1、MEMS技术及其应用1主要内容主要内容o MEMS技术简介o MEMS技术应用o 微机械制造技术o MEMS器件2MEMS简介3What is MEMS Technology? MEMS (microelectromechanical systems) are devices that involve integrated micro-devices or systems, usually comprised of electrical and mechanical components, produced using microelectronics-compatible batch-pro
2、cessing techniques. These systems merge computation with sensing and actuation to perceive the physical world at a miniaturized level.4 早在二十世纪六十年代，在硅集成电路制造技术发明不久，研究人早在二十世纪六十年代，在硅集成电路制造技术发明不久，研究人员就想利用这些制造技术和利用硅很好的机械特性，制造微型机械部件，员就想利用这些制造技术和利用硅很好的机械特性，制造微型机械部件，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如微传感器、微执行器等
3、。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，如果把微电子电路比作人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）和手脚（执行器），两者的的大脑，微机械比作人的五官（传感器）和手脚（执行器），两者的紧密结合，就是一个功能齐全而强大的微系统。紧密结合，就是一个功能齐全而强大的微系统。MEMS定义5机械机械部分部分传感传感执行执行控制部分控制部分电子学电子学MEMS微电子学微电子学6o 从广义上讲，MEMS是指集
4、微型传感器、微型执行器以及信号处理和控制电路，甚至接口电路、通信和电源于一体的微型机电系统。o 图是一典型的MEMS示意图。由传感器、信息处理单元。执行器和通讯/接口单元等组成。其输入是物理信号，通过传感器转换为电信号，经过信号处理（模拟的和/或数字的）后，由执行器与外界作用。每一个微系统可以采用数字或模拟信号（电、光、磁等物理量）与其它微系统进行通信78o 1959年就有科学家提出微型机械的设想，但直到1962年才出现属于微机械范畴的产品硅微型压力传感器。其后尺寸为50500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1987年由华裔留美学生冯龙生等人研制出转子直径为60微米和
5、100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，也标志着微电子机械系统(MEMS)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。和微系统等方面）的一门科学。 9世界上第一个微静电马达世界上第一个
6、微静电马达10各国对各国对MEMS的研究的研究o MEMS自20世纪80年代中期发展至今一直受到世界各个国家的广泛重视，许多有影响的大专院校和研究机构纷纷投巨资建立实验室，投入到MEMS的研究开发中。 在美国政府巨额经费的资助下，包括麻省理工大学、加州大学伯克利分校、斯坦福大学、IBM、AT&T等三十余个大学、国家实验室和民间实验机构都投入到这个项目的研究中，取得了令人瞩目的研究成果。至今美国的科学家不仅已经制作出各种整体尺寸几百微米量级的微机械部件，能够将它们应用到各类传感器的制作中，而且有相当种类的MEMS器件实现了产业化。 1991年，日本成立了国家MEMS开发中心，并在10年内投入了2
7、50亿日元开展“微型机械技术”研究开发。由于高强度的资金支持，日本在一些MEMS研究方面也达到了世界领先地位。此外，日本发展了微细电火花EDM、超声波加工、激光纳米加工等的精密加工技术。 德国的卡尔斯鲁研究中心在1987年提出了LIGA工艺而闻名于世，该技术采用X射线曝光和精密电镀相结合，将半导体工艺技术的准三维加工推向真正的三维加工，加工深度可达几百微米，并且具有更高的尺寸精度，现在这种工艺已被许多国家的研究人员所采用。 此外，如荷兰、英国、俄罗斯、新加坡、加拿大、以色列、韩国、台湾等国家和地区也取得了相当不错的研究成果。 中国 美国 日本 德国 其他11我国对我国对MEMS的研究简介的研究
8、简介 经费投入经费投入 研究机构研究机构 研究方向研究方向 研究特点研究特点中国MEMS研究的覆盖面是比较宽的，增长速度是比较快的，然而，中国的MEMS研究多集中在高校和非产业化的研究所，研制的器件和系统大多数没有达到产前样机的水平，中国MEMS发展中的实用化和产业化还存在很严重的缺陷。MEMS研究在我国已形成了如下几个方向：微型惯性器件和惯性测量组合；机械量微型传感器和致动器；微流量器件和系统；生物传感器、生物芯片和微操作系统；微型机器人；硅和非硅制造工艺。 目前不同层次的内地研究单位有60余个，如：清华大学、北京大学、上海微系统与信息技术所、北京半导体所、上海交大、东南大学、石家庄十三所、
