于：（2）（1）体硅微制造（2）表面微加工（3）激光微加工6、在由表面微加工制作完成的微结构中，粘连会造成：（3）（1）不匹配材料层（2）薄膜（3）层间原子力7、可用于减少粘连的方法主要有：（1）（2）（3）（1）表面厌水处理（2）干法释放（3）在粘连面上设计凸点8、设计的平面微结构经表面加工后向上弯曲，说明薄膜中存在（2）（1）压应力（2）拉应力（3）中心是压应力，边缘是拉应力9、薄膜应力的主要类型是：（1）（3）（1）热应力（2）界面应力（3）生长应力10、薄膜的制备温度越高，热应力越：（1）（1）大（2）小（3）与温度无关11、减少应力的方法主要有：（1）（2）（3）（1）优化薄膜制备工艺（2）退火处理（3）多层薄膜，应力补偿。12、多晶硅被普遍应用的原因是它被制成：（1）（3）（1）半导体（2）绝缘体（3）电导体13、硅的湿氧化常被采用，由于（1）（1）二氧化硅质量好（2）快的氧化速度（3）低成本14、硅石理想的MEMS材料的主要原因是：（1）（2）（3）（1）在很大温度范围内的尺寸稳定（2）轻和结实（3）容易得到15、PECVD是：（3）（1）低压化学气象沉积（2）常压化学气相沉积（3）等离子体增强化学气相沉积第六章其他方法1、LIGA工艺制造MEMS，常用材料：（3）注：几乎没有限制（1）限于硅（2）限于陶瓷（3）可以是单晶材料2、同步X射线在LIGA工艺中用于光刻的原因是：（3）（1）它对光刻更有效（2）它是更便宜的光源（3）它能深入光刻胶材料3、LIGA工艺的主要优势是它能够产生：（1）（1）高深宽比的微材料（2）低成本的微结构（3）尺寸精确的微结构4、LIGA工艺中必须使用导电基板的原因是需要：（2）（1）信号···（2）金属的电镀（3）···电加热5、LIGA工艺中最好的光刻胶是：（3）（1）PCM（2）PMI（3）PMMA6、UV-LIGA是在LIGA工艺的改造，其特点是：（1）（2）（1）能制备高深宽比的微结构（2）成本比LIGA大大降低（3）能制备悬臂梁、空中的腔等7、成本最低的微制造技术是：（1）（1）体硅制造法（2）表面微加工（3）LIGA工艺8、最灵活的微制造技术：（2）（1）体硅制造法（2）表面微加工（3）LIGA工艺9、一个硅玻璃的阳极键合发生于：（2）（1）高温下（2）高温高电压下（3）高温和高压下10、硅熔融键合需要的工艺条件有：（1）（2）（1）高温（2）平整的硅片（3）高温和高压下11、SOI代表：（2）绝缘体（隔离层）上的硅（1）离子分层（2）隔离物上的硅（3）隔离物下的基质12、SCI是为了阻止：（1）漏电（1）电的泄露（2）热效应的泄露（3）硅基上腐蚀的扩散13、SOI工艺通常发生在：（1）（1）1000℃左右的高温上（2）5000左右的中温（3）低200左右的低温14、微系统中的封装费用：（2）很贵。（1）微小的（2）十分昂贵的（3）在生产花费中有时昂贵15、预制备一个100μm的微型中空球，应该采用（3）（1）DRIE（2）表面加工技术（3）三维加工技术第七章1、CMOS(电路)与MEMS（微系统）一体化加工中的方法共有（2）种。（1）2（2）3（3）42、CMOS电路和MEMS微结构的一体化加工，最主要的工