MEMS技術(shù)第三講工藝設(shè)計及版圖設(shè)計

MEMS和微系統(tǒng)設(shè)計課程內(nèi)容MEMS概述及MEMS設(shè)計的概述工藝簡要回顧系統(tǒng)設(shè)計、工藝設(shè)計及版圖設(shè)計主要的機(jī)械、電子元件及其設(shè)計基礎(chǔ)多域耦合設(shè)計：以機(jī)電耦合為例子器件性能的估計簡單的其他域的元件及其簡要設(shè)計要點設(shè)計實例第三講主要內(nèi)容(3)1、系統(tǒng)設(shè)計與器件設(shè)計2、工藝設(shè)計3、版圖設(shè)計4、關(guān)于微器件的一般知識系統(tǒng)設(shè)計的目的MEMS

Design

Process&FlowSystemRequirments

DeviceDesignImplementation

Layout

SensitivityResponsivityFreqresponseLossPowerconsumptionetcSystemlevelsimulation(e.g.opticalsimulationforopticalsystems)TransductionmechanismPhysicalsimulationVerifysystemrequirementAnalyticalmodelsMacromodelsWhattechnologytouse?－Bulkvssurfacemicromachining－CustomvsFoundryprocess－Materials(Si,singlecrystal,poly,…)ProcessintegrationFiniteelementmethodCoupleddomainFEM(MEMCAD,ANSYS,IntelliCAD,…)Establishtechnologyfiles－Layersofmaterials－Thickness－Depositionoretching－LithographyMasklayoutDesignrulesDesignrulechecking(DRC)Cross-sectionviewSynthesisExporttoMEMSCADThickerfilmsdeeperetchesfewerstepsMultipleprocessingcyclesRemovalofunderlyingmaterialstoreleasemechanicalstructures－DepositonofmaterialPatterntransferRemovalofmaterialprobetestingsecticningindividualDIEAssemblyintopackagepackagesealfinaltest器件設(shè)計原理性能第三講主要內(nèi)容(3)1、系統(tǒng)設(shè)計與器件設(shè)計2、工藝設(shè)計3、版圖設(shè)計4、關(guān)于微器件的一般知識電容原理加速度傳感器？工藝流程設(shè)計Substratepassivationandpolygroundplanen+diffusion,0.5mthermaloxide,

0.15mLPCVDnituride0.3mphosphorus-dopedLPCVDpoly

Sacrificallayerdepositionandpatterning

DensifyandreflowPSGat100℃,1hTimedetchtocreatdimples,wetetchEtchanchors,reactiveionetch2mLPCVDPSGStructurepolydeposition,doping,andanneal

2mLPCVDpoly(undoped),610℃0.3mPSGontopSymmetricdopingoccursduringannealat1050℃inN2for1hourMicrostructurereleaseHFtoetchPSGWaterrinseDry,avoidingsurfacetensionofwater第三講主要內(nèi)容(3)1、系統(tǒng)設(shè)計與器件設(shè)計2、工藝設(shè)計3、版圖設(shè)計4、關(guān)于微器件的一般知識版圖設(shè)計版圖什么樣版圖的制作過程對準(zhǔn)問題正膠和負(fù)膠問題版圖設(shè)計工具M(jìn)askTypeBinaryMaskProximitycorrectionmaskPhaseshiftmaskBinaryMaskThepatternareaiseitherclearoropaqueThemaskpatterndesignassameasdesireddevice’spatternMaycauseserratededgesandnonuniformityacrossthemaskModifythemaskpatternFinalMaskpatternmaycontainserifsatfeaturecornersProximityCorrectionMaskPhaseShiftMaskAddone180°phaseshiftlayeronmaskThefeaturesizecanachieveabout100nmFirstintroducein1982.Newsoftwaredevelopedrecently.MaskFabricationToolHighresolutionprinterOpticalpatterngeneratorE-beamwriterMaskDesignToolsAutoCADL-editSomesimulationtools:MAMSCAD;IntellsenseLinkCAD電容諧振器的版圖？第三講主要內(nèi)容(3)1、系統(tǒng)設(shè)計與器件設(shè)計2、工藝設(shè)計3、版圖設(shè)計4、關(guān)于微器件的一般知識微執(zhí)行器微傳感器

