微机电系统-MEMS简介知识分享.ppt

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1、微机电系统微机电系统(xtng)-(xtng)-MEMSMEMS简介简介112/10/20221第一页，共54页。早在二十世纪六十年代，在硅集成电路制造(zhzo)技术发明不久，研究人员就想利用这些制造(zhzo)技术和利用硅很好的机械特性，制造(zhzo)微型机械部件，如微传感器、微执行器等。如果把微电子器件同微机械部件做在同一块硅片上，就是微机电系统MEMS:Microelectromechanical System。由于由于MEMS是微电子同微机械的结合，如果把微电是微电子同微机械的结合，如果把微电子电路比作人的大脑，微机械比作人的五官（传感器）子电路比作人的大脑，微机械比作人的五官（传

2、感器）和手脚（执行器），两者的紧密结合，就是一个功能齐和手脚（执行器），两者的紧密结合，就是一个功能齐全而强大全而强大(qingd)的微系统。的微系统。MEMSMEMS定义定义(dngy)(dngy)12/10/20222第二页，共54页。微微机机电电系系统统的的组组成成框框图图(kungt)(kungt)如如图图1 1所所示示，它它是是将将微微机机械械、信信息息输输入入的的微微型型传传感感器器、控控制制器器、模模拟拟或或数数字字信信号号处处理理器器、输输出出信信号号接接口口、致致动动器器(驱驱动动器器)、电电源源等等都都微微型型化化并并集集成成在在一一起起，成成为为一一个个微微机机电电系系统

3、统。微微机机电电系系统统内内部部可可分分成成几几个个独独立立的的功功能能单单元元，同时又集成为一个统一的系统。同时又集成为一个统一的系统。图图1 1微机电微机电(jdin)(jdin)系统的组成框图系统的组成框图 12/10/20223第三页，共54页。19591959年就有科学家提出微型机械的设想，但直到年就有科学家提出微型机械的设想，但直到19621962年才年才出现属于微机械范畴的产品出现属于微机械范畴的产品硅微型压力传感器。其后尺硅微型压力传感器。其后尺寸为寸为5050500500微米的齿轮、齿轮泵、气动蜗轮及联接件等微米的齿轮、齿轮泵、气动蜗轮及联接件等微型机构相继问世。而微型机构相

4、继问世。而19871987年由华裔留美学生冯龙生等人年由华裔留美学生冯龙生等人研制出转子直径为研制出转子直径为6060微米和微米和100100微米的硅微型静电电机，微米的硅微型静电电机，显示出利用硅微加工工艺制作微小可动结构并与集成电路显示出利用硅微加工工艺制作微小可动结构并与集成电路兼容制造微小系统的潜力，在国际上引起轰动，科幻小说兼容制造微小系统的潜力，在国际上引起轰动，科幻小说中描述把自己变成小昆虫钻到别人的居室中描述把自己变成小昆虫钻到别人的居室(j sh)(j sh)或心或心脏中去的场景将要成为现实展现在人们面前。同时，也标脏中去的场景将要成为现实展现在人们面前。同时，也标志着微电子

5、机械系统志着微电子机械系统(MEMS)(MEMS)的诞生。的诞生。微电子机械系统是以微电子、微机械及材料科学为基础，研究、设计(shj)和制造具有特定功能的微型装置（包括微结构器件、微传感器、微执行器和微系统等方面）的一门科学。12/10/20224第四页，共54页。世界世界(shji)上第一个微静电马达上第一个微静电马达12/10/20225第五页，共54页。MEMSMEMS的发展的发展(fzhn)(fzhn)过程过程2020世纪世纪6060年代年代 ：采用将传感器和电子线路集成在一个采用将传感器和电子线路集成在一个(y)(y)芯片上芯片上的设计思想来制作集成传感器的设计思想来制作集成传感器

6、 。2020世纪世纪6060年代年代(nindi)(nindi)后期：后期：硅刻蚀技术用于制作能将压力转换为电信号的应变硅刻蚀技术用于制作能将压力转换为电信号的应变薄膜结构。薄膜结构。2020世纪世纪7070年代年代：人们使用硅各向异性选择性腐蚀制作薄膜，掺杂以人们使用硅各向异性选择性腐蚀制作薄膜，掺杂以及基于电化学的腐蚀停刻技术也出现了，随之而来及基于电化学的腐蚀停刻技术也出现了，随之而来的是的是“体硅加工体硅加工”技术。技术。12/10/20226第六页，共54页。2020世纪世纪8080年代：年代：“表面表面(biomin)(biomin)微加工微加工”技术在加速度计、压力传技术在加速度

