第一章 微机电系统(MEMS)概论

微机电系统机械电子工程学院专业选修课程Micro-Electro-Mechanical-System(MEMS)教材参考书籍•微系统技术，[德]W.Menz著，王春海等译，化学工业出版社，2003•半导体制造技术，[美]MichaelQuirk&JulianSerda著，韩郑生等译，电子工业出版社，2003刘晓明,朱钟淦.《微机电系统设计与制造》国防工业出版社,2006授课内容微机电系统（MEMS）概论(2hours)MEMS的理论基础知识(2hours)集成电路基本制造技术(8hours)MEMS的制造技术(6hours)微传感器(6hours)微执行器(6hours)MEMS的封装与检测(2hours)第一章微机电系统（MEMS）概论内容提要MEMS的基本概念，与宏观机电系统的对比特征MEMS技术的发展过程与大致技术现状MEMS典型产品的应用一、MEMS的形成与发展1、MEMS的形成基础与机械电子学的关系•不是简单的提升•基本组成相同机械电子学——机械学、电子学、计算机技术交叉MEMS——机/电/磁/光/声/热/液/气/生/化等多学科交叉学科交叉的产物2、MEMS的特点MEMS的特点•以实现新功能、特殊性能为前沿目标•微米量级空间里实现机电功能，提升已有性能（包括微型化、集成化、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3、MEMS的发展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20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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•生物微马达•生物工程操作•碳纳米管——概念延伸、MEMS工艺为基础、对象向生物化学扩展二、MEMS设计的基本问题工程技术的三要素时间过程衣食住行精神信息能量物质生活需求供给MEMS目前阶段关键要素：材料、工艺、结构要求——高性能/智能化/高效率/低成本/高可靠性方法——设计中必须考虑MEMS设计要求和设计基本思想分系统设计层次按信息流程建立统一物理特征参量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。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）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1、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高深宽比批量复制微加工技术LIGA=X射线光刻+电铸制模+注塑复制德文lithographgalvanformungundabformug特点：深度可达数百至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DEM技术=深层刻蚀（Deepetching）+微电铸（Electroforming）+微复制工艺(Microreplication)——专为MEMS的LIGA系工艺（LIGA/准LIGA/DEM）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。2、非IC工艺特点•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•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3、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。作业：教材第368页第1题本章学习要求•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。