MEMS技术导论.ppt
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常用MEMS结构和系统SensorActuatorsPassivestructuresSensors:
将机械、热、或其他形式的能量转换成电能Actuators:
将电能转换成机械、热或其他形式的能量。
Passivestructures:
不发生能量转换常用的Sensing方法材料的温度特性(如金属的电阻温度系数)压阻、压电特性电容传感(空间位置变化,或相对介电常数变化)转换电路复杂。
电磁信号(磁阻现象、霍尔效应、法拉第定律)常用actuation方法electrostaticactuation库仑力,两加电压的单元之间。
耗能低。
Piezoelectricactuation,特点:
当压电薄膜较厚,可提供较大的力。
耗能低Thermalactuation耗能较大。
如双层不同材料,热膨胀系数差异引起的弯屈。
密封腔内的液体受热后的膨胀对墙壁施压。
Magneticactuation机理:
Lorentz力。
通有电流单元在磁场中受力。
Actuationusingshape-memoryalloys特点:
提供能量密度最大的actuation。
与Si工艺集成困难。
PassiveMEMstructure流体喷嘴,(图喷墨打印机喷嘴,Ford公司的引擎燃料喷嘴,吸药器械喷嘴等)。
采用各向异性腐蚀Si,或其他电镀电铸工艺等。
Si双面用SiN掩膜,背面开方口,KOH溶液腐蚀。
圆喷口制备:
正面生长P外延层,掩膜保护,干法刻蚀出圆孔。
双面掩膜保护,用双面光刻的方法在背面开方孔。
KOH溶液腐蚀。
高掺杂层可作为腐蚀停层。
在Si片上设计流体通道给控制喷嘴形状提供了方便。
采用深反应离子刻蚀键合工艺。
尺度控制在微米级。
喷嘴形状控制好,喷墨打印喷嘴MEMS技术最成功的产品之一。
Ta薄膜电阻加热墨水,形成汽泡,喷射出。
Sensors压力传感器1974年第一只压力传感器,1998年4500万只Si微机械压力传感器。
以压力传感器和血压计为主。
敏感元采用扩散压阻材料,制备在Si薄膜上。
4个敏感元接成Wheastone电桥形式。
薄膜两面有压力差时,发生形变。
与压力差成正比。
敏感元置于高应力处,两个基轴平行于薄膜边缘,另两个则垂直于薄膜边缘。
当薄膜形变时,两个电阻减少,另两个电阻增大。
提高测试灵敏度。
工艺:
IC工艺电化学腐蚀形成厚度准确的薄膜。
正面制备薄无应力绝缘层,背面SiN保护。
注入方法掺硼,高温退火,形成压阻单元。
背面双面光刻对准开腐蚀孔,电化学腐蚀。
阳极键合。
Si直接键合形成向上开口腔体。
减小尺寸400微米宽,800微米长,150微米高底层Si片的腔体腐蚀,上层与底层Si片键合。
电化学腐蚀,形成上层薄膜。
制备压阻敏感元,电极。
高温压力传感器常用Si微机械压力传感器的温度范围-40125度。
在125度以上,压阻单元与衬底的pn结漏电。
可用SOI技术减少漏电。
工艺:
有一p型重掺杂层的Si片与SiO2/Si直接键合将p型重掺杂层的衬底腐蚀去除。
正面光刻形成压阻单元。
溅射并光刻形成电极和连线。
背面光刻形成腔室和薄膜。
质量流量Sensor:
原理:
气体流动,带走被加热单元的热量,使之温度变化。
(1)温度变化可用电阻值变化。
通过电桥,测出电压变化。
此变化值正比于气体流动量。
)
(2)用pn结的温度变化(3)用热电偶的温度变化MEMS特点:
加热源和衬底支架之间的热隔离好,保证热损失完全由于气体流动。
被加热部件热容量小,反应速度快。
双向质量流量Sensor:
相邻两薄膜上有加热单元和温敏电阻。
500微米见方。
气体流量冷却上加热单元,同时给下加热单元升温。
使两薄膜上的电阻差值增大,通过电桥获得更高的探测灵敏度。
制备工艺:
淀积SiN薄膜,溅射加热单元(NiCr)和热敏电阻,光刻腐蚀成型。
表面绝缘钝化。
光刻腐蚀形成薄膜二维形状深腐蚀成腔(纵向和横向腐蚀Si,形成SiN悬空薄膜。
加速度Sensor1979年Stanford大学第一个加速度计。
15年后商品化生产。
主要用途:
安全气囊。
低成本:
3US$/个(1998年)。
基本结构:
基于弹簧之上的质量悬挂。
Sensing原理:
外加加速度时,探测质量块发生相对位移。
原理:
(1)电容式:
质量块为电容一极。
需专用电路探测微小电容变化e15F。
(2)压阻式:
测试弹簧的内应力参数:
(1)测试范围,G
(2)响应度,V/G(3)带宽,Hz(4)横轴响应度:
评价加速度计对垂直于主轴方向上的加速度的抵抗能力。
气囊,测试范围,50GHz,带宽1kHz引擎振动,测试范围:
1GHz,分辨率100微G,带宽10KHz以上。
心脏起博器,多轴加速度计,监测活动水平,测试范围,2GHz,带宽50Hz,需要耗能小。
军事应用,测试范围可达1000G。
四种主要的加速度计
(1)压阻体微机械工艺加速度计结构:
基座;核心部分:
弹簧,内质量块,敏感单元;盖。
外框提供过载保护,与悬挂质量块间距3.5微米。
压敏电阻0.6微米厚,4.2微米长,是电桥电阻的一部分。
响应度:
25mV/G厚而窄的弹簧,保证抵抗横向加速度。
可抵抗冲击10000G。
制备特点:
使110wafer,以获得垂直深沟。
压阻敏感元沿111方向,以获得最大灵敏度。
(2)电容式体微机械工艺加速度计结构:
三层Si基结构,中间质量块与上下两层的固定电极构成一对差分电容。
以提高灵敏度。
质量块中间的孔减少腔内的空气阻尼。
提高带宽。
电路将电容变化转化成输出电压。
测试范围:
1.5G-+-50G。
带宽400Hz,横轴响应度小于5。
冲击抵抗能力20000G。
工艺:
三层分别加工,而后键合。
中间的质量块由几步腐蚀的方法制备。
(1)双面浅腐蚀
(2)三部分掩模(SiO或SiN)分别淀积和光刻图形。
(3)分别腐蚀三部分结构,并去除掩模。
(3)电容式表面微机械工艺加速度计低成本,汽车应用。
特点:
悬挂梳状结构,在芯片结构的平面内位移。
结构很薄,容易受到垂直方向加速度的影响,和冲击损坏。
结构:
三套2微米厚的多晶指状电极。
二套固定于衬底。
代表一对差分电容的上下电极。
第三套可动双面梳状电极悬挂在表面1微米处,形成可动电极。
无外加速度时,差分信号为零。
有加速度时,产生差分电容。
总电容100fF。
测试范围:
2G100G带宽16KHz质量块质量小,0.3微克(常规体微机械工艺加速度计质量块100微克。
),噪声较大(500微G/)。
优势:
可在同一芯片上制备双轴加速度计。
(4)电容式深腐蚀微机械加速度计结构:
可动梳状结构接在悬挂的中央板上。
两套指状结构固定在衬底。
特点,指状结构较厚,50100微米。
质量可达100微克。
减少机械噪声(10微G/)。
提高分辨率。
高宽深比的结构减少了横轴方向加速度的影响。
辐射Sensor红外成像非制冷红外探测。
通过吸收红外信号,使探测材料的温度生高,性能变化(如电阻值等),检测这种变化,实现探测。