7、计、压力传感器和其他微电子机械结构制作中得到了应用。感器和其他微电子机械结构制作中得到了应用。2020世纪世纪8080年代后期：年代后期：MEMSMEMS在世界范围内受到了广泛重视，在美国、欧洲和在世界范围内受到了广泛重视，在美国、欧洲和亚洲，投入的研究资金和研究人员都以令人亚洲，投入的研究资金和研究人员都以令人(ln(ln rn)rn)惊讶的速度在大幅增长。惊讶的速度在大幅增长。MEMSMEMS正在处于蓬勃发正在处于蓬勃发展的关键时期，不断地有新型器件和新型技术给予报展的关键时期，不断地有新型器件和新型技术给予报道，人们见证了基于道，人们见证了基于MEMSMEMS技术的喷墨打印头、压力传技术

8、的喷墨打印头、压力传感器、流量计、加速度计、陀螺仪、非冷却红外成像感器、流量计、加速度计、陀螺仪、非冷却红外成像仪和光学投影仪等设备的不断开发和产业化的进程。仪和光学投影仪等设备的不断开发和产业化的进程。（如同（如同ICIC）12/10/20227第七页，共54页。p1939年年P-N结结半半导导体体(W.Schottky)p1948年年晶体管晶体管(J.Bardeen,W.H.Brattain,W.Shockley)p1954年年半半导导体体压压阻效阻效应应(C.S.Smith)p1958年年集成集成电电路（路（IC）(J.S.Kilby)p1959年年“Thereisplentyofroo

9、matthebottom”(R.Feynman)p1962年年硅集成硅集成压压力力驱动驱动器器(O.N.Tufte,P.W.Chapman,D.Long)p1965年年表面微机械加速度表面微机械加速度计计(H.C.Nathanson,R.A.Wichstrom)p1967年年硅各向异性深度刻硅各向异性深度刻蚀蚀(H.A.Waggener)p1973年年微型微型(wixng)离子敏离子敏场场效效应应管管(TohokuUniversity)p1977年年电电容式硅容式硅压压力力传传感器感器(Stanford)MEMSMEMS的发展过程的重要的发展过程的重要(zhngyo)(zhngyo)历历史事件

10、史事件12/10/20228第八页，共54页。p 1979 1979年年 集成化气体色谱仪集成化气体色谱仪(C.S.Terry,J.H.Jerman,J.B.Angell)(C.S.Terry,J.H.Jerman,J.B.Angell)p 1981 1981年年 水晶微机械水晶微机械(Yokogawa Electric)(Yokogawa Electric)p 1982 1982年年“Silicon as a mechanical material”(K.Petersen)“Silicon as a mechanical material”(K.Petersen)p 1983 1983年年

11、集成化压力传感器集成化压力传感器(Honeywell)(Honeywell)p 1985 1985年年 LIGA LIGA工艺工艺(W.Ehrfeld et al.)(W.Ehrfeld et al.)p 1986 1986年年硅键合技术硅键合技术(jsh)(M.Shimbo)(jsh)(M.Shimbo)p 1987 1987年年 微型齿轮微型齿轮(UC Berkeley)(UC Berkeley)p 1988 1988年年压力传感器的批量生产压力传感器的批量生产(Nova Sensor)(Nova Sensor)p 1988 1988年年 微静电电机微静电电机(UC Berkeley)(U

12、C Berkeley)p 1992 1992年年体硅加工工艺体硅加工工艺(SCREAM process,Cornell)(SCREAM process,Cornell)p 1993 1993年年 数字微镜显示器件数字微镜显示器件(Texas Instruments)(Texas Instruments)p 1994 1994年年 商业化表面微机械加速度计商业化表面微机械加速度计(Analog Devices)(Analog Devices)p 1999 1999年年 光网络开关阵列光网络开关阵列(Lucent)(Lucent)12/10/20229第九页，共54页。由于MEMS器件和系统具有体

13、积小、重量轻、功耗小、成本低、可靠性高、性能优异、功能强大、可以批量生产等传统传感器无法比拟的优点，因此在航空、航天、汽车、生物医学、环境监测、军事以及几乎人们接触到的所有领域(lny)中都有着十分广阔的应用前景。MEMSMEMS的应用领域的应用领域12/10/202210第十页，共54页。MEMS的的应用领域应用领域1 1、MEMS在空间科学上的应用在空间科学上的应用 2 2、MEMS在军事国防上的应用在军事国防上的应用 3 3、MEMS在汽车工业上的应用在汽车工业上的应用 4 4、MEMS在医疗和生物技术上的应用在医疗和生物技术上的应用 5 5、MEMS在环境科学上的应用在环境科学上的应用