9、浙江大学、厦门大学、哈尔滨工业大学、西安交大、大连理工大学、华中科技大学、长春光机所、中国科技大学、天津大学、南开大学和吉林大学等。 我国在MEMS方面的研究始于1989年，在国家“八五”、“九五”计划期间，得到了国家自然科学基金委、国家科技部、教育司、中国科学院和总装备部的积极支持，经费总投入约为1.5亿人民币。“十五”期间，MEMS被正式列入863计划中的重大专项，加上教育部的教育振兴计划、中国科学院的知识创新体系、基金委和科技部新的立项以及地方和企业的投入，总经费可达3亿元人民币以上。 发达国家的MEMS发展过程表明，实现MEMS的实用化和产业化才能够给中国MEMS发展带来希望，从我国集
10、成电路（IC）的发展历程可以更好地理解MEMS产业化的重要意义。 12MEMS的发展过程的发展过程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芯片上的设计思想来制作集成传感器采用将传感器和电子线路集成在一个芯片上的设计思想来制作集成传感器 。2020世纪世纪6060年代后期年代后期：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。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。 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，掺杂以及基于电化学的腐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
11、来的是蚀停刻技术也出现了，随之而来的是“体硅加工体硅加工”技术。技术。13MEMS的发展过程的发展过程2020世纪世纪8080年代：年代：“表面微加工表面微加工”技术在加速度计、压力传感器和其他微电子技术在加速度计、压力传感器和其他微电子机械结构制作中得到了应用。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、欧洲和亚洲，投入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惊讶的速度在大幅增长。的研究资金和研究人员都以令人惊讶的速度在大幅增长。MEMSMEMS正正在处于蓬勃发展的关键时期
12、，不断地有新型器件和新型技术给予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道，人们见证了基于报道，人们见证了基于MEMSMEMS技术的喷墨打印头、压力传感器、流技术的喷墨打印头、压力传感器、流量计、加速度计、陀螺仪、非冷却红外成像仪和光学投影仪等设量计、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。（如同备的不断开发和产业化的进程。（如同ICIC） 1982年，年，K. Petersen的综述性论文的综述性论文“Silicon as a mechanical materials” ，概，概括了当时括了当时MEMS最高水平的微加工技术和最高水平的微
13、加工技术和微机械器件，被看作是微机械器件，被看作是MEMS研究进入系研究进入系统化阶段的标志，开创了统化阶段的标志，开创了MEMS发展的纪发展的纪元。元。 14p 1939年年 P-N结半导体结半导体 (W. Schottky)p 1948年年 晶体管晶体管 (J. Bardeen, W.H. Brattain, W. Shockley)p 1954年年 半导体压阻效应半导体压阻效应 (C.S. Smith)p 1958年年 集成电路（集成电路（IC） (J.S. Kilby)p 1959年年 “There is plenty of room at the bottom” (R. Feynma
14、n)p 1962年年 硅集成压力驱动器硅集成压力驱动器 (O.N. Tufte, P.W. Chapman, D. Long)p 1965年年 表面微机械加速度计表面微机械加速度计 (H.C. Nathanson, R.A. Wichstrom)p 1967年年 硅各向异性深度刻蚀硅各向异性深度刻蚀 (H.A. Waggener)p 1973年年 微型离子敏场效应管微型离子敏场效应管 (Tohoku University)p 1977年年 电容式硅压力传感器电容式硅压力传感器 (Stanford)MEMS的发展过程的重要历史事件的发展过程的重要历史事件15p 1979 1979年年 集成化气体
15、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 集成化压力传感器集成化压力传感器 (Honeywell)(
16、Honeywell)p 1985 1985年年 LIGALIGA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 (M. Shimbo)(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)(UC Berkeley) MEMS的发展过程的重要历史事件
