MEMS技术-第三讲-工艺设计及版图设计

MEMS和微系统设计课程内容•MEMS概述及MEMS设计的概述•工艺简要回顾•系统设计、工艺设计及版图设计•主要的机械、电子元件及其设计基础•多域耦合设计：以机电耦合为例子•器件性能的估计•简单的其他域的元件及其简要设计要点•设计实例第三讲主要内容(3)1、系统设计与器件设计2、工艺设计3、版图设计4、关于微器件的一般知识系统设计的目的MEMSDesignProcess&FlowSystemRequirmentsDeviceDesignImplementationLayout•Sensitivity•Responsivity•Freqresponse•Loss•Powerconsumption•etc•Systemlevelsimulation(e.g.opticalsimulationforopticalsystems)•Transductionmechanism•Physicalsimulation•Verifysystemrequirement•Analyticalmodels•Macromodels•Whattechnologytouse?－Bulkvssurfacemicromachining－CustomvsFoundryprocess－Materials(Si,singlecrystal,poly,…)•ProcessintegrationFiniteelementmethod•CoupleddomainFEM(MEMCAD,ANSYS,IntelliCAD,…)•Establishtechnologyfiles－Layersofmaterials－Thickness－Depositionoretching－Lithography•Masklayout•Designrules•Designrulechecking(DRC)•Cross-sectionview•Synthesis•ExporttoMEMSCAD•Thickerfilmsdeeperetchesfewersteps•Multipleprocessingcycles•Removalofunderlyingmaterialstoreleasemechanicalstructures－DepositonofmaterialPatterntransferRemovalofmaterialprobetestingsecticningindividualDIEAssemblyintopackagepackagesealfinaltest器件设计•原理•性能第三讲主要内容(3)1、系统设计与器件设计2、工艺设计3、版图设计4、关于微器件的一般知识电容原理加速度传感器？工艺流程设计•Substratepassivationandpolygroundplane•n+diffusion,0.5mthermaloxide,0.15mLPCVDnituride•0.3mphosphorus-dopedLPCVDpoly•Sacrificallayerdepositionandpatterning•DensifyandreflowPSGat100℃,1h•Timedetchtocreatdimples,wetetch•Etchanchors,reactiveionetch•2mLPCVDPSG•Structurepolydeposition,doping,andanneal•2mLPCVDpoly(undoped),610℃•0.3mPSGontop•Symmetricdopingoccursduringannealat1050℃inN2for1hour•Microstructurerelease•HFtoetchPSG•Waterrinse•Dry,avoidingsurfacetensionofwater第三讲主要内容(3)1、系统设计与器件设计2、工艺设计3、版图设计4、关于微器件的一般知识版图设计•版图什么样•版图的制作过程•对准问题•正胶和负胶问题•版图设计工具MaskType•BinaryMask•Proximitycorrectionmask•PhaseshiftmaskBinaryMask•Thepatternareaiseitherclearoropaque•Themaskpatterndesignassameasdesireddevice’spattern•Maycauseserratededgesandnonuniformityacrossthemask•Modifythemaskpattern•FinalMaskpatternmaycontainserifsatfeaturecornersProximityCorrectionMaskPhaseShiftMask•Addone180°phaseshiftlayeronmask•Thefeaturesizecanachieveabout100nm•Firstintroducein1982.Newsoftwaredevelopedrecently.MaskFabricationTool•Highresolutionprinter•Opticalpatterngenerator•E-beamwriterMaskDesignTools•AutoCAD•L-edit•Somesimulationtools:MAMSCAD;Intellsense•LinkCAD电容谐振器的版图•？第三讲主要内容(3)1、系统设计与器件设计2、工艺设计3、版图设计4、关于微器件的一般知识•微执行器•微传感器•微机械执行器是组成微机电系统的要素之一。•如，力学执行器是将电能或其它能量转换为机械能。•理想的执行器应该是使用很少的能源，具有很高的机械效率，对机械状态和环境条件适应性强，需要时能产生高速运动，具有高的能量-质量比，在控制信号与力、扭矩和速度之间呈线形比例关系。