14、 6、MEMS在信息技术领域中的应用在信息技术领域中的应用 MEMS在导航、飞行器设计和微型卫星等方面有着重要应用。如：基于航天领域里的小卫星、微卫星、纳米卫星和皮米卫星的概念，提出了全硅卫星的设计方案，整个卫星的重量缩小到以千克计算，进而大幅度降低成本，使较密集的分布式卫星系统成为现实。用MEMS技术制造的微型飞行器、战场侦察传感器、智能军用机器人和其他MEMS器件，在军事上的无人技术领域发挥着重要作用。美国采用MEMS技术已制成尺寸只有10cm10 cm的微型侦察机。汽车发动机控制模块是最早使用MEMS技术的汽车装备，在汽车领域应用最多的是微加速度计和微压力传感器，并且以每年20%的比例在

15、迅速增长。此外，角速度计也是应用于汽车行业的重要MEMS传感器，它可用于车轮的侧滑控制。采用体微加工技术制作的各种微泵、微阀、微镊子、微沟槽和微流量计等器件适合于操作生物细胞和生物大分子。由于MEMS器件的体积小，能够进入很小的器官和组织，同时又能进行细微精细的操作，因此可以大大提高介入治疗的精度，降低医疗风险。利用MEMS技术制造的微型仪器在环境检测、分析和处理方面大有作为，它们主要是由化学传感器、生物传感器和数据处理系统组成的微型测量和分析设备,其优势在于体积小、价格低、功耗小和易于携带。MEMS技术的发展对信息技术产生了深远的影响。近年来，MEMS又逐渐向光通讯领域渗透，形成了由微光学、

16、微电子学、微机械学和材料科学相结合的全新研究领域，即微光电子机械系统（MOEMS）。12/10/202211第十一页，共54页。MEMSMEMS传感器及其组成的微型惯性传感器及其组成的微型惯性(gunxng)(gunxng)测量组合测量组合在汽车自动驾驶、汽车防撞气囊、汽车防抱死系统在汽车自动驾驶、汽车防撞气囊、汽车防抱死系统（ABSABS）、减震系统、防盗系统等。）、减震系统、防盗系统等。GPSGPS定位系统。定位系统。*在汽车里作为加速表来控制碰撞时安全气囊防护系统在汽车里作为加速表来控制碰撞时安全气囊防护系统的施用的施用*在汽车里作为陀螺来测定汽车倾斜，控制动态稳定在汽车里作为陀螺来测定

17、汽车倾斜，控制动态稳定控制系统控制系统*在轮胎里作为压力传感器。在轮胎里作为压力传感器。在汽车在汽车(qch)上的应用上的应用12/10/202212第十二页，共54页。12/10/202213第十三页，共54页。MEMS已在空间超微型卫星上得到应用已在空间超微型卫星上得到应用,该卫星外形尺寸为该卫星外形尺寸为 2.54 cm 7.62 cm 10.6 cm,重量仅为重量仅为 250 g。2000年年 1月月,发射的两颗试验小卫星是证明发射的两颗试验小卫星是证明(zhngmng)空基空基防御能力增强的一个范例。对小卫星试验来说幸运的是防御能力增强的一个范例。对小卫星试验来说幸运的是,因其飞行寿

18、命短因其飞行寿命短,所以所以,暴露暴露在宇宙辐射之下并不是关键问题。小卫星上基于硅的在宇宙辐射之下并不是关键问题。小卫星上基于硅的 RF开关在太空应用中表现出优开关在太空应用中表现出优异的性能异的性能,这得益于它的超微小尺寸。作为一个在海上应用的实例这得益于它的超微小尺寸。作为一个在海上应用的实例,MEMS引信引信/保险保险和引爆半导体和引爆半导体,微电子微电子,集成电路集成电路,IC,工艺工艺,设计设计,器件器件,封装封装,测试测试,F/SA 装置已成功地用于装置已成功地用于潜艇鱼雷对抗武器上。引信潜艇鱼雷对抗武器上。引信/保险和引爆装置的工作包括保险和引爆装置的工作包括 3个独立步骤个独立

19、步骤:发射鱼雷后发射鱼雷后,解解除炸药保险、引爆除炸药保险、引爆 引信引信 和防止在不正确时间爆炸和防止在不正确时间爆炸 保险保险。使用镀有金属层的硅结合巧。使用镀有金属层的硅结合巧妙的封装技术妙的封装技术,MEMS F/SA器件要比传统的装置小器件要比传统的装置小 1个数量级个数量级,可安装在可安装在 15.88 cm的的鱼雷上鱼雷上,这是其他方法做不到的这是其他方法做不到的.在军事在军事(jnsh)上的应用上的应用12/10/202214第十四页，共54页。国外国外MEMS 技术在引信技术在引信(ynxn)中的应用中的应用MEMS 技术在精确打击技术在精确打击(dj)弹药引信中的应用弹药引

