1、MEMSDesignProcess & FlowSystem Requirments Device DesignImplementation Layout SensitivityResponsivityFreq responseLossPower consumptionetcSystem levelsimulation(e.g. opticalsimulation foroptical systems)Transduction mechanismPhysical simulationVerify system requirementAnalytical modelsMacro modelsWh
2、at technology to use?Bulk vs surface micromachiningCustom vs Foundry processMaterials (Si, single crystal, poly,)Process integrationFinite element methodCoupled domain FEM(MEMCAD, ANSYS, IntelliCAD,)Establish technology filesLayers of materials ThicknessDeposition or etching LithographyMask layoutDe
3、sign rulesDesign rule checking (DRC)Cross-section viewSynthesisExport to MEMS CAD器件设计 原理 性能 电容原理加速度传感器？ Substrate passivation and poly ground plane n+ diffusion, 0.5 m thermal oxide, 0.15 m LPCVD nituride 0.3 m phosphorus-doped LPCVD poly Sacrifical layer deposition and patterning Densify and reflow
4、 PSG at 100 , 1 h Timed etch to creat dimples, wet etch Etch anchors, reactive ion etch 2 m LPCVD PSG Structure poly deposition, doping, and anneal 2 m LPCVD poly (undoped), 610 0.3 m PSG on top Symmetric doping occurs during anneal at 1050 in N2 for 1 hourMicrostructure release HF to etch PSG Water
5、 rinse Dry, avoiding surface tension of waterProximity Correction MaskPhase Shift Mask Add one 180 phase shift layer on mask The feature size can achieve about 100 nm First introduce in 1982. New software developed recently.Mask Design Tools AutoCAD L-edit Some simulation tools: MAMSCAD; Intellsense
6、 Link CAD Current runs through loop of released structure (usually polysilicon, “cold arm” with gold layer) Regions with higher current density (“hot arm”) are heated up more and expend more (“pseudo bimorph”)【Bright rt al., U. Colorado】硅tt= lbb21121l22121111322222231112122124732ttTtbEtbEtbEtbEt ttt
7、ra a热膨胀系数，热膨胀系数，t t厚度，厚度，b b宽度宽度金属层加热膜硅进口出口加热层加热电阻蠕动膜流道入口出口图4-331 热气动蠕动泵进口出口玻璃玻璃铝膜硅加热电阻a)通电线圈LLrrdlIdBB24RIB2022SBF 永磁体金线圈氮化绝缘层入口出口图4-312 德国的电磁致动微型阀例2：外加磁场的磁执行器铁镍合金线圈导管硅图4-311外部驱动微机械电磁阀该阀由一个NiFe溅射阀座和一个可开启、关闭的可移动NiFe阀膜组成。依靠活动膜片上支撑弹簧的内力，可以制成常开或常闭阀。微机械阀元件放置于携带有流体的管道中，管道的外面是由外加线圈形成的磁场，构成了一种电隔离操作79。电磁场光纤
8、a)MEMS驱动器b)图4-275 电磁驱动光纤开关原理示意图 加州理工学院设计的一种电磁驱动光纤开关的原理示意图。当开关处于开状态时，电磁驱动器带着双面微镜向上运动，将微镜置于光纤之间，每个输入光纤的光信号经反射后从相邻的输出光纤输出，如图4-275a所示；在关状态，微镜在光纤之下，输入光纤的信号直接从正前方的输出光纤输出，如图4-275b所示。 焊盘硅片体硅悬臂梁硅片光阻绝缘体70匝线圈微镜微镜表面0.5mm0.5,m4mma)b)7mm1mmc)3mm0.27mm图4-277 电磁驱动光开关照片悬臂梁微镜硅极板该现象如图2-18所示玻璃硅压电片(a) 玻璃硅玻璃压电块(b)压电致动微型泵
9、 日本东北大学研制的压电堆致动微泵如图4-323所示。该微泵依靠致动器推动薄膜变形，引起腔体内压强的变化，驱动单向阀工作，使气、液体定向流动。压电堆的轴向变形和驱动力都比较大，最大流量为40L/min，最高背压为1mH2O。 在设计的预置温度T时弯曲的合金片依附在硅悬臂梁上。室温时，梁是直的。当把梁和附于其上的合金片加热到温度T时，合金的“记忆”被唤醒并试图恢复原来的弯曲形状。合金的弯曲迫使悬臂梁一起变形，由此达到致动效果。这种方式的致动被广泛用在微型旋转致动器、微型关节和机器人、以及微弹簧上。 多晶硅Cr二氧化硅多晶硅形状记忆合金微泵压阻式压电式电容式隧道电流谐振式光电效应力学（加速度/压力
10、/声）光（光电类）热（热电偶/热阻）电磁（磁强计）生物化学（血糖/电阻化学/电容化学/化学机械/金属氧化物）简要介绍，为以后章节学习提供目的maVVVo压敏电阻m压电材料aCfVoma电极解调 Vom振梁ama硅尖加热电阻热敏电阻VVVoa气腔简要介绍，为以后章节学习提供目的nSdxdysn输入量的变化输出量的变化 nnxaxaxaay.2210式中：y：输出量； x：输入物理量； ：零位输出； ：传感器线性灵敏度； ：待定常数。0a1anaaa,.,32灵敏度：100mV/g 量程：50g 频率范围：0.5-8000Hz（10%) 安装谐振点:30kHz 分辨率：0.0002g 抗冲击：2000g 重量：8mg安装螺纹：M5 mm 线性：1% 横向灵敏度：5% 典型值：3%输出阻抗：150 激励电压：18-30VDC 典型值：24VDC温度范围：-40+120 壳绝缘电阻： 安装力矩：约20-30Kgf.cm(M5螺纹) 几何尺寸：四方12mm、高度13.5mm