微機(jī)械執(zhí)行器是組成微機(jī)電系統(tǒng)的要素之一。如，力學(xué)執(zhí)行器是將電能或其它能量轉(zhuǎn)換為機(jī)械能。理想的執(zhí)行器應(yīng)該是使用很少的能源，具有很高的機(jī)械效率，對機(jī)械狀態(tài)和環(huán)境條件適應(yīng)性強(qiáng)，需要時能產(chǎn)生高速運(yùn)動，具有高的能量-質(zhì)量比，在控制信號與力、扭矩和速度之間呈線形比例關(guān)系。

驅(qū)動方式（原理及實例）靜電式微執(zhí)動器（重點內(nèi)容，以后章節(jié)）熱力壓電式微執(zhí)動器形狀記憶合金微執(zhí)動器電磁式微執(zhí)動器生物熱執(zhí)行器有一些基于固體或液體膨脹的熱執(zhí)行方式。它們中的許多已在微機(jī)械器件中得到應(yīng)用;利用熱來驅(qū)動的熱致動器或簡單的加熱器（一個電阻器）廣泛應(yīng)用于微機(jī)械器件中，是一種十分常見的驅(qū)動方式。從原理上分，熱致動器可以分為熱氣動式和熱膨脹式兩種?！癏eatuator”Currentrunsthroughloopofreleasedstructure(usuallypolysilicon,“coldarm”withgoldlayer)Regionswithhighercurrentdensity(“hotarm”)areheatedupmoreandexpendmore(“pseudobimorph”)【Brightrtal.,U.Colorado】熱膨脹式是利用執(zhí)行器加熱時本身材料的體積膨脹制造的。熱氣動式一種典型的方法是形成帶有密封流體（如空氣、水蒸汽和液態(tài)水等）的空腔，氣腔中的流體被加熱后就會膨脹，壓力增大，從而推動薄膜運(yùn)動。

熱執(zhí)行器的一個基本方案是利用兩種鍵合材料的不同熱膨脹系數(shù)，被稱為雙晶片熱激勵。一個加熱器常被夾在兩層“活動”的材料中間，加電后，就會使它們產(chǎn)生不同的膨脹。該方案的優(yōu)點包括線性的偏移量-能量關(guān)系以及環(huán)境穩(wěn)定性，如這些執(zhí)行器能運(yùn)行于熱傳導(dǎo)相當(dāng)?shù)偷囊后w中。缺點包括高功耗、低帶寬（由熱時間常數(shù)決定）以及比靜電執(zhí)行器更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。固體熱膨脹：雙晶片熱執(zhí)行器

熱雙晶片執(zhí)行器的截面圖雙金屬致動器嚴(yán)格說來雙金屬致動器也是一種熱致動器，但它不利用固體的體積膨脹，而是利用固體的線形膨脹來制造微致動器。雙金屬熱致動是通過加熱，使得驅(qū)動元件本身的溫度升高，結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生熱應(yīng)力，導(dǎo)致薄膜產(chǎn)生線性應(yīng)變，從而達(dá)到驅(qū)動目的。雙金屬熱致動方式具有驅(qū)動電壓低、驅(qū)動力大、行程大、線性的位移—能量關(guān)系、結(jié)構(gòu)及制造工藝簡單（相對熱氣動等方式而言）、驅(qū)動能源易于實現(xiàn)、易于集成等特點，因而應(yīng)用前景廣泛。a熱膨脹系數(shù)，t厚度，b寬度美國ICSensors利用這種雙金屬片致動原理研制的閥如圖4-319所示。其中，硅膜厚、直徑為，鋁層厚，常開間隙為的閥可控0.2MPa、的氣流，泄漏僅為45μL/min金屬層加熱膜硅進(jìn)口出口加熱層

