微電子學(xué)概論第十課課件

微電子學(xué)概論第十課微機電系統(tǒng)----超越摩爾定律1微電子學(xué)概論第十課微機電系統(tǒng)12請在教學(xué)網(wǎng)上下載該文獻。費曼預(yù)言了微機電系統(tǒng)的出現(xiàn)以及它的基本原則。2請在教學(xué)網(wǎng)上下載該文獻。費曼預(yù)言了微機電系統(tǒng)的出現(xiàn)以及它的提綱什么是MEMSMEMS的制造技術(shù)幾種主要的MEMS器件三維集成—超越摩爾定律3提綱什么是MEMS3“微電子”不僅僅需要微電子4孤獨的人是可恥的“微電子”不僅僅需要微電子4孤獨的人是可恥的微電子與真實世界的交互5智能交通遠(yuǎn)程醫(yī)療航天遙感智能家居智能手機微電子與真實世界的交互5智能交通遠(yuǎn)程醫(yī)療航天遙感智能家居智能World感知一切6傳感云計算核計算DNA感知DNAI/O計算DNA感知DNAI/O計算DNA感知DNAI/O計算DNA感知DNAI/O計算DNA感知DNAI/O完美體系猜想一完美體系猜想二感知才是我們存在的證據(jù)和認(rèn)識世界的唯一途徑。World感知一切6計算核計算DNA感知DNAI/O計算DN智能系統(tǒng)需要感知世界的信號7重力水空氣溫度光磁場硬度黏度化學(xué)生物聲音情緒智能系統(tǒng)與真實世界的傳感紐帶：微機電系統(tǒng)(MEMS)智能系統(tǒng)需要感知世界的信號7重力水空氣溫度光磁場硬度黏度化學(xué)終極微電子系統(tǒng)8終極微電子系統(tǒng)8什么是微機電系統(tǒng)MEMS:9Micro-Electro-MechanicalSystemMicro-MachineMicro-SystemMEMSMicro-MachineMicro-System什么是微機電系統(tǒng)MEMS:9Micro-Electro-Me為什么需要MEMS信息系統(tǒng)不斷追求小型化體積縮小性能和可靠性提高功耗和成本降低系統(tǒng)縮小的主要途徑遵循摩爾定律的IC縮小技術(shù)MEMS用來縮小非IC的部分10為什么需要MEMS信息系統(tǒng)不斷追求小型化10為什么需要MEMS？11ControllerSensorActuator微電子技術(shù)可以縮小控制部分MEMS機械部分的縮小是整個系統(tǒng)縮小的瓶頸。為什么需要MEMS？11ControllerSensorAc什么是MEMS？MEMS>IC集成了微傳感器，微執(zhí)行器，信號處理器，控制器，輸入輸出電路，通訊系統(tǒng)以及電源的系統(tǒng)12Electro-Mechanicalsysteminmicroscopeworld.什么是MEMS？MEMS>IC12Electro-MecMEMS的科學(xué)力學(xué)電子學(xué)化學(xué)光學(xué)物理學(xué)生物學(xué)材料學(xué)13MEMSMEMSisaInterdisciplinarySciencewhichinvolvesmechanics,electronics,chemistry,optics,physics,biology,materialscienceetc.MEMS的科學(xué)力學(xué)電子學(xué)化學(xué)光學(xué)物理學(xué)生物學(xué)材料學(xué)13MEMMEMS的好處尺寸小可將系統(tǒng)縮小智能能夠?qū)⒘?、熱、磁和化學(xué)信息轉(zhuǎn)換為電子信號集成可采用微電子工藝集成在芯片上可靠性安全功耗低綠色環(huán)保14MEMS的好處尺寸小14MEMS的分類機械加速度計，陀螺儀，馬達，機器人，噴氣發(fā)動機，泵，揚聲器，環(huán)振，閥門，開關(guān)

熱溫度、紅外成像化學(xué)酸堿傳感器，成分傳感器，濃度傳感器光鏡面，光柵，通訊，CCD生物生命探測器，機器人，智能注射器，DNA芯片15MEMS的分類機械15世界第一支靜電加速度計16ADI制造世界第一支靜電加速度計16ADI制造固態(tài)硅微衛(wèi)星17固態(tài)硅微衛(wèi)星17微馬達18微馬達18MEMS的挑戰(zhàn)19SurfacetensionMEMS微觀世界中物理法則MEMS的挑戰(zhàn)19SurfacetensionMEMS微觀MEMS的挑戰(zhàn)20微加工高深寬比刻蝕深谷MEMS的挑戰(zhàn)20微加工高深寬比刻蝕深谷MEMS的挑戰(zhàn)21系統(tǒng)設(shè)計和