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1、MEMS和微系统设计,课程内容,MEMS概述及MEMS设计的概述工艺简要回顾系统设计、工艺设计及版图设计主要的机械、电子元件及其设计基础多域耦合设计：以机电耦合为例子器件性能的估计简单的其他域的元件及其简要设计要点设计实例,第三讲主要内容 (3),1、系统设计与器件设计2、工艺设计3、版图设计4、关于微器件的一般知识,系统设计的目的,MEMSDesignProcess & Flow,System Requirments,Device Design,Implementation,Layout,SensitivityResponsivityFreq responseLossPower consum
2、ptionetcSystem levelsimulation(e.g. opticalsimulation foroptical systems),Transduction mechanismPhysical simulationVerify system requirementAnalytical modelsMacro models,What technology to use?Bulk vs surface micromachiningCustom vs Foundry processMaterials (Si, single crystal, poly,)Process integra
3、tionFinite element methodCoupled domain FEM(MEMCAD, ANSYS, IntelliCAD,),Establish technology filesLayers of materials ThicknessDeposition or etching LithographyMask layoutDesign rulesDesign rule checking (DRC)Cross-section viewSynthesisExport to MEMS CAD,Thicker films deeper etches fewer stepsMultip
4、le processing cycles Removal of underlying materials to release mechanical structuresDepositon of material Pattern transfer Removal of material probe testing secticning individual DIE Assembly into package package seal final test,器件设计,原理 性能,第三讲主要内容 (3),1、系统设计与器件设计2、工艺设计3、版图设计4、关于微器件的一般知识,电容原理加速度传感器？
5、,工艺流程设计,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 PSG at 100 , 1 h Timed etch to creat dimples, wet etch Etch anchors, reactive ion etch,2 m LPCV
6、D 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 hour,Microstructure release,HF to etch PSG Water rinse Dry, avoiding surface tension of water,第三讲主要内容 (3),1、系统设计与器件设计2、工艺设计3、版图设计4、关于微器件的一般知识,版
7、图设计,版图什么样版图的制作过程对准问题正胶和负胶问题版图设计工具,Mask Type,Binary MaskProximity correction maskPhase shift mask,Binary Mask,The patternarea is either clear or opaqueThe mask pattern design as same as desired devices patternMay cause serrated edges and nonuniformity across the mask,Modify the mask patternFinal Mask
8、 pattern may contain serifs at feature corners,Proximity Correction Mask,Phase 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 Fabrication Tool,High resolution printerOptical pattern generatorE-
9、beam writer,Mask Design Tools AutoCAD L-edit Some simulation tools: MAMSCAD; Intellsense Link CAD,电容谐振器的版图,？,第三讲主要内容 (3),1、系统设计与器件设计2、工艺设计3、版图设计4、关于微器件的一般知识,微执行器微传感器,微机械执行器是组成微机电系统的要素之一。 如，力学执行器是将电能或其它能量转换为机械能 。 理想的执行器应该是使用很少的能源，具有很高的机械效率，对机械状态和环境条件适应性强，需要时能产生高速运动，具有高的能量-质量比，在控制信号与力、扭矩和速度之间呈线形比例关系。,