體積膨脹和相變執(zhí)行器不利用固體的線形膨脹，而是利用體積膨脹也可以制造出微機(jī)械執(zhí)行器。一種典型的方法是形成帶有密封流體的空腔（如：空氣、水蒸汽和液態(tài)水等），這些物質(zhì)可以被加熱，然后就會膨脹。但是，就象別的許多熱驅(qū)動方法一樣，這種方法功耗較大，帶寬較低，這是由于熱時間常數(shù)所致。變相的熱執(zhí)行器包括加熱時相態(tài)可變的材料，這樣體積發(fā)生膨脹從而產(chǎn)生壓力以及機(jī)械載荷。例如，可以通過加熱將水從液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)，產(chǎn)生的氣泡可以用作驅(qū)動力。熱氣動蠕動泵，膜片與管道間的間隙處于常開狀態(tài)，加熱驅(qū)動將使間隙關(guān)閉，膜片的順序動作促使流體定向流動。該泵流量和背壓都比較低。加熱電阻蠕動膜流道入口出口圖4-331熱氣動蠕動泵微機(jī)械波形管執(zhí)行器表面微機(jī)械“波形管”執(zhí)行器，這種執(zhí)行器帶有一個環(huán)形的折疊狀薄膜結(jié)構(gòu)，相對于簡單的薄膜，這種結(jié)構(gòu)可以得到更大的偏移?；钊麍?zhí)行器一個膨脹氣體驅(qū)動的活塞執(zhí)行器，它的運(yùn)動是沿著襯底所在的平面平行移動。在多晶硅加熱器的作用下形成了水蒸汽的氣泡，并在活塞腔內(nèi)膨脹，將活塞向外推。當(dāng)加熱停止時，活塞腔內(nèi)的氣泡就破裂，于是活塞就返回原來的位置。在襯底表面差不多的情況下，基于表面張力的執(zhí)行器所能提供的力能達(dá)到其它方式所能提供的力的兩個數(shù)量級以上。氣泡表面張力致動器簡圖缺點可惜的是，它們的工作環(huán)境必須是液體環(huán)境，這就限制了它們的最大工作速度（由于阻尼）和效率（由于液體的熱導(dǎo)）。熱驅(qū)動方法功耗較大，而且由于熱時間常數(shù)的緣故，其帶寬比較低。熱氣動式由于要有密封腔，所以生產(chǎn)裝配工藝較為復(fù)雜。熱氣動微閥[28]壓力腔內(nèi)注有氯甲烷，利用其液態(tài)-氣態(tài)相變控制流體，控制氮氣流量達(dá)15L/min。進(jìn)口出口玻璃玻璃鋁膜硅加熱電阻a)磁執(zhí)行器通電導(dǎo)體產(chǎn)生磁場。平行的兩條導(dǎo)線中通以相同方向的電流則彼此之間相互吸引，如果通以相反的電流，則彼此之間相互排斥。通電線圈類似的，通電線圈也能產(chǎn)生磁場，它可與磁鐵或相隔一定距離的線圈產(chǎn)生的外磁場相互作用而產(chǎn)生機(jī)械力。電磁力的優(yōu)點在于其值可以很高，并且既可以吸引也可以排斥。缺點是功耗一般較高，而且產(chǎn)生的磁場會對附近的物體產(chǎn)生一些影響，例如移動帶電微?；蛴绊懘艛?shù)據(jù)存儲介質(zhì)。電磁致動：通過線圈通電產(chǎn)生磁場，導(dǎo)磁體由于磁場力的作用而產(chǎn)生運(yùn)動。載流導(dǎo)線周圍某點磁場強(qiáng)度：單圈線圈中心處磁場強(qiáng)度：單圈線圈對中心導(dǎo)磁體的作用力為：電流流過U形導(dǎo)線時就會在兩條導(dǎo)線之間產(chǎn)生排斥力。類似，一條置于磁場中的柔性金屬線上通以電流以后就會發(fā)生偏轉(zhuǎn)，如圖

磁致伸縮執(zhí)行器磁致伸縮效應(yīng)：當(dāng)給鎳棒加一個軸向磁場時，它將會收縮。1840年，焦耳發(fā)現(xiàn)。在外加磁場的作用下，材料的磁疇按外磁場進(jìn)行排列，從而引起材料尺寸的變化。例1：帶有驅(qū)動線圈的磁執(zhí)行器制造磁執(zhí)行器線圈的方法有多種，這里重點介紹單片式線圈的加工方法