17、的发展过程的重要历史事件16o19921992年年 体硅加工工艺体硅加工工艺 (SCREAM process, Cornell)(SCREAM process, Cornell)o19931993年年 数字微镜显示器件数字微镜显示器件 (Texas Instruments)(Texas Instruments)o19941994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)o19991999年年 光网络开关阵列光网络开关阵列 (Lucent) (Lucent) MEMS的发展过程的重要历史事件的发展过程的重要历史事件17
18、What is the peculiarity of MEMS technology?oMEMS是受到集成电路工艺的启发而发展起来的，它不仅具有集是受到集成电路工艺的启发而发展起来的，它不仅具有集成电路系统的许多优点，同时集约了多种学科发展的尖端成果。成电路系统的许多优点，同时集约了多种学科发展的尖端成果。 1 1、微型化特点、微型化特点2 2、多样化特点、多样化特点 3 3、稳定性特点、稳定性特点4 4、集成化特点、集成化特点 5 5、批量化特点、批量化特点 6 6、广义化特点、广义化特点 18 MEMS的应用19Application Fields of MEMS 由于由于MEMS器件和系
19、统具有体积小、重量器件和系统具有体积小、重量轻、功耗小、成本低、可靠性高、性能优异、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学、环境监测、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。有领域中都有着十分广阔的应用前景。20MEMS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
20、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 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10c
21、m10 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
22、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、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）。 21MEMSMEMS传感器及其组成的微型惯性测量组合在汽车传感器及其组成的微型惯性测量组合在汽车自动驾驶、汽车防撞气囊、汽车防抱死系统自动驾驶、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的施用* 在汽车里作为陀螺来测定汽
23、车倾斜，控制动态稳定控制系统* * 在轮胎里作为压力传感器，在汽车上的应用在汽车上的应用2223MEMS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2.54cm7.62cm10.6cm,重量仅为重量仅为250g。2000年年1月月,发射的两颗试验小卫星是证明空基防发射的两颗试验小卫星是证明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,因其飞行寿命短因其飞行寿命短,所以所以,暴暴露在宇宙辐射之下并不是关键问题。小卫星上基于硅的露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开
24、关在太空应用中表现出优异的性能现出优异的性能,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/保险和引爆半导体保险和引爆半导体,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装装置已成功地用于潜艇鱼雷对抗武器上。引信置已成功地用于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个独个独立步骤立步骤:发射鱼雷后发射鱼雷后,解除炸药保险、引爆解除炸药保险、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妙的封装技
25、术使用镀有金属层的硅结合巧妙的封装技术,MEMSF/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15.88cm的鱼雷上的鱼雷上,这是其他方法做不到的这是其他方法做不到的.在军事上的应用在军事上的应用24国外国外MEMS 技术在引信中的应用技术在引信中的应用o MEMS 技术在精确打击弹药引信中的应用技术在精确打击弹药引信中的应用美国FMU2159/ B 硬目标侵彻灵巧引信及加速度计25MEMS 技术在灵巧弹药引信中的应用技术在灵巧弹药引信中的应用采用MEMS 技术的弹道修正引信装有弹道修正引信的MK64 制导炮弹26MEMS 技术在轻武器面杀伤弹药引信中的应
