微机电系统

4、表面微加工 与体微加工相比较，表面微加工技术对于 微小结构的尺寸更易控制。下图给出了表面微 加工的基本过程。
表面微机械加工原理示意图
(1)表面微加工使用的材料是一组相互匹配的结构层、 牺牲层材料
(2)表面微加工的特点 与体微加工相比较，在表面微加工中，硅片本身不 被刻蚀。没有孔穿过硅片，硅片背面也无凹坑。
微动力学 微流体力学 微热力学 微摩擦学 微光学 微结构学
研究领域
技术基础：设计、工艺加工(高深宽比多层 微结构)、微装配工艺、微系统的测量等。 应用研究：如何应用这些MEMS系统也是一 门非常重要的学问。人们不仅要开发各种 制造MEMS的技术，更重要的是如何将MEMS 器件用于实际系统，并从中受益。
9 微机电系统
Micro-ElectroMechanical Systems
引
信息系统微型化
系统体积大大减小 性能、可靠性大幅度上升 功耗和价格大幅度降低
言
信息系统的目标：微型化和集成化
微电子解决电子系统的微型化 非电子系统成为整个系统进一步缩小的关键
控制部分 电子学
微电子学
机械 部分 传感 执行
电、光、 声、热、 磁力等外 界信号的 采集—各 种传感器
信息输入 与模/数 传输
信 息 处 理
信息输出 与数/模 转换
执 行 器 、 显 示 器 等
信息存储
一般意义上的系统集成芯片
广义上的系统集成芯片
2 6
2
络合物不断离开硅的表面
B、硅体的各向同性刻蚀
硅各向同性腐蚀最常用的腐蚀液为HF-HNO3加水或 者乙酸系统(通常称为HNA系统) ，其腐蚀机理： 硝酸与硅发生氧化反应生成二氧化硅，然后由HF 将二氧化硅溶解 Si+HNO3+HF=H2SiF6+HNO2+H2O+H2 水和乙酸（CH3COOH）通常作为稀释剂，在HNO3 溶液中，HNO3几乎全部电离，因此H+浓度较高，而 CH3COOH是弱酸，电离度较小。
9.2.1 体微加工
硅的体微加工技术主要包含硅的湿 法和干法刻蚀技术。
1 湿法腐蚀技术
如果在单晶硅各个方向上的腐蚀速率是均匀的 称为各向同性刻蚀，而腐蚀速率取决于晶体取向的 则称为各向异性腐蚀。在一定的条件下腐蚀具有一 定的方向跃居第一，是硅单晶片腐蚀过程中的重要 特征之一。
A、KOH、EDP腐蚀系统（各向异性腐蚀）
微惯性传感器及微型惯性测量组合能应用于制导、 卫星控制、汽车自动驾驶、汽车防撞气囊、汽车防 抱死系统(ABS)、稳定控制和玩具 微流量系统和微分析仪可用于微推进、伤员救护 MEMS系统还可以用于医疗、高密度存储和显示、 光谱分析、信息采集等等 已经制造出尖端直径为5m的可以夹起一个红细胞 的微型镊子，可以在磁场中飞行的象蝴蝶大小的飞 机等
两种微复制方法的工作原理
D、LIGA技术的扩展
1、牺牲层LIGA技术 在微机械制造领域，很多情况下需要制造可活动的 零部件，例如微阀、微马达和微加速度计等。利用牺 牲层LIGA技术可制造活动的微器件，下图给出了牺 牲层LIGA技术工艺原理图。
牺牲层LIGA技 术工艺原理图
2、 LIGA套刻技术 LIGA技术中，利用套刻技术获得含有台阶的微 结构，该技术在第一次光刻、微电铸的基础上进行 第二次套刻技术可获得的微变速齿轮。 3、倾斜曝光技术 在LIGA技术中，可以通过倾斜曝光获得一些特殊 的图形。
9.2 MEMS制造技术
微电子机械系统是指采用微机械加工技 术和微电子技术相结合的工艺技术,可以批 量制作,集微型机构、微型传感器、微型执 行器以及信号处理和控制电路、接口、通 讯等于一体的微型器件或微型系统。