20、信中的应用美国FMU2159/B 硬目标(mbio)侵彻灵巧引信及加速度计12/10/202215第十五页，共54页。采用(ciyng)MEMS 技术的弹道修正引信装有弹道(dndo)修正引信的MK64 制导炮弹12/10/202216第十六页，共54页。单兵20 mm 高爆榴弹(li dn)微机电引信12/10/202217第十七页，共54页。在在 1995年的国际会议上已有人正式提出研制年的国际会议上已有人正式提出研制(ynzh)全硅卫星全硅卫星的概念的概念。即整个卫星由硅太阳能电池板、硅导航模块、硅通信。即整个卫星由硅太阳能电池板、硅导航模块、硅通信模块等组合而成模块等组合而成,这样这样

21、,可使整个卫星的质量缩小到以可使整个卫星的质量缩小到以 kg计算计算,从而使卫星的成本大幅度降低从而使卫星的成本大幅度降低。美国提出的硅固态美国提出的硅固态美国提出的硅固态美国提出的硅固态卫星的概念图，这卫星的概念图，这卫星的概念图，这卫星的概念图，这个卫星除了蓄电池个卫星除了蓄电池个卫星除了蓄电池个卫星除了蓄电池外，全由硅片构成外，全由硅片构成外，全由硅片构成外，全由硅片构成(guchng)(guchng)，直径，直径，直径，直径仅仅仅仅15cm15cm。航空航天的应用航空航天的应用(yngyng)12/10/202218第十八页，共54页。微机械技术在生物医疗中的应用尤其令人惊叹。例如微机

22、械技术在生物医疗中的应用尤其令人惊叹。例如(lr):将微型传感器用口服或皮下注将微型传感器用口服或皮下注射法送入人体射法送入人体,就可对体内的五脏六腑进行直接有效的监测。就可对体内的五脏六腑进行直接有效的监测。将特制的微型机器人送入人体将特制的微型机器人送入人体,可刮去导致心脏病的油脂沉积物可刮去导致心脏病的油脂沉积物,除去体内的胆固醇除去体内的胆固醇,可探测和可探测和清除人体内的癌细胞清除人体内的癌细胞,进行视网膜开刀时进行视网膜开刀时,大夫可将遥控机器人放入眼球内大夫可将遥控机器人放入眼球内,在细胞操作、细胞在细胞操作、细胞融合、精细外科、血管、肠道内自动送药等方面应用甚广。融合、精细外科

23、、血管、肠道内自动送药等方面应用甚广。MEMS的微小可进入很小的器官和组织和能自动地进行细微精确的操作的特点的微小可进入很小的器官和组织和能自动地进行细微精确的操作的特点,可大大提高介可大大提高介入治疗的精度入治疗的精度,直接进入相应病变地进行工作直接进入相应病变地进行工作,降低手术风险。同微电子降低手术风险。同微电子,集成电路集成电路,IC,工艺工艺,设设计计,器件器件,封装封装,测试测试,MEMS时时,可进行基因分析和遗传诊断可进行基因分析和遗传诊断,利用微加工技术制造各种微泵、微阀、利用微加工技术制造各种微泵、微阀、微摄子、微沟槽、微器皿和微流量计的器件适合于操作生物细胞和生物大分子。所

24、以微摄子、微沟槽、微器皿和微流量计的器件适合于操作生物细胞和生物大分子。所以,微机械在微机械在现代医疗技术中的应用潜力巨大现代医疗技术中的应用潜力巨大,为人类最后征服各种绝症延长寿命带来了希望。为人类最后征服各种绝症延长寿命带来了希望。生物医疗生物医疗(ylio)和医学上的应用和医学上的应用12/10/202219第十九页，共54页。OMOM智能(zhnn)胶囊消化道内窥镜系统金山金山(jn shn)科技集团研制的胶囊内镜科技集团研制的胶囊内镜“胶囊内镜”是集图像处理、信息通讯、光电工程、生物医学等多学科技术为一体的典型的微机电系统(xtng)（MEMS）高科技产品，由智能胶囊、图像记录仪、手

25、持无线监视仪、影像分析处理软件等组成。工作时间：8小时左右视角度：140度视距：3cm分辨力：0.1mm体积：13mm27.9mm重量：6g外壳：无毒耐酸耐碱高分子材料图象记录仪12/10/202220第二十页，共54页。OMOM胶囊内镜的工作原理是：患者像服药一样用水将智能胶囊吞下后，它即随着胃肠肌肉的运动节奏沿着胃十二指肠空肠与回肠结肠直肠的方向运行，同时对经过的腔段连续摄像，并以数字信号传输图像给病人体外携带的图像记录仪进行存储记录，工作时间达68小时，在智能胶囊吞服872小时后就会随粪便排出(pich)体外。医生通过影像工作站分析图像记录仪所记录的图像就可以了解病人整个消化道的情况，从