集成sensorControllerExecutionIntegratedSystemMEMS的挑戰(zhàn)21系統(tǒng)設(shè)計和集成sensorControllMEMS制造技術(shù)22MEMS制造技術(shù)2223MEMS巨型機械制造小型機械；小型機械制造微機械（日本）微電子半導(dǎo)體加工工藝紫外光刻微電鑄模制造技術(shù)（德國）微機械LIGA自頂向下自底向上23MEMS巨型機械制造小型機械；微電子半導(dǎo)體加工工藝紫外光LIGA工藝24LIGA工藝24MEMS工藝鍵合25各向異性腐蝕深槽刻蝕MEMS工藝鍵合25各向異性腐蝕深槽刻蝕未來3DIC的CMOS-MEMS集成技術(shù)犧牲層技術(shù)獨立的MEMS系統(tǒng)很高的傳感靈敏度較低的寄生效應(yīng)體積小封裝簡單復(fù)雜的制造過程缺少兼容的材料26ICfirstICandMEMSmixedMEMSfirst未來3DIC的CMOS-MEMS集成技術(shù)犧牲層技術(shù)26ICMEMS器件27MEMS器件27非常重要的幾類MEMS器件慣性傳感器加速度計陀螺儀壓力傳感器光學(xué)MEMS傳感器微光開關(guān)微光學(xué)臺面微執(zhí)行器微噴管微馬達生物MEMS器件28非常重要的幾類MEMS器件慣性傳感器28電容式加速度計29電容式加速度計29電容式加速度計（放大圖）30電容式加速度計（放大圖）30微鏡面31微鏡面31微光柵32微光柵32微透鏡33微透鏡33微型光學(xué)臺面34微型光學(xué)臺面34微光開光351x4opticalswitch1x8opticalswitch微光開光351x4opticalswitch1x8op便攜式化學(xué)傳感器36便攜式化學(xué)傳感器36微馬達37微馬達37微型噴嘴38美國噴氣推進實驗室(JPL)展示的采用MEMS技術(shù)的電阻電熱式微推進器樣機（液體氣化方式）。微推進器由薄膜加熱器、微型噴口等組成。其性能目標(biāo)為：比沖75～125s，推力0.5mN，功率<5W，效率≥50%，質(zhì)量為幾克，大小為1cm2。微型噴嘴38美國噴氣推進實驗室(JPL)展示的采用MEMS技微型噴嘴39美國噴氣推進實驗室(JPL)展示的采用MEMS技術(shù)的電阻電熱式微推進器樣機(固體升華方式)。微推進器由推進劑存貯箱、微閥、微過濾器、微型噴口等組成，微型噴口利用MEMS技術(shù)中的體硅工藝制作。其性能目標(biāo)為：比沖50～75s，推力0.5mN，功率<2W/mN，質(zhì)量為幾克，大小為1cm2。微型噴嘴39美國噴氣推進實驗室(JPL)展示的采用MEMS技微型噴嘴40組成:由5到6片芯片疊在一起，內(nèi)有混合燃燒室、噴口噴管、兩個泵和兩個閥以及冷卻管道的多器件集成系統(tǒng)。用液態(tài)氧和乙醇作燃料性能：能產(chǎn)生15N的推力，推力重量比達1500:1，是大火箭推進器的10~100倍，反映了微系統(tǒng)的潛力新概念的微型雙組元火箭發(fā)動機結(jié)構(gòu)圖微型噴嘴40組成:由5到6片芯片疊在一起，內(nèi)有混合燃燒室3DIC–超越摩爾定律41怎樣將MEMS和其他非電子系統(tǒng)以及復(fù)雜電子系統(tǒng)在一個三維的芯片中集成？3DIC–超越摩爾定律41怎樣將MEMS和其他非電子系二維平面上的摩爾定律420.7XnodeXnodelogicmemoryanalogRFScalingdown?SoCHighervalue二維平面上的摩爾定律420.7XnodeXnodelog三維空間上的摩爾定律4332nm技術(shù)22nm65nm90nmlogicmemoryanalogRFSoCSiPMEMSmemorySysteminPackageSystemonchipHigherhighervalue三維空間上的摩爾定律4332nm技術(shù)22nm65nm90nm超越摩爾定律44MEMS超越摩爾定律44MEMS3DIC技術(shù)的類型453DIC技術(shù)的類型45基本結(jié)構(gòu)46基本結(jié)構(gòu)46TSV（深硅通孔）工藝47TSV（深硅通孔）工藝47TSV3DIC技術(shù)的挑戰(zhàn)成本TSV制造技術(shù)的成本較高散熱垂直和水平方向的散熱通道設(shè)計