10、驱动方式（原理及实例）,静电式微执动器（重点内容，以后章节）热力压电式微执动器形状记忆合金微执动器电磁式微执动器生物,热执行器,有一些基于固体或液体膨胀的热执行方式。它们中的许多已在微机械器件中得到应用 ;利用热来驱动的热致动器或简单的加热器（一个电阻器）广泛应用于微机械器件中，是一种十分常见的驱动方式。从原理上分，热致动器可以分为热气动式和热膨胀式两种。,“Heatuator”,Current runs through loop of released structure (usually polysilicon, “cold arm” with gold layer) Regions wi
11、th higher current density (“hot arm”) are heated up more and expend more (“pseudo bimorph”)【Bright rt al., U. Colorado】,热膨胀式是利用执行器加热时本身材料的体积膨胀制造的。 热气动式一种典型的方法是形成带有密封流体（如空气、水蒸汽和液态水等）的空腔，气腔中的流体被加热后就会膨胀，压力增大，从而推动薄膜运动。,热执行器的一个基本方案是利用两种键合材料的不同热膨胀系数，被称为双晶片热激励。一个加热器常被夹在两层“活动”的材料中间，加电后，就会使它们产生不同的膨胀。该方案的优点包括
12、线性的偏移量-能量关系以及环境稳定性，如这些执行器能运行于热传导相当低的液体中。缺点包括高功耗、低带宽（由热时间常数决定）以及比静电执行器更复杂的结构。,固体热膨胀：双晶片热执行器,热双晶片执行器的截面图,双金属致动器,严格说来双金属致动器也是一种热致动器，但它不利用固体的体积膨胀，而是利用固体的线形膨胀来制造微致动器。双金属热致动是通过加热，使得驱动元件本身的温度升高，结构内部产生热应力，导致薄膜产生线性应变，从而达到驱动目的。,双金属热致动方式具有驱动电压低、驱动力大、行程大、线性的位移能量关系、结构及制造工艺简单（相对热气动等方式而言）、驱动能源易于实现、易于集成等特点，因而应用前景广泛
13、。,a热膨胀系数，t厚度，b宽度,美国IC Sensors利用这种双金属片致动原理研制的阀如图4-319所示。其中，硅膜厚、直径为，铝层厚，常开间隙为的阀可控0.2MPa、的气流，泄漏仅为45L/min,金属层,加热膜,硅,进口,出口,加热层,体积膨胀和相变执行器,不利用固体的线形膨胀，而是利用体积膨胀也可以制造出微机械执行器。一种典型的方法是形成带有密封流体的空腔（如：空气、水蒸汽和液态水等），这些物质可以被加热，然后就会膨胀。但是，就象别的许多热驱动方法一样，这种方法功耗较大，带宽较低，这是由于热时间常数所致。变相的热执行器包括加热时相态可变的材料，这样体积发生膨胀从而产生压力以及机械载荷
14、。例如，可以通过加热将水从液态转变为气态，产生的气泡可以用作驱动力。,热气动蠕动泵，膜片与管道间的间隙处于常开状态，加热驱动将使间隙关闭，膜片的顺序动作促使流体定向流动。该泵流量和背压都比较低。,微机械波形管执行器,表面微机械“波形管”执行器，这种执行器带有一个环形的折叠状薄膜结构，相对于简单的薄膜，这种结构可以得到更大的偏移。,活塞执行器,一个膨胀气体驱动的活塞执行器，它的运动是沿着衬底所在的平面平行移动。在多晶硅加热器的作用下形成了水蒸汽的气泡，并在活塞腔内膨胀，将活塞向外推。当加热停止时，活塞腔内的气泡就破裂，于是活塞就返回原来的位置。在衬底表面差不多的情况下，基于表面张力的执行器所能提
15、供的力能达到其它方式所能提供的力的两个数量级以上。,气泡表面张力致动器简图,缺点,可惜的是，它们的工作环境必须是液体环境，这就限制了它们的最大工作速度（由于阻尼）和效率（由于液体的热导）。热驱动方法功耗较大，而且由于热时间常数的缘故，其带宽比较低。热气动式由于要有密封腔，所以生产装配工艺较为复杂。,热气动微阀28压力腔内注有氯甲烷，利用其液态-气态相变控制流体，控制氮气流量达15L/min。,磁执行器,通电导体产生磁场。平行的两条导线中通以相同方向的电流则彼此之间相互吸引， 如果通以相反的电流，则彼此之间相互排斥。,通电线圈,类似的，通电线圈也能产生磁场，它可与磁铁或相隔一定距离的线圈产生的外
16、磁场相互作用而产生机械力。电磁力的优点在于其值可以很高，并且既可以吸引也可以排斥。缺点是功耗一般较高，而且产生的磁场会对附近的物体产生一些影响，例如移动带电微粒或影响磁数据存储介质。,电磁致动：通过线圈通电产生磁场，导磁体由于磁场力的作用而产生运动。载流导线周围某点磁场强度：单圈线圈中心处磁场强度：单圈线圈对中心导磁体的作用力为：,电流流过U形导线时就会在两条导线之间产生排斥力。类似，一条置于磁场中的柔性金属线上通以电流以后就会发生偏转，如图,磁致伸缩执行器,磁致伸缩效应：当给镍棒加一个轴向磁场时，它将会收缩。1840年，焦耳发现。在外加磁场的作用下，材料的磁畴按外磁场进行排列，从而引起材料尺