26、而对病情做出诊断。影像影像(yn xin)工作站工作站 优点:操作简单:整个检查仅为吞服胶囊、记录与回放观察三个过程。医生只需在回放观察过程中，通过(tnggu)拍摄到的图片即可对病情做出准确判断。安全卫生:胶囊为一次性使用，避免交叉感染;外壳采用不能被消化液腐蚀的医用高分子材料，对人体无毒、无刺激性,能够安全排出体外。扩展视野:全小肠段真彩色图像清晰微观，突破了小肠检查的盲区，大大提高了消化道疾病诊断检出率。方便自如:患者无须麻醉、无须住院，行动自由，不耽误正常的工作和生活。12/10/202221第二十一页，共54页。这个一次性胰岛素注射泵融合了Debiotech的胰岛素输注系统技术和ST

27、的微射流MEMS芯片的量产能力。纳米泵的尺寸只有现有胰岛素泵的四分之一.微射流技术还能更好地控制胰岛素液的注射量，更精确地模仿胰岛自然分泌胰岛素的过程，同时还能检测泵可能发生的故障，更好地保护患者的安全。成本非常低廉。胰岛素注射泵疗法或者连续皮下注射胰岛素（CSII）可以替代(tdi)一天必须输注几次的单次胰岛素注射法，这种疗法越来越被人们看好。按照CSII治疗方法，糖尿病患者连接一个可编程的注射泵，注射泵与一个贮液器相连，胰岛素就从这个贮液器输注到人体皮下组织内，在一天的输液过程中，可根据病人的情况设定液量。微射流微射流MEMS技术技术(jsh)应用于糖尿病治疗应用于糖尿病治疗.12/10/

28、202222第二十二页，共54页。仿学中的应用(yngyng)（仿生纤毛）地下水流微传感器地下水流微传感器12/10/202223第二十三页，共54页。MEMS器件根据器件根据(gnj)其特性分成微传感器、其特性分成微传感器、微执行器、微结构器件、微机械光学器件等。微执行器、微结构器件、微机械光学器件等。微传感器微传感器机械类机械类化学化学(huxu)类类磁学类磁学类生物生物(shngw)类类力学力学力矩力矩位置位置速度速度加速度加速度流量流量角速度角速度(陀螺陀螺)气体成分气体成分湿度湿度PH值值离子浓度离子浓度12/10/202224第二十四页，共54页。微执行器微执行器马达马达(md)齿

29、轮齿轮(chln)扬声器扬声器开关开关(kigun)微结构器件微结构器件薄膜薄膜探针探针弹簧弹簧微梁微梁微腔微腔沟道沟道微轴微轴锥体锥体微光学器件微光学器件微镜阵列微镜阵列微光扫描器微光扫描器微斩光器微斩光器光编码器光编码器微光阀微光阀微干涉仪微干涉仪微光开关微光开关微透镜微透镜12/10/202225第二十五页，共54页。大机械制造小机械，小机械制造微机械日本(r bn)为代表LIGA工艺Lithograpie(光刻)、Galvanoformung(电铸)Abformung(塑铸)德国为代表硅微机械加工工艺：体硅工艺和表面牺牲层工艺美国为代表MEMSMEMS制造制造(zhzo)(zhzo)工

30、艺工艺12/10/202226第二十六页，共54页。Materials硅基材料硅基材料 单晶硅，多晶硅，非晶硅，二氧化硅，氮化硅，碳化硅，单晶硅，多晶硅，非晶硅，二氧化硅，氮化硅，碳化硅，SOI(Silicon On Insulator)SOI(Silicon On Insulator)。聚合物材料聚合物材料 光刻胶，聚二甲光刻胶，聚二甲(r ji)(r ji)硅氧烷硅氧烷其他材料其他材料 砷化镓，石英，玻璃，钻石，金属。砷化镓，石英，玻璃，钻石，金属。12/10/202227第二十七页，共54页。Technologies物理气相淀积物理气相淀积(Physical Vapour Deposit

31、ion)化学气相淀积化学气相淀积(Chemical Vapour Deposition)电镀（电镀（Electroplating）旋转铸模旋转铸模（Spin Casting）溶胶溶胶-凝胶（凝胶（SolGel Deposition）光刻光刻(Photolithography)刻蚀刻蚀:干法刻蚀（干法刻蚀（DRIE,ICP）和湿法腐蚀）和湿法腐蚀(fsh)键合技术键合技术12/10/202228第二十八页，共54页。物理物理(wl)气相淀积气相淀积(PVD)p物理气相淀积是利用某种物理过程，例如蒸发或溅射过程来实现物质转移，即把原物理气相淀积是利用某种物理过程，例如蒸发或溅射过程来实现物质转移，