可靠性應(yīng)力，電遷移，熱退化供應(yīng)鏈誰來做TSV？誰需要TSV？48TSV3DIC技術(shù)的挑戰(zhàn)成本48微電子系統(tǒng)的未來49MEMSCMOSSolarCellFlexibleelectronicsBio-ChipAllinSiRFStorageMemory微電子系統(tǒng)的未來49MEMSCMOSSolarCellFl小結(jié)MEMS是微電子系統(tǒng)與外界互動的紐帶，是一種微型化和集成化的機械系統(tǒng)。信息系統(tǒng)縮小的最終瓶頸在于MEMS的尺寸.三維IC技術(shù)可以在第三維度上集成不同的芯片，從而擴展系統(tǒng)的功能，繼續(xù)維持摩爾定律。TSV是三維IC技術(shù)的關(guān)鍵。全硅集成也許是將來微電子發(fā)展的終極形態(tài)。50小結(jié)MEMS是微電子系統(tǒng)與外界互動的紐帶，是一種微型化和集成作業(yè)請解釋什么是MEMS，并請談?wù)勀阏J(rèn)為什么樣的機械可以集成到硅芯片上，帶來什么樣的好處？給出一到二個例子。51作業(yè)請解釋什么是MEMS，并請談?wù)勀阏J(rèn)為什么樣的機械可以集成微電子學(xué)概論第十課微機電系統(tǒng)----超越摩爾定律52微電子學(xué)概論第十課微機電系統(tǒng)153請在教學(xué)網(wǎng)上下載該文獻。費曼預(yù)言了微機電系統(tǒng)的出現(xiàn)以及它的基本原則。2請在教學(xué)網(wǎng)上下載該文獻。費曼預(yù)言了微機電系統(tǒng)的出現(xiàn)以及它的提綱什么是MEMSMEMS的制造技術(shù)幾種主要的MEMS器件三維集成—超越摩爾定律54提綱什么是MEMS3“微電子”不僅僅需要微電子55孤獨的人是可恥的“微電子”不僅僅需要微電子4孤獨的人是可恥的微電子與真實世界的交互56智能交通遠(yuǎn)程醫(yī)療航天遙感智能家居智能手機微電子與真實世界的交互5智能交通遠(yuǎn)程醫(yī)療航天遙感智能家居智能World感知一切57傳感云計算核計算DNA感知DNAI/O計算DNA感知DNAI/O計算DNA感知DNAI/O計算DNA感知DNAI/O計算DNA感知DNAI/O完美體系猜想一完美體系猜想二感知才是我們存在的證據(jù)和認(rèn)識世界的唯一途徑。World感知一切6計算核計算DNA感知DNAI/O計算DN智能系統(tǒng)需要感知世界的信號58重力水空氣溫度光磁場硬度黏度化學(xué)生物聲音情緒智能系統(tǒng)與真實世界的傳感紐帶：微機電系統(tǒng)(MEMS)智能系統(tǒng)需要感知世界的信號7重力水空氣溫度光磁場硬度黏度化學(xué)終極微電子系統(tǒng)59終極微電子系統(tǒng)8什么是微機電系統(tǒng)MEMS:60Micro-Electro-MechanicalSystemMicro-MachineMicro-SystemMEMSMicro-MachineMicro-System什么是微機電系統(tǒng)MEMS:9Micro-Electro-Me為什么需要MEMS信息系統(tǒng)不斷追求小型化體積縮小性能和可靠性提高功耗和成本降低系統(tǒng)縮小的主要途徑遵循摩爾定律的IC縮小技術(shù)MEMS用來縮小非IC的部分61為什么需要MEMS信息系統(tǒng)不斷追求小型化10為什么需要MEMS？62ControllerSensorActuator微電子技術(shù)可以縮小控制部分MEMS機械部分的縮小是整個系統(tǒng)縮小的瓶頸。為什么需要MEMS？11ControllerSensorAc什么是MEMS？MEMS>IC集成了微傳感器，微執(zhí)行器，信號處理器，控制器，輸入輸出電路，通訊系統(tǒng)以及電源的系統(tǒng)63Electro-Mechanicalsysteminmicroscopeworld.什么是MEMS？MEMS>IC12Electro-MecMEMS的科學(xué)力學(xué)電子學(xué)化學(xué)光學(xué)物理學(xué)生物學(xué)材料學(xué)64MEMSMEMSisaInterdisciplinarySciencewhichinvolvesmechanics,electronics,chemistry,optics,physics,biology,materialscienceetc.MEMS的科學(xué)力學(xué)電子學(xué)化學(xué)光學(xué)物理學(xué)生物學(xué)材料學(xué)13MEMMEMS的好處尺寸小可將系統(tǒng)縮小智能能夠?qū)⒘?、熱、磁和化學(xué)信息轉(zhuǎn)換為電子信號集成可采用微電子工藝集成在芯片上可靠性安全功耗低綠色環(huán)保65MEMS的好處尺寸小14MEMS的分類機械加速度計，陀螺儀，馬達，機器人，噴氣發(fā)動機，泵，揚聲器，環(huán)振，閥門，開關(guān)

