微传感器与mems技术课件

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1、微传感器与MEMS技术 Micro-sensors and MEMS technology,Agenda,微机电技术、微机电系统 MEMS的发展 MEMS的应用 MEMS所用材料 微加工工艺,微传感器与微机电系统,微机电技术,MEMS技术是以微电子、微机械与材料科学为基 础，研究、设计、制造具有特定功能的微型装置的 一门科学。,传统的机械系统,原动部分 提供动力源 传动部分 负责把动力传给工作部分 工作部分 完成预期动作或预期轨迹 控制部分 如数控机床的控制电路,理想的微机电系统,微机电系统,定义： 微机电系统(micro-elelctro-mechanical system, MEMS)是指

2、采用微机械加工技术可以批量制作的，集微型传感器、微型机构、微型执行器以及信号处理和控制电路、接口、通信等模块于一体（一般为硅基底材料）的微型器件或微型系统。,微机电系统,美国：微机电系统 欧洲：微系统 日本：微型机械 中国：微机电系统,微机电系统的尺寸,微电子与微型机械的区别与联系,微电子与微型机械都需要微细加工，微型机械加工方法传承了微电子加工方法。,微机电技术,主要组成部分： 微传感器 通过对机械、热、生物、化学、光学、电磁等现象的测量，从外界环境中获取信息 微执行器 按照信息处理结果，对外界环境进行响应操作，如位移、定位等 微电子电路 对传感器采集到的信息进行处理 微结构 具有与大尺寸结

3、构不同的力、热、化学等方面的特性，是MEMS技术不同于大尺寸加工技术的主要原因之一。,微机电系统的意义,MEMS技术是关系到一个国家科技发展、经常繁荣、国防安全的至关重要的技术。 MEMS技术的发展将带动众多交叉学科与高新技术产业的发展。,MEMS,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的质量 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 微机

4、电系统产业,MEMS,ADI公司生产的微加速度计MEMS芯片,ADI公司的ADXL346数字输出MEMS加速度计,微机电系统的发展,MEMS的研究公认自1960年代开始。 1988年，硅静电马达发表 5月27日，美国加州大学伯克利分校的科研人员为一个用IC工艺制作的直径约为120um的静电马达通电,并在显微镜下观察了其运转情况。 它的成功运转代表了人类向微型世界迈出了实质性的一步。 许多科技工作者认为，它标志着微机电系统时代的到来。,微机电系统的发展,1988年，三个研究小组的15名美国科学家联合撰写了“小机器、大机遇一个关于新兴的微动力学领域的报告”。Small Machines, Larg

5、e Opportunities 根据这个报告，美国国家自然科学基金NSF拨巨款支持这项研究。 1989年NSF研讨会上，“微电子技术应用于电机系统” 提法首次出现。自此，MEMS一词逐渐成为一个世界性的学术用语 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,微机电系统的发展,MEMS的诞生和发展是需求牵引和技术推动的综合结果 需求牵引是MEMS发展的源泉 信息系统的微型化、多功能化和智能化是不断追求的目标，也是电子整机部门的迫切需求； 信息系统的微型化使系统体积大大减小，功能大大提高，性能、可靠性大幅度上升，功耗和价格大幅度下降； 电子系统通过采用微电子技术达到微型

6、化的目标，因此非电子系统的微型化势在必行。,微机电系统的发展,MEMS的诞生和发展是需求牵引和技术推动的综合结果 需求牵引是MEMS发展的源泉 医疗: 例：对患者内脏检查用的无创、微创医用导管和显微外科的要求。澳2009年，大利亚莫纳什大学的科学家弗兰德介绍了一种机器人，宽度仅有0.25mm，可以设法推入血管，去摘除血栓。 军事： 例：可作为侦察敌情用的微型航空器，芯片级的微型航天器和纳卫星，能跟踪、监测的做工无人值守传感器群。,微机电系统的发展,MEMS的诞生和发展是需求牵引和技术推动的综合结果 技术推动是MEMS实现的保证 以集成电路为中心的微电子学的飞跃进步提供了基础技术 MEMS是微电

7、子和微机械的巧妙结合 新材料、微机械理论、加工技术的进步，使单片微电子机械系统正在变为现实,控制部分 电子学,MEMS,微电子学,传统的机械电子系统,IC工艺发展后的机械电子系统 （微小的控制系统和相对大的机械系统）,机械系统和传感执行系统缩小后与控制系统平衡的MEMS,微机电系统的发展,MEMS是一个多学科综合的技术，所涉及的技术领域非常广泛,MEMS所涉及到的技术领域,微机电系统的发展,MEMS技术的发展显示出巨大的生命力，它把信息系统的微型化、多功能化、智能化和可靠性水平提高到了新的高度。 MEMS产品的应用领域 其中在工业仪表、打印机、传真机、汽车、医疗检测和DNA分析等方面已取得可观

8、的经济效益。,工业过程控制 通信 计算机和机器人 环境保护和监测 生物医疗 军事战争 运输 农业,MEMS的一些典型应用,MEMS的一些典型应用,MEMS的一些典型应用,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5 m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,MEMS的一些典型应用,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

9、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。 美国阿尔卡特朗讯等公司和一些大学研究了全光通信网用的微系统及无线通信用射频微系统,MEMS的一些典型应用,生物医学 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的一些典型应用,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,硅旋转马达,MEMS技术,MEMS用批量化的微电子技

10、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 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世纪一个新的产业增长点，则是无可质疑的。,MEMS所用材料,硅材料 金属 金属氧化物,晶体（crystal） 是有明确衍射图案的固体，其原子或分子在空间按一定规律周期重复地排列。晶体中原子或分子的排列具有三维空间的周期性，隔一定的距离重复出现，这种周期性规律是晶体结构中最基本的特征。,MEMS所用材料,单晶体与多晶体 整块物质都由原子或分子按一定规