17、寸的变化。,例1： 带有驱动线圈的磁执行器,制造磁执行器线圈的方法有多种，这里重点介绍单片式线圈的加工方法,图7-29中，“弯曲”线圈结构是平面内蜿蜒形导体，它与一个双层的磁芯交错在一起。,德国的Meckes等人研制的电磁致动微阀，阀片是用牺牲层技术制作出的多晶硅膜。这是一个为小型气体分析仪设计的微阀结构，设计的压力指标为10-50kPa，过流能力为2-20mL/min，响应时间为5ms。,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,外加磁场导致坡莫合金区域产生磁性极化，这反过来又和外加磁场作用，结果导致执行器重新定位，直到它与磁场对准。面外器件用于斩波、扫描、
18、光束导向等微光学场合,例2：外加磁场的磁执行器,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。,电磁光开关,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。,该微光开关的驱动器采用悬臂梁式
19、结构，是一个由四条悬臂梁(25厚，40宽)支撑的硅平面()，在其下面有一70匝的平面铜线圈，如图4-276所示。,压电激励,压电现象指的是，作用在材料上的机械压力产生电场，反过来，施加电场又会产生机械应变。1880年居里夫妇发现了这一效应。压电效应是可逆的，施加电压V可以产生相应的力F，并引起尺寸变化L。通常用于压电执行器。V的典型值在10-1010-7cm/N之间变化。因此，要获得微米量级的位移，常常需要超过1000V的电压，除非使用叠加的执行器或放大机械运动的器件。,该现象如图2-18所示,压电材料的有关特性,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
20、，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。,德国的Ilmenau技术大学研制的压电致动硅微无阀泵，其最大流量为7.5mL/min，最大背压为2.8kPa。,小应变压电执行机理的一个重要应用是微机械压电偏转扫描隧道显微镜(STM)探针。目前的支撑隧道探针是制造在一个压电悬臂梁上，它能让探针向上或向下移动，移动距离小于10-10m。压电执行器是由夹于铝电极之间的ZnO膜构成。悬臂梁本身包含两套这样的夹层器件：一套用于使探针出入于平面（感受隧道电流），另一套让探针在一个平面上扫描以形成图像。在选择区域
21、内使用多重电极来驱动ZnO。,微机械构造的多层压电扫描隧道显微镜探针,探针运动模式,将一片晶体按图2.19那样安装在微执行器的一根弹性硅梁上。在压电晶体上加电压使其产生形变，引起弹性硅梁的弯曲。压电晶体致动器在微定位机构和微型夹具等方面都有应用。,形状记忆合金,概念：有些材料在受热时，其长度能发生很显著的变化（收缩），将它们总称为形状记忆合金（SMA），其中最著名的是钛镍合金现象：受到机械力作用而产生变形的合金，一旦受到热作用就会恢复到它们原始的未变形前的状态加热方式：通电流,优点：相对的“线性”控制和很高的应力（大于200MPa），如果应变保持在2以下，就可以工作几百万个循环缺点：需要特殊的
22、合金和很高的功耗SMA效应源于合金马氏体（主要为三角晶系）和奥氏体（高度均匀）晶相之间与温度有关的相变。,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。,澳大利亚New South Wales大学和台湾新竹清华大学联合研制的形状记忆合金致动微阀，该阀的阀口尺寸为60m60m，过流能力06ml/min。,多晶硅,Cr,二氧化硅,多晶硅,形状记忆合金微泵,微机械不同致动方式
23、的特点,微传感器,微传感器是今天最广泛使用的MEMS器件，通常使用集成电路工业中发展起来的手段和技术来制造，比如微金属版印制技术、刻蚀技术等，也采用专门为微传感器制造开发的新技术。,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/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,简要介绍，为以后章节学习提供目的,传感器,传感器：把被物理量转换为电信号输出的器件，通常由敏感元件和转换元件组成。 传感器的技术指标： 量程 灵敏度 线形度 分辨率 零轴稳定性 重复性 频响范围,量程,测量范围上限
24、值和下限值的代数差。,分辨率,传感器的分辨率是指在规定测量范围内可能检测出的被测量的最小变化量。,灵敏度,灵敏度是指传感器的在稳态下输出变化对输入变化的比值，用 来表示，即,线性度,传感器的线性度是指传感器输出与输入之间的线性程度。传感器的理想输出输入特性是线性的，它具有以下优点：（1）可大大简化传感器的理论分析和设计计算；（2）为标定和数据处理带来很大方便，只要知道线性输出输入特性上的两点就可以确定其余各点；,（3）可使仪表刻度盘均匀刻度，因而制作、安装、调试容易，提高测量精度；（4）避免了非线性补偿环节。 实际上许多传感器的输出输入特性是非线性的，如果不考虑迟滞和蠕变效应，一般可用下列多项
25、式表示输出输入特性。,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。,重复性,重复性表示传感器在输入量按同一方向作全量程多次测试时所得特性曲线不一致程度。,频响范围,传感器的频响范围是指在规定误差条件下，传感器可以正常工作的频率区间。,附例：,一个加速度传感器的指标,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,