MEMS的制造技术主要包括两类技术：体微 加工和表面微加工。这两类加工技术的基本材 料都用硅，而加工工艺的基础都是集成电路制 造技术。本小节主要介绍如下几种加工工艺： 1.表面微加工技术，来自金属膜的概念。在硅 腐蚀的基础上，采用不同薄膜淀积腐蚀方法， 在硅片表面形成不同形状的层状微结构。 2. 体微加工技术 3. LIGA技术 4.键合工艺
MEMS的分类
微传感器：
机械类：力学、力矩、加速度、速度、 角速度(陀螺)、位置、流量传感器 磁学类：磁通计、磁场计 热学类：温度计 化学类：气体成分、湿度、PH值和离 子浓度传感器 生物学类：DNA芯片
MEMS的分类
微执行器：微马达、微齿轮、微泵、微阀门、 微开关、微喷射器、微扬声器、微谐振器等 微型构件：微膜、微梁、微探针、微齿轮、微 弹簧、微腔、微沟道、微锥体、微轴、微连杆 等 微机械光学器件：微镜阵列、微光扫描器、微 光阀、微斩光器、微干涉仪、微光开关、微可 变焦透镜、微外腔激光器、光编码器等
X光过渡掩模板制造工艺流程图
B、 微电铸工艺
目前镍的微电铸工艺比较成熟，镍较稳定，且具有 一定的硬度，可用于微复制模具的制作。 由于金是LIGA掩模板的阻挡层，所以，在LIGA技 术中，金的微电铸技术非常重要。 有些传感器和执行器需要有磁性作为驱动力，所以， 具有磁性的铁镍合金的微电铸对 LIGA 技术也很重要。 其他如银、铜等也是LIGA技术常用的金属材料。 LIGA 的微电铸工艺技术难点之一，是对高深宽比 的深孔、深槽进行微电铸。
MEMS技术的应用
空间应用
用作运行参数测量的微加速度计已进行了地面 辐照实验，正在进行飞行搭载实验 微陀螺、微推进和微喷管等微系统基础研究
通信方面
光通信正在向有光交换功能的全光通信网络方 向发展 无线通信则要求增强功能（如联网等）和减小 功耗。包括美国朗讯公司在内的一些公司和大 学正在研究全光通信网用的微系统及无线通信 用射频微系统
5 键合技术 不利用任何粘合剂，将硅片和硅片、 硅片与玻璃、或其他材料紧密结合起来 的方法。
9.3 几种重要的MEMS器件
惯性器件
电容式微加速度计
光学MEMS器件
光开关
微机械1X2光开关
微机械1X8光开关
光开关
微机械22光开关
微机械2 2光开关
结束语
MEMS技术
MEMS技 术及其产 品的增长 速度非常 之高，并 且目前正 处在加速 发展时期
腐蚀速率与温度的关系（高HF区，无稀释）自下而 上 每 族 曲 线 对 应 的 配 比 为 ： 95%HF+5%HNO3 ， 90%HF+10%HNO3，85%HF+15%HNO3
腐蚀速率与成分的关系
2 硅刻蚀的干法技术
干法刻蚀具有分辨率高、各向异性腐蚀能力强、 选择比大，以及能进行自动化操作等优点。因此 ，干法刻蚀在体微加工中将逐渐占有重要地位。 •干法刻蚀的过程可分为以下几个步骤 ： （1）腐蚀性气体粒子的产生； （2）粒子向衬底的传输 (3）衬底表面的腐蚀； （4）腐蚀反映物的排除。 •干法腐蚀的种类有物理方法：离子腐蚀（溅射） Ion Etching(IE),离子束腐蚀Ion Beam Etching(IBE)；化学方法：等离子体腐蚀 Plasma Etching(PE)
MEMS技术的历史
微系统是从微传感器发展而来的，已有 几次突破性的进展
70年代微机械压力传感器产品问世 80年代末研制出硅静电微马达 90年代喷墨打印头，硬盘读写头、硅加速度 计和数字微镜器件等相继规模化生产 充分展示了微系统技术及其微系统的巨大应 用前景
MEMS技术