11、律作周期性重复排列的晶体称为单晶体。 特征: (1)单晶体有一定的几何外形； (2) 有固定的熔点； (3) 各向异性 多晶体是众多取向晶粒的单晶的集合。多晶与单晶内部均以点阵式的周期性结构为其基础，对同一品种晶体来说，两者本质相同。不同处在于单晶体是各向异性的，多晶体则是各向同性的。,MEMS所用材料,晶体的各向异性即沿晶格的不同方向，原子排列的周期性和疏密程度不尽相同，由此导致晶体在不同方向的物理化学特性也不同。,MEMS所用材料单晶硅与多晶硅,单晶硅 单晶硅是广泛使用的、廉价的MEMS材料 是最通用的体加工材料有良好的各向异性腐蚀特性及与掩膜材料的兼容性。 在表面微机械加工中，单晶硅衬底

12、是最理想的MEMS结构平台。 单晶硅物理特性稳定，无塑性变形,MEMS所用材料单晶硅与多晶硅,单晶硅 单晶硅是各向异性的材料，性能取决于晶体的切向,单晶硅的晶胞及常用晶片,单晶硅片,MEMS所用材料单晶硅与多晶硅,多晶硅 当硅材料淀积在基片表面时，就会形成多晶硅。 多晶硅是由硅的微晶组成的，这些微晶的尺寸在0.1 um到十几微米之间。 多晶硅常用作微电子电路中的连线材料。 多晶硅具有同单晶硅类似的机械性能，但没有晶面，在受到相对比较低的应力时就会发生破裂，且破裂的方向是随机的。,单晶硅和多晶硅的区别：是晶体硅的两种不同形态。当熔融的单质硅凝固时,硅原子以金刚石晶格排列成许多晶核，如果这些晶核长

13、成晶面取向相同的晶粒，则形成单晶硅。如果这些晶核长成晶面取向不同的晶粒，则形成多晶硅。多晶硅与单晶硅的差异主要表现在物理性质方面。例如在力学性质、电学性质等方面，多晶硅均不如单晶硅。多晶硅可作为拉制单晶硅的原料。,MEMS所用材料单晶硅与多晶硅,多晶硅 是MEMS器件表面微机械加工材料中主要的结构材料。 多晶硅薄膜通常采用低压化学气相淀积（LPCVD)的工艺制备。 淀积之后要进行一次或多次高温工艺处理（如注入、热氧、退火等）。,MEMS所用材料氧化硅与氮化硅,二氧化硅 二氧化硅（SiO2）是非常有用的电子材料，其介电常数低，电阻率非常高，且容易成型，粘附力强。裸露在空气中的硅在室温下就会形成一

14、层约为3nm的SiO2 。当加热到900摄氏度，保持1小时后，可形成1um的SiO2层。 常用的SiO2生长和淀积工艺是热氧化和低压化学气相淀积（LPCVD）。 另一种低压淀积工艺是等离子体增强化学气相淀积（PECVD)。如用于淀积低应力、非常厚（10-20um)的SiO2膜用作微机械涡轮发动机的绝缘层。,MEMS所用材料氧化硅与氮化硅,氮化硅 氮化硅（Si3N4）也是一种优良的电子材料，其介电常数低，电阻率非常高，不会受到氧的影响，比起硅材料本身，氮化硅可耐受多种化学腐蚀。 氮化硅的淀积工艺及应用技术同样相当成熟，可通过化学反应的方式进行淀积，淀积温度为700摄氏度。 氮化硅比氧化硅的绝缘性

15、能更好，熔点高达1100摄氏度是一种非常常用的绝缘层材料，用于器件之间以及器件与基底材料之间提供绝缘。也用于表面钝化、刻蚀掩膜和机械结构材料。,金属材料,MEMS中常用的金属材料有：铝、钨、金、铂等 铝：最常用的材料之一，熔点低，性能稳定； 钨：在高温下可保持稳定 由于尺寸的微型化，金属材料的机械性能远不同于宏观尺寸的性能，其晶粒结构非常复杂且受到表面层的影响，许多性质目前还无法得到合理的解释。,光刻胶,是MEMS工艺必不可少的一种有机材料 在平面光刻工艺中的应用 首先在基片表面利用旋转涂敷方法制备一层光刻胶薄膜，然后在100摄氏度下烘干。紫外线透过掩模照射到光刻胶薄膜上，“曝光”区域的分子发

16、生化学变化，在后续的化学显影过程中被除去，从而得到希望的图案。 一般光刻胶薄膜的厚度为0.5 um左右，SU-8光刻胶可达到50 um以上，可用来制作高深宽比的结构。,微机电系统的制作工艺,微细机械加工的方法,利用成熟的IC加工工艺 是微制造工艺中非常重要的核心技术 使用传统的超精加工方法加工微型机件 在装配方法、批量生产、与电路加工的兼容性等方面，都需要改进 一些有前景的加工工艺 LIGA（光刻电铸成型工艺） 光成型技术 扫描隧道显微技术STM 质子束加工 多光子吸收,微细机械加工的方法,利用成熟的IC加工工艺 是微制造工艺中非常重要的核心技术 使用传统的超精加工方法加工微型机件 在装配方法、批量生产、与电路加工的兼容性等方面，都需要改进 一些有前景的加工工艺 LIGA（光刻电铸成型工艺） 具有很大深宽比，可加工多种材料，可批量制作。 与半导体工艺兼容方面存在问题； 一般只能加工直壁结构的立体，不适合加工任意形状的三维立体 光成型技术 扫描隧道显微技术STM 质子束加工 多光子吸收,微制造概述,MEMS和IC器件一般都制作在单晶硅