32、即把原子或分子由源转移到衬底表面上，从而淀积形成薄膜，整个过程不涉及化学反应，子或分子由源转移到衬底表面上，从而淀积形成薄膜，整个过程不涉及化学反应，常用的有真空蒸发和溅射。常用的有真空蒸发和溅射。p真空蒸发是在真空室中，吧所要蒸发的金属加热到相当高的温度，使其原子或分子真空蒸发是在真空室中，吧所要蒸发的金属加热到相当高的温度，使其原子或分子获得足够高的能量，脱离金属材料表面的束缚而蒸发到真空中，从而淀积在硅晶获得足够高的能量，脱离金属材料表面的束缚而蒸发到真空中，从而淀积在硅晶原片表面形成一薄的膜。原片表面形成一薄的膜。p优点：较高的淀积速率，薄膜纯度高，厚度控制精确，生长机理简单优点：较高

33、的淀积速率，薄膜纯度高，厚度控制精确，生长机理简单缺点：台阶覆盖能力差，工艺重复性不好，淀积多元化合金薄膜时组分难以控制缺点：台阶覆盖能力差，工艺重复性不好，淀积多元化合金薄膜时组分难以控制p溅射是利用带有电荷溅射是利用带有电荷(dinh)的离子在电场中加速后具有一定动能的特点那个，的离子在电场中加速后具有一定动能的特点那个，将离子引向被溅射物质，轰击被溅射物质使其原子或分子逸出从而淀积到硅晶圆将离子引向被溅射物质，轰击被溅射物质使其原子或分子逸出从而淀积到硅晶圆片上形成薄膜。这个过程就像用石头用力扔向泥浆中，会溅出许多泥点落在身上片上形成薄膜。这个过程就像用石头用力扔向泥浆中，会溅出许多泥点

34、落在身上一样。一样。p优点：淀积薄膜与衬底附着性好，淀积多元化合金薄膜时组分容易控制，较高的薄优点：淀积薄膜与衬底附着性好，淀积多元化合金薄膜时组分容易控制，较高的薄膜溅射质量，高纯靶材，高纯气体膜溅射质量，高纯靶材，高纯气体。12/10/202229第二十九页，共54页。化学化学(huxu)气相淀积气相淀积(CVD)指把含有构成指把含有构成(guchng)(guchng)薄膜元素的两种或两种以上的气态原材薄膜元素的两种或两种以上的气态原材料导入到一个反应室内，然后他们相互之间发生化学反应，形成料导入到一个反应室内，然后他们相互之间发生化学反应，形成一种新的材料，沉积到晶片表面上。淀积氮化硅膜

35、一种新的材料，沉积到晶片表面上。淀积氮化硅膜(Si3N4)(Si3N4)就是一就是一个很好的例子，它是由硅烷和氮反应形成的。几乎可以淀积集成个很好的例子，它是由硅烷和氮反应形成的。几乎可以淀积集成电路工艺中所需要的各种薄膜，例如掺杂或不掺杂的电路工艺中所需要的各种薄膜，例如掺杂或不掺杂的SiO2SiO2、多晶、多晶硅、非晶硅、氮化硅、金属硅、非晶硅、氮化硅、金属(钨、钼钨、钼)等等目前常用的有常压化学气相淀积目前常用的有常压化学气相淀积(APCVD)(APCVD)、低压化学气相淀积、低压化学气相淀积(LPCVD)(LPCVD)以及等离子体增强化学气相淀积以及等离子体增强化学气相淀积(PECVD

36、)(PECVD)有淀积温度低、薄膜成分和厚度易于控制、均匀性和重复性好、有淀积温度低、薄膜成分和厚度易于控制、均匀性和重复性好、台阶覆盖优良、适用范围广、设备简单等一系列优点。台阶覆盖优良、适用范围广、设备简单等一系列优点。相对于与相对于与PVDPVD相比，其优点：结晶性和理想配比都比较好，薄膜成相比，其优点：结晶性和理想配比都比较好，薄膜成分和膜厚容易控制，淀积温度低，台阶覆盖性好。分和膜厚容易控制，淀积温度低，台阶覆盖性好。12/10/202230第三十页，共54页。真空镀膜仪真空镀膜仪12/10/202231第三十一页，共54页。磁控溅射磁控溅射电子在电场的作用下加速飞向基片的过程中与氩

37、原子发生碰撞，电离出大量的氩离子和电子，电子飞向基片。氩离子在电场的作用下加速轰击靶材，溅射(jinsh)出大量的靶材原子，呈中性的靶原子（或分子）沉积在基片上成膜。二次电子在加速飞向基片的过程中受到磁场洛仑磁力的影响，被束缚在靠近靶面的等离子体区域内，该区域内等离子体密度很高，二次电子在磁场的作用下围绕靶面作圆周运动，该电子的运动路径很长，在运动过程中不断的与氩原子发生碰撞电离出大量的氩离子轰击靶材，经过多次碰撞后电子的能量逐渐降低，摆脱磁力线的束缚，远离靶材，最终沉积在基片上12/10/202232第三十二页，共54页。电子束蒸镀电子束蒸镀12/10/202233第三十三页，共54页。光刻