26、用技术在轻武器面杀伤弹药引信中的应用单兵20 mm 高爆榴弹微机电引信27在在1995年的国际会议上已有人正式提出研制全硅卫星的概念年的国际会议上已有人正式提出研制全硅卫星的概念。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合而成,这样这样,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,从而使卫从而使卫星的成本大幅度降低星的成本大幅度降低。航空航天的应用28微机械技术在生物医疗中的应用尤其令人惊叹。例如微机械技术在生物医疗中的应用尤其令人惊叹。例如:将微型传感器用口服或皮下将微型传感器用口服或皮下注射法送
27、入人体注射法送入人体,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,可探测和清除人体内的癌细胞可探测和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、细胞融合、精细外科、血管、肠道内自动送药等方面应用甚广。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。MEMS的微小的微小可进入很小的器官和组织可进入很小的器官和组织和智能和
28、智能能自动地进行细微精确的操作能自动地进行细微精确的操作的特的特点点,可大大提高介入治疗的精度可大大提高介入治疗的精度,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。降低手术风险。同微电子同微电子,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,MEMS时时,可进行基因分析和遗传诊可进行基因分析和遗传诊断断,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。所以件适合于操作生物细胞和生物大分子。所以,微机械在现代医疗技术中的
29、应用潜力巨微机械在现代医疗技术中的应用潜力巨大大,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。生物医疗和医学上的应用生物医疗和医学上的应用29 OMOM智能胶囊消化道内窥镜系统（简称“胶囊内镜”） o 金山科技集团研制的胶囊内镜金山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（MEMS）高科技产品，由智能胶囊、图像记录仪、手持无线监视仪、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：13mm 27.9mm重 量：6g外 壳：无
30、毒耐酸耐碱高分子材料 图象记录仪30OMOM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，从而对病情做出诊断。 影像工作站影像工作站 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
31、，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。 31 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
32、岛素（CSII）可以替代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技术应用于糖尿病治疗技术应用于糖尿病治疗.32通信方面的应用通信方面的应用v随着世界通信业务量的飞速增长，光传送网技术已成为国际上的研究热点。据估计，以光电子信息技术为主导的信息产业产值将在2010年达五万亿美元，成为二十一世纪最大的产业。研究热点研究热点 随着世界通信业务量的飞速增长，光传送网技术已成为国随着世界通信业务量
33、的飞速增长，光传送网技术已成为国际上的研究热点。际上的研究热点。（全光通信网、WDM全光网、光传送网是同一事物的不同名称，最近ITU的建议是光传送网optical transport network）。趋势趋势 九十年代初，在一些发达国家中，人们预计原有的铜电缆会九十年代初，在一些发达国家中，人们预计原有的铜电缆会从从1995年起逐渐被年起逐渐被FTTH（光纤到户）代替。（光纤到户）代替。1998年这种趋势已被年这种趋势已被证实。但是，步子已经放慢，证实。但是，步子已经放慢，特别是光纤到户。光传送网的推广，光传送网的推广，光纤到户能否实现，取决于网络的价格光纤到户能否实现，取决于网络的价格，只
34、有价格到了可接受的地步，才能真正进入家庭，光传送网中低价位光学元器件是降低光传送网成本的关键33原因原因 传统的光纤网络中存在大量的光传统的光纤网络中存在大量的光/电、电电、电/光转换节点光转换节点和数字交叉互联电分插复用器，o 1)既限制了网络的交换速度既限制了网络的交换速度，o 2)又对不同形式的光信号是不透明的又对不同形式的光信号是不透明的。o 3)光功能器件和波导或光纤的连接需要亚微米的光功能器件和波导或光纤的连接需要亚微米的定位精度，定位精度，精密定位是复杂的调整操作，所以提高提高了光功能器件的成本，限制了光传送网的发展。了光功能器件的成本，限制了光传送网的发展。o 4 )且光且光/
