微细加工与MEMS技术-张庆中-19-微机电系统.pptx

第19章微机电系统（MEMS）19.1硅基微型机构的优点一、机械的小型化和轻量化节约材料和能源；惯性小，因而灵敏度高、频率高；热容量小；等等。在医疗与军事等领域有巨大的应用前景。19.2硅基微型机构的加工制造技术一、体硅腐蚀技术这种技术是在空间的三个维度上将硅衬底的大部分腐蚀掉，只留下选定的区域，以形成最终的单晶硅结构。MEMS元件的尺寸控制利用体硅腐蚀技术制造的MEMS元件，其横向尺寸取决于光刻，可以控制得非常精确。但是其深度方向上的尺寸由湿法腐蚀决定，因此比较难控制。体硅腐蚀技术中控制腐蚀深度的方法，称为腐蚀终止技术，主要有以下5种：3、P++掺杂层自停技术5、高密度RIE（HDPRIE）刻蚀技术利用RIE刻蚀技术可实现与晶面无关的各向异性刻蚀。现已可获得深宽比达30以上的坑槽。但由于刻蚀速率很慢，通常用于小区域上的各向异性刻蚀。二、表面加工技术采用与集成电路制造工艺相似的各种标准加工工艺，如薄膜淀积、光刻等。其中最重要的一种加工技术称为“表面牺牲层腐蚀技术”，可在硅片表面制作可动的机械结构。这种技术利用不同材料在同一腐蚀液中腐蚀速率的巨大差异，将已按一定形状和顺序叠加在一起的多层薄膜材料中的一层选择性地去掉，从而得到所需的结构。被去掉的这一层即称为表面牺牲层。常用的慢腐蚀材料有Si和Poly-Si，牺牲层材料有CVDSiO2、PSG、Al和PMMA。腐蚀液为HF溶液。固定轴（Poly-Si-2）MEMS较早进入且现已占据支配地位的另一个领域是压力传感器。压力传感器的工作原理与加速度传感器类似，也是由压力造成的形变使应变电阻值发生改变。与加速度传感器不同的是，由于质量块需感受压力，因而不能密封。当质量块仅一侧开放时，称为绝对压力传感器；当质量块两侧均开放时，称为相对压力传感器。下图是一种相对压力传感器的芯片剖面图。四、微活页六、单向阀1、定时腐蚀最简单的方法就是靠时间和经验来控制腐蚀的终止，但这种方法的精度最差，且有负载效应。4、电化学自停技术对N型硅加上相对于腐蚀液为正的偏置电压，将阻止N型硅的腐蚀。利用体硅腐蚀技术形成的硅杯、硅膜片和SiO2悬臂梁利用这种技术可制作Poly-Si膜片、悬臂梁和轴承等。加速度计市场是应用MEMS的最好范例。许多公司都是从开发加速度计而进入MEMS领域的。MEMS加速度计现在已是成熟商品，并在市场中占绝对的支配地位。MEMS加速度计的一个重要应用是在汽车安全气囊系统中。各公司制作这种加速度计的具体工艺各不相同。下图的加速度计是由以体硅腐蚀技术加工的多层硅片迭加而成。加速度使硅质量块移动，从而改变应变电阻的值。通过测量电阻值的改变可换算出加速度。原子力显微镜和扫描隧道显微镜的探针几乎都是用MEMS工艺制作的。要求探针具有很好的形状和非常软的悬挂架，典型的探针悬挂材料是氮化硅。MEMS技术是满足这一要求的唯一可行方案。1988年，美国加州大学首次研制成功硅基微静电马达，转子直径为120μm，转速为600rpm。这成为MEMS发展史上的一个重要里程碑。在这之后，MIT和威斯康星大学研制成功的硅基微静电马达转速分别达到了10000rpm和33000rpm。由两个单向阀、一个压电动作器和可动膜片可构成微型泵。这种泵已可实际使用，但还需改进，如提高压力容限、降低泄漏率等。