38、光刻工艺流程(nylichn)（1）涂胶，（）涂胶，（2）前烘）前烘掩模版掩模版紫外光紫外光（3）曝光）曝光(bo gung)（4）显影）显影(xin yng)，（5）坚膜）坚膜（6）刻蚀，（）刻蚀，（7）去胶）去胶12/10/202234第三十四页，共54页。曝光方法：接触式曝光（曝光方法：接触式曝光（Contact PrintingContact Printing），接近式曝光），接近式曝光（Proximity PrintingProximity Printing），投影式曝光（），投影式曝光（Projection Projection PrintingPrinting）。）。正胶和负胶的

39、比较：正胶和负胶的比较：负性光刻采用负性光刻胶，曝光后光刻胶会因交联而硬化，不负性光刻采用负性光刻胶，曝光后光刻胶会因交联而硬化，不溶于溶剂，将想产生的图形置于掩模板上不透明的区域，则最溶于溶剂，将想产生的图形置于掩模板上不透明的区域，则最终在光刻胶上形成的图形与掩模板上的相反，负性光刻是最早终在光刻胶上形成的图形与掩模板上的相反，负性光刻是最早用在半导体工艺中的。用在半导体工艺中的。正性光刻采用正性光刻胶，基本特征，曝光后的光刻胶经过用正性光刻采用正性光刻胶，基本特征，曝光后的光刻胶经过用中化学反应，反应后，在显影液中软化并溶解，而不曝光的区中化学反应，反应后，在显影液中软化并溶解，而不曝光

40、的区域上的光刻胶则保留在硅片上，作为后续域上的光刻胶则保留在硅片上，作为后续(hux)(hux)工艺保护层，工艺保护层，这种方法复制到硅片表面上的图形与掩模板上的相同。这种方法复制到硅片表面上的图形与掩模板上的相同。12/10/202235第三十五页，共54页。LIGA技术技术(jsh)LIGA技术是利用技术是利用X光射线光刻，通过电铸成形和铸光射线光刻，通过电铸成形和铸塑形成深层微结构方法。可以加工各种金属、塑料和陶塑形成深层微结构方法。可以加工各种金属、塑料和陶瓷等材料，深度瓷等材料，深度(shnd)刻达刻达1000微米。微米。LIGA工艺对设备(shbi)的要求较高，生产费用较昂贵。12

41、/10/202236第三十六页，共54页。湿法化学湿法化学(huxu)腐蚀腐蚀硅的晶体结构硅的晶体结构图1.硅晶体结构硅晶体(jngt)中主要晶面12/10/202237第三十七页，共54页。各向异性腐蚀各向异性腐蚀(fsh)溶剂溶剂（1）KOH-H2O 溶液溶液(rngy)（2）KOH+IPA溶液溶液(rngy)（3）乙二胺）乙二胺-邻苯二酚和水的混合液（邻苯二酚和水的混合液（EPW）12/10/202238第三十八页，共54页。（4）TMAH（四甲基氢氧化铵）（四甲基氢氧化铵）SiO2在硅片在硅片100面上面上(minshn)的各向异性腐蚀的各向异性腐蚀在硅片在硅片110面上面上(mins

42、hn)的各向异性腐蚀的各向异性腐蚀12/10/202239第三十九页，共54页。(110)(111)(110)(110)(111)硅的各向异性硅的各向异性(xin y xn)腐腐蚀蚀(a)(b)12/10/202240第四十页，共54页。干法刻蚀反应(fnyng)离子刻蚀（RIE）深反应(fnyng)离子刻蚀(DRIE)耦合等离子体刻蚀(ICP)12/10/202241第四十一页，共54页。反应反应(fnyng)离子刻蚀（离子刻蚀（RIE）等离子体刻蚀与湿法刻蚀相等离子体刻蚀与湿法刻蚀相比，明显优点就是等离子可比，明显优点就是等离子可以容易以容易(rngy)地开始和结地开始和结束，而且等离子对

43、硅片上温束，而且等离子对硅片上温度的微小变化不是那么敏感。度的微小变化不是那么敏感。12/10/202242第四十二页，共54页。12/10/202243第四十三页，共54页。12/10/202244第四十四页，共54页。12/10/202245第四十五页，共54页。MEMS 螺旋形电感(din n)和多层电感(din n)12/10/202246第四十六页，共54页。固相键合技术固相键合技术(jsh)两块固态材料之间不用任何粘合剂，而是通过化学键合物理作用将它们紧密(jnm)地结合在一起的方法。在MEMS制造工艺中，经常要对微结构进行支撑和保护，也可实现机械结构之间或机械结构与集成电路之间的