35、电、电电、电/光器件的微型化也是很难解决的光器件的微型化也是很难解决的问题。问题。因此，光通信器件的价格和微型化已成为光传送网发展的瓶颈。o 目前，微光机电系统技术是解决这一瓶颈问题的有目前，微光机电系统技术是解决这一瓶颈问题的有效途径。效途径。34微光学平台微光学平台o是微光机电系统技术应用的一个典型例子，它主要用于光学测量和实验。传统的光学系统平台体积大，系统中的元件是先分开制造然后组装而成，装配量很大，成本很高。而微光学平台，体积小，系统中的元件可集成加工在单一芯片上，对准精度高，可成批生产，成本低。这些优点使微光学平台相对于传统的光学系统有很大的优势。所以，该方面的研究是微光机电系统研
36、究的最基本的一部分。研究包括微衍射透镜（Fresnel, 多阶二元微透镜）、微折射透镜、光束分离器、光栅等。35飞秒自相关仪飞秒自相关仪36在光学信息存储系统中，光盘读取头影响存储密度和读取速度，决定整个系统性能的好坏。采用微机械制造的光盘读取头，可大大降低光学读取头是价格和中连、重量，定位速度和读取速度也显著提高。图为读取原理示意图光数据存储光数据存储37数字微镜装置可被用来作投影显示器（DMD）。图示为美国TI公司研制的DMD，它通过可以旋转10的扭转镜来完成投影显示的。微镜通过支撑柱和扭转梁悬于基片上，每个微镜下都有驱动电极，在下电极与微镜间加一定的电压，静电力使微镜倾斜输入光被反射至镜
37、头、投影到屏幕上。未加电压的微镜处的光线反射至镜头外。这样，微镜使每点产生明暗，投影出图象。其他应用其他应用投影显示器投影显示器3839仿学中的应用（仿生纤毛）地下水流微传感器40Field of Researcho理论基础理论基础：在当前：在当前MEMSMEMS所能达到的尺度下，宏观世界基本的物理所能达到的尺度下，宏观世界基本的物理规律仍然起作用，但由于尺寸缩小带来的影响（规律仍然起作用，但由于尺寸缩小带来的影响（Scaling Scaling EffectsEffects），许多物理现象与宏观世界有很大区别，因此许多原来），许多物理现象与宏观世界有很大区别，因此许多原来的理论基础都会发生变
38、化，如力的尺寸效应、微结构的表面效应、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，因此有必要对微动力学、微流体力学、微热力微观摩擦机理等，因此有必要对微动力学、微流体力学、微热力学、微摩擦学、微光学和微结构学进行深入的研究。学、微摩擦学、微光学和微结构学进行深入的研究。o技术基础技术基础：设计、工艺加工：设计、工艺加工( (高深宽比多层微结构高深宽比多层微结构) )、微装配工艺、微装配工艺、微系统的测量等。微系统的测量等。o应用研究应用研究：如何应用这些：如何应用这些MEMSMEMS系统也是一门非常重要的学问。人系统也是一门非常重要的学问。人们不仅要开发各种制造们
39、不仅要开发各种制造MEMSMEMS的技术，更重要的是如何将的技术，更重要的是如何将MEMSMEMS器件器件用于实际系统，并从中受益。用于实际系统，并从中受益。41 MEMS器件根据其特性分成微传感器、微执行器件根据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。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类化学类磁学类磁学类生物类生物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42微执行器微执行器马达马达齿轮齿轮扬声器扬声器开关开关微结构器件微结构器件薄膜薄膜探针探针弹簧弹簧微梁
40、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43MEMS制造工艺44Manufacturing Technology of MEMSo 大机械制造小机械，小机械制造微机械n 日本为代表日本为代表o LIGA工艺n Lithograpie(光刻)、Galvanoformung(电铸) Abformung(塑铸)n 德国为代表德国为代表o 硅微机械加工工艺：体硅工艺和表面牺牲层工艺n 美国为代表美国为代表45Materialso 硅基材料硅基材料 单晶硅，多晶硅，
41、非晶硅，二氧化硅，氮化硅，碳单晶硅，多晶硅，非晶硅，二氧化硅，氮化硅，碳化硅，化硅，SOI(SOI(S Silicon ilicon O On n I Insulator)nsulator)。o 聚合物材料聚合物材料光刻胶，光刻胶，聚二甲硅氧烷聚二甲硅氧烷o 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。 46驱动材料驱动材料o NiTio 坡莫合金坡莫合金 o 锆钛酸铅（锆钛酸铅（PTZ）o 水凝胶（水凝胶（Hydrogels）47Technologies o 物理气相淀积物理气相淀积(Physical Vapour Deposition )o 化学气相淀
42、积化学气相淀积(Chemical Vapour Deposition)o 电镀电镀（Electroplating）o 旋转铸模旋转铸模 （Spin Casting）o 溶胶溶胶-凝胶凝胶（SolGel Deposition）o 光刻光刻(Photolithography )o 刻蚀刻蚀: 干法刻蚀干法刻蚀（DRIE,ICP）和湿法腐蚀o 键合技术键合技术48物理气相淀积物理气相淀积(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，即把原子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