圖7-29中，“彎曲”線圈結(jié)構(gòu)是平面內(nèi)蜿蜒形導(dǎo)體，它與一個雙層的磁芯交錯在一起。德國的Meckes等人研制的電磁致動微閥，閥片是用犧牲層技術(shù)制作出的多晶硅膜。這是一個為小型氣體分析儀設(shè)計的微閥結(jié)構(gòu)，設(shè)計的壓力指標(biāo)為10-50kPa，過流能力為2-20mL/min，響應(yīng)時間為5ms。永磁體金線圈氮化絕緣層入口出口圖4-312德國的電磁致動微型閥外加磁場導(dǎo)致坡莫合金區(qū)域產(chǎn)生磁性極化，這反過來又和外加磁場作用，結(jié)果導(dǎo)致執(zhí)行器重新定位，直到它與磁場對準(zhǔn)。面外器件用于斬波、掃描、光束導(dǎo)向等微光學(xué)場合例2：外加磁場的磁執(zhí)行器鐵鎳合金線圈導(dǎo)管硅圖4-311外部驅(qū)動微機(jī)械電磁閥該閥由一個NiFe濺射閥座和一個可開啟、關(guān)閉的可移動NiFe閥膜組成。依靠活動膜片上支撐彈簧的內(nèi)力，可以制成常開或常閉閥。微機(jī)械閥元件放置于攜帶有流體的管道中，管道的外面是由外加線圈形成的磁場，構(gòu)成了一種電隔離操作[79]。電磁光開關(guān)電磁場光纖a)MEMS驅(qū)動器b)圖4-275電磁驅(qū)動光纖開關(guān)原理示意圖加州理工學(xué)院設(shè)計的一種電磁驅(qū)動光纖開關(guān)的原理示意圖。當(dāng)開關(guān)處于開狀態(tài)時，電磁驅(qū)動器帶著雙面微鏡向上運(yùn)動，將微鏡置于光纖之間，每個輸入光纖的光信號經(jīng)反射后從相鄰的輸出光纖輸出，如圖4-275a所示；在關(guān)狀態(tài)，微鏡在光纖之下，輸入光纖的信號直接從正前方的輸出光纖輸出，如圖4-275b所示。該微光開關(guān)的驅(qū)動器采用懸臂梁式結(jié)構(gòu)，是一個由四條懸臂梁(25厚，40寬)支撐的硅平面()，在其下面有一70匝的平面銅線圈，如圖4-276所示。焊盤硅片體硅懸臂梁硅片光阻絕緣體70匝線圈微鏡微鏡表面0.5mm0.5μ,m4mma)b)7mm1mmc)3mm0.27mm圖4-277電磁驅(qū)動光開關(guān)照片懸臂梁微鏡硅極板壓電激勵壓電現(xiàn)象指的是，作用在材料上的機(jī)械壓力產(chǎn)生電場，反過來，施加電場又會產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)變。1880年居里夫婦發(fā)現(xiàn)了這一效應(yīng)。壓電效應(yīng)是可逆的，施加電壓V可以產(chǎn)生相應(yīng)的力F，并引起尺寸變化L。通常用于壓電執(zhí)行器。V的典型值在10-10~10-7cm/N之間變化。因此，要獲得微米量級的位移，常常需要超過1000V的電壓，除非使用疊加的執(zhí)行器或放大機(jī)械運(yùn)動的器件。該現(xiàn)象如圖2-18所示壓電材料的有關(guān)特性材料類型壓電常數(shù)pC/N相對介電常數(shù)r石英單晶體d33=2.33[2，3]4.5[2]，4.0[3]聚偏氟乙烯（PVDF）聚合體d31=20，d32=2，d33=-30[2]d31=23[1]d33=1.59[3]12[1，2]鈦酸鋇（BaTiO3）陶瓷制品（鈣鈦礦晶體）d31=78[1，2]d33=190[3]1,700[1，2]4,100[3]鋯酸鈦酸鉛（PZT）陶瓷制品d31=110[1，2]d33=370[3]1,200[1]300~3,000[3]氧化鋅（ZnO）金屬氧化物d33=246[4]1,400[4]日本東北大學(xué)研制的壓電堆致動微泵如圖4-323所示。該微泵依靠致動器推動薄膜變形，引起腔體內(nèi)壓強(qiáng)的變化，驅(qū)動單向閥工作，使氣、液體定向流動。壓電堆的軸向變形和驅(qū)動力都比較大，最大流量為40L/min，最高背壓為1mH2O。德國的Ilmenau技術(shù)大學(xué)研制的壓電致動硅微無閥泵，其最大流量為7.5mL/min，最大背壓為2.8kPa。小應(yīng)變壓電執(zhí)行機(jī)理的一個重要應(yīng)用是微機(jī)械壓電偏轉(zhuǎn)掃描隧道顯微鏡(STM)探針。目前的支撐隧道探針是制造在一個壓電懸臂梁上，它能讓探針向上或向下移動，移動距離小于10-10m。壓電執(zhí)行器是由夾于鋁電極之間的ZnO膜構(gòu)成。懸臂梁本身包含兩套這樣的夾層器件：一套用于使探針出入于平面（感受隧道電流），另一套讓探針在一個平面上掃描以形成圖像。在選擇區(qū)域內(nèi)使用多重電極來驅(qū)動ZnO。微機(jī)械構(gòu)造的多層壓電掃描隧道顯微鏡探針