44、电学连接。现在常用的是硅-硅直接键合和硅-玻璃的静电键合。12/10/202247第四十七页，共54页。12/10/202248第四十八页，共54页。速度速度(sd)和流速微传感器和流速微传感器这这种种微微传传感感器器利利用用微微桥桥 共共 振振 频频 率率 的的 变变 化化(binhu)来来检检测测流流量量，这这种种检检测测方方法法的的优优点点是是灵灵敏敏度度高高、响响应应快快和重复性好。和重复性好。各向异性刻蚀的共振各向异性刻蚀的共振(gngzhn)(gngzhn)微桥式流量微传感器微桥式流量微传感器12/10/202249第四十九页，共54页。加速度微传感器加速度微传感器悬臂梁式硅微加速

45、度计悬臂梁式硅微加速度计结构结构(jigu)(jigu)示意图示意图 悬臂梁式电容悬臂梁式电容(dinrng)(dinrng)加速度计结加速度计结构示意图构示意图 12/10/202250第五十页，共54页。力、压力力、压力(yl)和应变微传感器和应变微传感器电阻应变电阻应变(yngbin)(yngbin)式微压力传感器结构示意图式微压力传感器结构示意图 12/10/202251第五十一页，共54页。昆虫昆虫(knchng)型微机器人型微机器人日日本本精精工工-Epson-Epson公公司司19991999年年3 3月月宣宣布布已已开开发发出出世世界界上上最最小小的的昆昆虫虫型型机机器器人人，

46、如如左左图图所所示示。该该机机器器人人是是瓢瓢虫虫形形，银银制制外外壳壳，体体积积为为1cm31cm3，内内装装石石英英手手表表用用超超小小型型电电动动机，两只眼睛是光学传感器，速度最高为机，两只眼睛是光学传感器，速度最高为15mm/s15mm/s，充电，充电3min3min，可走，可走4min4min。20072007年年，日日本本研研究究人人员员展展示示了了一一种种超超小小医医用用机机器器人人的的原原始始模模型型，外外形形如如同同甲甲壳壳虫虫，如如右右图图所所示示。这这种种直直径径1cm1cm、长长为为2cm2cm、重重仅仅为为5g5g的的机机器器人人可可以以到到达达(dod)(dod)人

47、人体体内内患病处。患病处。12/10/202252第五十二页，共54页。“飞行飞行(fixng)(fixng)蝇蝇”微飞行微飞行(fixng)(fixng)器器 美美国国加加州州大大学学伯伯克克利利(Berkeley)(Berkeley)分分校校于于20012001年年研研制制成成功功一一只只非非常常微微小小的的扑扑冀冀式式微微飞飞行行器器，取取名名为为“飞飞行行蝇蝇”，如如图图所所示示。这这种种微微飞飞行行器器的的体体积积极极小小，高高度度不不到到3cm3cm，质质量量只只有有100g100g，但但能能在在100m100m高高的的空空中中飞飞行行20min20min。苍苍蝇蝇是是动动物物界界

48、中中的的飞飞行行能能手手，能能在在0.030.03秒秒的的瞬瞬间间迅迅速速起起飞飞，在在310-5s310-5s内内改改变变方方向向，最最高高飞飞行行速速度度为为40km/s40km/s，是是所所有有飞飞虫虫中中飞飞行行最最稳稳定定、机机动动性性能能最最佳佳的的。“飞飞行行蝇蝇”微微飞飞行行器器就就是是利利用用(lyng)(lyng)仿生原理制造出的世界上第一只能飞的仿生原理制造出的世界上第一只能飞的“机器蝇机器蝇”。12/10/202253第五十三页，共54页。中国的微小中国的微小(wixio)(wixio)卫星卫星 清清华华大大学学、哈哈尔尔滨滨工工业业大大学学等等单单位位都都在在进进行行

49、(jnxng)(jnxng)微微小小卫卫星星的的研研究究工工作作。图图是是清清华华大大学学和和英英国国SurreySurrey大大学学合合作作研研制制的的清清华华-号号微微型型实实验验卫卫星星，质质量量约约50kg50kg，已已于于20002000年年成成功功发发射射。20042004年年4 4月月2323日日哈哈尔尔滨滨工工业业大大学学研研制制的的203kg203kg实实验验一一号号小小型型卫卫星星成成功功发发射射，工工作作情情况况良良好好，清清华华大大学学研研制制的的第第二二颗颗微微型型卫卫星星也同时用同一火箭发射成功。也同时用同一火箭发射成功。12/10/202254第五十四页，共54页。