43、涉及化学反应，常用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，常用的有的有真空蒸发和溅射真空蒸发和溅射。o真空蒸发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，从而淀积在硅晶原片表得足够高的能量，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。面形成一薄的膜。o优点优点：较高的淀积速率，薄膜纯度高，厚度控制精确，生长机理简单：较高的淀积速率，薄膜纯度高，厚度控制精确，生长机理简单缺点缺点：台阶覆盖
44、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：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o溅射溅射是利用带有电荷的离子在电场中加速后具有一定动能的特点那个，将离子引向被是利用带有电荷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片上形成薄膜。这溅射物质，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一样。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一样。o优点优点：淀积薄膜与衬底附着性好，淀积多元化合金薄膜时组分
45、容易控制，较高的薄膜：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，高纯气体溅射质量，高纯靶材，高纯气体 。49化学气相淀积化学气相淀积(CVD)o指把含有构成薄膜元素的指把含有构成薄膜元素的两种或两种以上的气态原材料导入到一两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，形成一种新的材个反应室内，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。淀积氮化硅膜料，沉积到晶片表面上。淀积氮化硅膜(Si3N4)就是一个很好的就是一个很好的例子，它是由硅烷和氮反应形成的。几乎可以淀积集成电路工艺例子，它是由硅烷和氮
46、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中所需要的各种薄膜，例如掺杂或不掺杂的SiO2、多晶硅、非晶、多晶硅、非晶硅、氮化硅、金属硅、氮化硅、金属(钨、钼钨、钼)等等o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) 、低压化学气相淀积、低压化学气相淀积(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)o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
47、点。o相对于与相对于与PVD相比，其优点：结晶性和理想配比都比较好，薄膜相比，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。成分和膜厚容易控制，淀积温度低，台阶覆盖性好。50真空镀膜仪真空镀膜仪51磁控溅射磁控溅射o电子在电场的作用下加速飞向基片的过程中与氩原子发生碰撞，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
48、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 52光刻光刻o 工艺流程（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（4）显影，（）显影，（5）坚膜）坚膜（6）刻蚀，（）刻蚀，（7）去胶）去胶53光刻光刻o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
49、（Projection PrintingProjection Printing）。o正胶和负胶正胶和负胶的比较的比较：负性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。o正性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，而不曝光的区域上的光刻胶则保留在硅片上，作为后续工艺保护层，这种方法复制到硅片表面上的图形与掩模板上的相同。 54表面加工工艺Deposit sacrificial layerPattern c
50、ontactsDeposit/pattern structural layerEtch sacrificial layer5556LIGA技术技术 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，深度刻达瓷等材料，深度刻达1000微米。微米。LIGA工艺对设备的要求较高，生产费用较昂贵。57湿法化学腐蚀湿法化学腐蚀硅的晶体结构硅的晶体结构图1. 硅晶体结构硅晶体中主要晶面58各向异性腐蚀溶剂各向异性腐蚀溶剂（1）KOH-H2O 溶液溶液（2）KOH+I