探針運(yùn)動模式將一片晶體按圖2.19那樣安裝在微執(zhí)行器的一根彈性硅梁上。在壓電晶體上加電壓使其產(chǎn)生形變，引起彈性硅梁的彎曲。壓電晶體致動器在微定位機(jī)構(gòu)和微型夾具等方面都有應(yīng)用。

形狀記憶合金概念：有些材料在受熱時，其長度能發(fā)生很顯著的變化（收縮），將它們總稱為形狀記憶合金（SMA），其中最著名的是鈦鎳合金現(xiàn)象：受到機(jī)械力作用而產(chǎn)生變形的合金，一旦受到熱作用就會恢復(fù)到它們原始的未變形前的狀態(tài)加熱方式：通電流優(yōu)點：相對的“線性”控制和很高的應(yīng)力（大于200MPa），如果應(yīng)變保持在2℅以下，就可以工作幾百萬個循環(huán)缺點：需要特殊的合金和很高的功耗SMA效應(yīng)源于合金馬氏體（主要為三角晶系）和奧氏體（高度均勻）晶相之間與溫度有關(guān)的相變。在設(shè)計的預(yù)置溫度T時彎曲的合金片依附在硅懸臂梁上。室溫時，梁是直的。當(dāng)把梁和附于其上的合金片加熱到溫度T時，合金的“記憶”被喚醒并試圖恢復(fù)原來的彎曲形狀。合金的彎曲迫使懸臂梁一起變形，由此達(dá)到致動效果。這種方式的致動被廣泛用在微型旋轉(zhuǎn)致動器、微型關(guān)節(jié)和機(jī)器人、以及微彈簧上。澳大利亞NewSouthWales大學(xué)和臺灣新竹清華大學(xué)聯(lián)合研制的形狀記憶合金致動微閥，該閥的閥口尺寸為60m60m，過流能力0~6ml/min。多晶硅Cr二氧化硅多晶硅形狀記憶合金微泵微機(jī)械不同致動方式的特點致動方式驅(qū)動力行程響應(yīng)時間可靠性電磁活塞式小大中等好壓電片式小中等快好疊層壓電片式很大很小快好氣動式大大慢好形狀記憶合金式大大慢差靜電式小很小很快很好熱氣動式大一般一般好電磁式小大快好雙金屬熱致動式大大一般好微傳感器

微傳感器是今天最廣泛使用的MEMS器件，通常使用集成電路工業(yè)中發(fā)展起來的手段和技術(shù)來制造，比如微金屬版印制技術(shù)、刻蝕技術(shù)等，也采用專門為微傳感器制造開發(fā)的新技術(shù)。壓阻式壓電式電容式隧道電流諧振式光電效應(yīng)……力學(xué)（加速度/壓力/聲）光（光電類）熱（熱電偶/熱阻）電磁（磁強(qiáng)計）生物化學(xué)（血糖/電阻化學(xué)/電容化學(xué)/化學(xué)機(jī)械/金屬氧化物）……簡要介紹，為以后章節(jié)學(xué)習(xí)提供目的簡要介紹，為以后章節(jié)學(xué)習(xí)提供目的傳感器傳感器：把被物理量轉(zhuǎn)換為電信號輸出的器件，通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成。傳感器的技術(shù)指標(biāo)：

量程靈敏度線形度