MEMS用批量化的微电子技术制造出尺寸 与集成电路大小相当的非电子系统，实现 电子系统和非电子系统的一体化集成
KOH、H2O和（CH3）2CHOH（异丙醇，即IPA） 首先将硅氧化成含水的硅化合物 KOH+ H2O=K++2OH-+H+ Si+2OH-+4 H2O Si(OH)2然后与异丙醇反应，形成可溶解的硅
Si (OH ) 6(CH3 )2 CHOH [Si (OC3H7 )6 ] 6H 2O
由于同步辐射X光深层光刻代价较高,无法进行大批量生产， 所以LIGA技术的产业化只有通过微复制技术来实现。目前微复 制方法主要有两种，注塑成型和模压成型，下图给出了注塑成 型和模压成型两种微复制方法的工作原理。其中注塑成型适用 于塑料产品的批量生产，模压成型适用于金属产品的批量生产
C、 微复制工艺
MEMS技术的应用
在生物医学方面，将光、机、电、液、 生化等部件集成在一起，构成一个微型 芯片实验室，用于临床医学检测，为医 生甚至家庭提供简单、廉价、准确和快 捷的检测手段 光显示、高密度存储、汽车、国防等微 系统
MEMS技术的应用
美国提出的硅固态卫星的概念图，这个卫星除了蓄电池外， 全由硅片构成，直径仅15cm
从根本上解决信息系统的微型化问题 实现许多以前无法实现的功能
今天的MEMS与40年前的集成电路类似， MEMS对未来的社会发展将会产生什么影 响目前还难以预料，但它是21世纪初一个 新的产业增长点，则是无可质疑的
研究领域
理论基础：随着 MEMS 尺寸的缩小，有些宏观 的物理特性发生了改变，很多原来的理论基础都 会发生变化，如力的尺寸效应、微结构的表面效 应、微观摩擦机理等等，
大批量、低成本的传感器生产方式给人们更多的保护
MEMS将会带动一个充满活力的产业迅速成长
不是钢铁、汽车、微电子，而是微系统
ADI公司 生产的微 加速度机 MEMS芯 片
MEMS技术的应用
MEMS在航空、航天、汽车、生物医学、 环境监控、军事以及几乎人们接触到的所有 领域中都有着十分广阔的应用前景
MEMS — 微小型、智能、集成、高可靠
MEMS是人类科技发展过程一次重大的技术整合
微电子技术、精密加工技术、传感器技术、执行器技术
微小型化、智能化、集成化、高可靠性
MEMS能够完成真正意义上的微小型系统集成
在芯片上实现了力、热、磁、化学到电的转变
MEMS极大地改善了人类生活百度文库质量
3 LIGA体微加工技术
四个工艺组成部分：LIGA掩模板制造工艺；X光深 层光刻工艺；微电铸工艺；微复制工艺。 LIGA掩模板必须能有选择地透过和阻挡X光，一般 的紫外光掩模板不适合做LIGA掩模板。
LIGA掩模板的X光透光薄膜材料的性能及其优缺点
LIGA技术的工艺流程
A、X光深层光刻工艺
需平行的X光光源。由于需要曝光的光刻胶的厚度要达到几百 微米，用一般的X光光源需要很长的曝光时间。同步辐射X光光 源不仅能提供平行的X光，并且强度是普通X光的几十万倍，这 样可以大大缩短曝光时间。
MEMS
9 微机电系统
9.1 微机电系统的基本概念
9.2 几种重要的MEMS器件
9.3 MEMS加工工艺 9.4 MEMS技术发展趋势
9.1 微机电系统的基本概念
9.1 微机电系统的基本概念
从广义上讲，MEMS是指集微型传感器、微型执行器、 信号处理和控制电路、接口电路、通信系统以及电源于 一体的微型机电系统 MEMS技术是一种多学科交叉的前沿性领域，它几乎涉 及到自然及工程科学的所有领域，如电子、机械、光学、 物理学、化学、生物医学、材料科学、能源科学等