驱动方式（原理及实例）静电式微执动器（重点内容，以后章节）热力压电式微执动器形状记忆合金微执动器电磁式微执动器生物热执行器•有一些基于固体或液体膨胀的热执行方式。它们中的许多已在微机械器件中得到应用;•利用热来驱动的热致动器或简单的加热器（一个电阻器）广泛应用于微机械器件中，是一种十分常见的驱动方式。从原理上分，热致动器可以分为热气动式和热膨胀式两种。“Heatuator”•Currentrunsthroughloopofreleasedstructure(usuallypolysilicon,“coldarm”withgoldlayer)•Regionswithhighercurrentdensity(“hotarm”)areheatedupmoreandexpendmore(“pseudobimorph”)【Brightrtal.,U.Colorado】•热膨胀式是利用执行器加热时本身材料的体积膨胀制造的。•热气动式一种典型的方法是形成带有密封流体（如空气、水蒸汽和液态水等）的空腔，气腔中的流体被加热后就会膨胀，压力增大，从而推动薄膜运动。•热执行器的一个基本方案是利用两种键合材料的不同热膨胀系数，被称为双晶片热激励。•一个加热器常被夹在两层“活动”的材料中间，加电后，就会使它们产生不同的膨胀。该方案的优点包括线性的偏移量-能量关系以及环境稳定性，如这些执行器能运行于热传导相当低的液体中。•缺点包括高功耗、低带宽（由热时间常数决定）以及比静电执行器更复杂的结构。固体热膨胀：双晶片热执行器热双晶片执行器的截面图双金属致动器•严格说来双金属致动器也是一种热致动器，但它不利用固体的体积膨胀，而是利用固体的线形膨胀来制造微致动器。双金属热致动是通过加热，使得驱动元件本身的温度升高，结构内部产生热应力，导致薄膜产生线性应变，从而达到驱动目的。•双金属热致动方式具有驱动电压低、驱动力大、行程大、线性的位移—能量关系、结构及制造工艺简单（相对热气动等方式而言）、驱动能源易于实现、易于集成等特点，因而应用前景广泛。硅tt=lbb21121l22121111322222231112122124732ttTtbEtbEtbEtbEttttra热膨胀系数，t厚度，b宽度•美国ICSensors利用这种双金属片致动原理研制的阀如图4-319所示。其中，硅膜厚、直径为，铝层厚，常开间隙为的阀可控0.2MPa、的气流，泄漏仅为45μL/min金属层加热膜硅进口出口加热层体积膨胀和相变执行器•不利用固体的线形膨胀，而是利用体积膨胀也可以制造出微机械执行器。一种典型的方法是形成带有密封流体的空腔（如：空气、水蒸汽和液态水等），这些物质可以被加热，然后就会膨胀。但是，就象别的许多热驱动方法一样，这种方法功耗较大，带宽较低，这是由于热时间常数所致。•变相的热执行器包括加热时相态可变的材料，这样体积发生膨胀从而产生压力以及机械载荷。例如，可以通过加热将水从液态转变为气态，产生的气泡可以用作驱动力。•热气动蠕动泵，膜片与管道间的间隙处于常开状态，加热驱动将使间隙关闭，膜片的顺序动作促使流体定向流动。该泵流量和背压都比较低。加热电阻蠕动膜流道入口出口图4-331热气动蠕动泵微机械波形管执行器•表面微机械“波形管”执行器，这种执行器带有一个环形的折叠状薄膜结构，相对于简单的薄膜，这种结构可以得到更大的偏移。活塞执行器•一个膨胀气体驱动的活塞执行器，它的运动是沿着衬底所在的平面平行移动。在多晶硅加热器的作用下形成了水蒸汽的气泡，并在活塞腔内膨胀，将活塞向外推。当加热停止时，活塞腔内的气泡就破裂，于是活塞就返回原来的位置。在衬底表面差不多的情况下，基于表面张力的执行器所能提供的力能达到其它方式所能提供的力的两个数量级以上。气泡表面张力致动器简图缺点•可惜的是，它们的工作环境必须是液体环境，这就限制了它们的最大工作速度（由于阻尼）和效率（由于液体的热导）。•热驱动方法功耗较大，而且由于热时间常数的缘故，其带宽比较低。热气动式由于要有密封腔，所以生产装配工艺较为复杂。•热气动微阀[28]压力腔内注有氯甲烷，利用其液态-气态相变控制流体，控制氮气流量达15L/min。进口出口玻璃玻璃铝膜硅加热电阻a)磁执行器•通电导体产生磁场。平行的两条导线中通以相同方向的电流则彼此之间相互吸引，如果通以相反的电流，则彼此之间相互排斥。通电线圈•类似的，通电线圈也能产生磁场，它可与磁铁或相隔一定距离的线圈产生的外磁场相互作用而产生机械力。电磁力的优点在于其值可以很高，并且既可以吸引也可以排斥。缺点是功耗一般较高，而且产生的磁场会对附近的物体产生一些影响，例如移动带电微粒或影响磁数据存储介质。•电磁致动：通过线圈通电产生磁场，导磁体由于磁场力的作用而产生运动。•载流导线周围某点磁场强度：•单圈线圈中心处磁场强度：•单圈线圈对中心导磁体的作用力为：LLrrdlIdBB24RIB2022SBF电流流过U形导线时就会在两条导线之间产生排斥力。类似，一条置于磁场中的柔性金属线上通以电流以后就会发生偏转，如图磁致伸缩执行器•磁致伸缩效应：当给镍棒加一个轴向磁场时，它将会收缩。1840年，焦耳发现。•在外加磁场的作用下，材料的磁畴按外磁场进行排列，从而引起材料尺寸的变化。例1：带有驱动线圈的磁执行器•制造磁执行器线圈的方法有多种，这里重点介绍单片式线圈的加工方法图7-29中，“弯曲”线圈结构是平面内蜿蜒形导体，它与一个双层的磁芯交错在一起。德国的Meckes等人研制的电磁致动微阀，阀片是用牺牲层技术制作出的多晶硅膜。这是一个为小型气体分析仪设计的微阀结构，设计的压力指标为10-50kPa，过流能力为2-20mL/min，响应时间为5ms。永磁体金线圈氮化绝缘层入口出口图4-312德国的电磁致动微型阀•外加磁场导致坡莫合金区域产生磁性极化，这反过来又和外加磁场作用，结果导致执行器重新定位，直到它与磁场对准。面外器件用于斩波、扫描、光束导向等