熱溫度、紅外成像化學(xué)酸堿傳感器，成分傳感器，濃度傳感器光鏡面，光柵，通訊，CCD生物生命探測器，機器人，智能注射器，DNA芯片66MEMS的分類機械15世界第一支靜電加速度計67ADI制造世界第一支靜電加速度計16ADI制造固態(tài)硅微衛(wèi)星68固態(tài)硅微衛(wèi)星17微馬達69微馬達18MEMS的挑戰(zhàn)70SurfacetensionMEMS微觀世界中物理法則MEMS的挑戰(zhàn)19SurfacetensionMEMS微觀MEMS的挑戰(zhàn)71微加工高深寬比刻蝕深谷MEMS的挑戰(zhàn)20微加工高深寬比刻蝕深谷MEMS的挑戰(zhàn)72系統(tǒng)設(shè)計和集成sensorControllerExecutionIntegratedSystemMEMS的挑戰(zhàn)21系統(tǒng)設(shè)計和集成sensorControllMEMS制造技術(shù)73MEMS制造技術(shù)2274MEMS巨型機械制造小型機械；小型機械制造微機械（日本）微電子半導(dǎo)體加工工藝紫外光刻微電鑄模制造技術(shù)（德國）微機械LIGA自頂向下自底向上23MEMS巨型機械制造小型機械；微電子半導(dǎo)體加工工藝紫外光LIGA工藝75LIGA工藝24MEMS工藝鍵合76各向異性腐蝕深槽刻蝕MEMS工藝鍵合25各向異性腐蝕深槽刻蝕未來3DIC的CMOS-MEMS集成技術(shù)犧牲層技術(shù)獨立的MEMS系統(tǒng)很高的傳感靈敏度較低的寄生效應(yīng)體積小封裝簡單復(fù)雜的制造過程缺少兼容的材料77ICfirstICandMEMSmixedMEMSfirst未來3DIC的CMOS-MEMS集成技術(shù)犧牲層技術(shù)26ICMEMS器件78MEMS器件27非常重要的幾類MEMS器件慣性傳感器加速度計陀螺儀壓力傳感器光學(xué)MEMS傳感器微光開關(guān)微光學(xué)臺面微執(zhí)行器微噴管微馬達生物MEMS器件79非常重要的幾類MEMS器件慣性傳感器28電容式加速度計80電容式加速度計29電容式加速度計（放大圖）81電容式加速度計（放大圖）30微鏡面82微鏡面31微光柵83微光柵32微透鏡84微透鏡33微型光學(xué)臺面85微型光學(xué)臺面34微光開光861x4opticalswitch1x8opticalswitch微光開光351x4opticalswitch1x8op便攜式化學(xué)傳感器87便攜式化學(xué)傳感器36微馬達88微馬達37微型噴嘴89美國噴氣推進實驗室(JPL)展示的采用MEMS技術(shù)的電阻電熱式微推進器樣機（液體氣化方式）。微推進器由薄膜加熱器、微型噴口等組成。其性能目標(biāo)為：比沖75～125s，推力0.5mN，功率<5W，效率≥50%，質(zhì)量為幾克，大小為1cm2。微型噴嘴38美國噴氣推進實驗室(JPL)展示的采用MEMS技微型噴嘴90美國噴氣推進實驗室(JPL)展示的采用MEMS技術(shù)的電阻電熱式微推進器樣機(固體升華方式)。微推進器由推進劑存貯箱、微閥、微過濾器、微型噴口等組成，微型噴口利用MEMS技術(shù)中的體硅工藝制作。其性能目標(biāo)為：比沖50～75s，推力0.5mN，功率<2W/mN，質(zhì)量為幾克，大小為1cm2。微型噴嘴39美國噴氣推進實驗室(JPL)展示的采用MEMS技微型噴嘴91組成:由5到6片芯片疊在一起，內(nèi)有混合燃燒室、噴口噴管、兩個泵和兩個閥以及冷卻管道的多器件集成系統(tǒng)。用液態(tài)氧和乙醇作燃料性能：能產(chǎn)生15N的推力，推力重量比達1500:1，是大火箭推進器的10~100倍，反映了微系統(tǒng)的潛力新概念的微型雙組元火箭發(fā)動機結(jié)構(gòu)圖微型噴嘴40組成:由5到6片芯片疊在一起，內(nèi)有混合燃燒室3DIC–超越摩爾定律92怎樣將MEMS和其他非電子系統(tǒng)以及復(fù)雜電子系統(tǒng)在一個三維的芯片中集成？3DIC–超越摩爾定律41怎樣將MEMS和其他非電子系二維平面上的摩爾定律930.7XnodeXnodelogicmemoryanalogRFScalingdown?S