特点:
用MEMS方法将探测单元与衬底完全热隔离。
结构:
含有氧化钒温敏材料制备在SiN薄膜上,50微米见方,0.5微米厚SiN薄膜悬于衬底之上。
提供热导e8W/K。
由于热辐射造成的热导理论最低值为e9W/K。
氧化钒温度系数-0.2-0.3%/度。
衬底部有反射层。
与上层间隔1.8微米。
形成1/4波长共振腔(10微米波长)。
保证红外信号全被探测单元系数。
表面微机械工艺加有机牺牲层技术。
衬底首先加工CMOS电路,保证表面平整。
钝化后表面化学机械抛光。
底面金属反射层淀积和光刻。
淀积有机牺牲层1.8微米。
0.5微米SiN薄层。
氧化钒温敏电阻层(温度系数-0.2-0.3%/度,1/f噪声较低,方阻适当,红外吸收系数大)。
或镧锰氧化物温度系数-0.3%/度,1/f噪声低。
表面钝化SiN层去除牺牲层(用各向异性等离子刻蚀方法),释放SiN悬空板。
划片,封装。
对于e8W的红外信号,提高温度0.1度,产生电阻变化10欧姆(电阻50K欧姆)每个象素的热容e9J/K,响应时间10msCO气体Sensor气体Sensor原理:
金属氧化物表面吸附气体分子,俘获导电电子,减小表面电导。
Sensor材料包括:
SnO2,TiO2,In2O3,ZnO,WO3,Fe2O3.不同的氧化物对不同的气体敏感。
SnO2可探测酒精,H2,O2,HS,CO.In2O3可探测O3。
如图COSensor。
多晶Si电阻加热器上制备SnO2探测电阻。
加热器保证温度100450度,防止湿度太高对性能的影响。
Sensor元与加热器置于Si薄膜之上,减少热损失,功耗只有47mW。
工作时加恒流,测电压,得到探测信号。
工艺:
外延或离子注入加退火形成2微米p型Si薄层。
淀积SiN薄层。
CVD淀积并光刻多晶Si电阻加热器层。
淀积氧化层,并开电极接触孔。
溅射淀积SnO2Sensor层,并退火。
光刻SnO2层。
溅射Al电极并光刻。
最后背面深腐蚀形成薄膜支架。
工作方式:
5V脉冲5s加于加热器,保持400度。
1V脉冲10s加于加热器,温度降至80度。
在固定时刻测试SnO2电阻。
灵敏度:
14000ppm。
(环境湿度2080)微机械麦克风困难:
常规麦克风价格低。
优势:
小尺寸,应用于助听系统。
结构:
电容式,感知由于声波的传播产生的微小压力的变化(0.1Pa).薄膜悬于底板之上,中孔保证静态压力平衡。
工作原理:
声波产生薄膜振动,薄膜与底板之间电容随之变化,可探测声压水平。
底板下的腔体形成共振腔,可调节声阻抗和频率响应。
技术指标:
响应度(530mV/Pa)、频率响应(10Hz-30KHz),高频时由于薄膜与底板之间的空气流,响应度降低。
等效输入噪声。
两种噪声源:
机械噪声和电噪声。
机械噪声热噪声。
等效噪声压力为。
C是器件的声阻抗。
腔体体积减小,c增加,对微机械麦克风不利。
工艺:
CMOS工艺制备读出电路和直流电源。
PECVD和LPCVD方法制备1.1微米SiN层。
刻出阻尼slot。
溅射Cr电极。
牺牲层和摺皱薄膜的制备。
3微米皱薄膜Al牺牲层的淀积、光刻和腐蚀。
1微米thingapAl牺牲层的淀积、光刻和腐蚀。
PECVDSiN薄膜的淀积、光刻、和腐蚀,刻出摺皱薄膜。
淀积Cr上电极。
淀积联线。
最后腐蚀腔和Al牺牲层。
麦克风的响应度10mV/Pa(1KHz)。
频率响应150Hz17KHz。
噪声由热噪声,电噪声,薄膜阻尼噪声和压力释放通道的阻力噪声构成。
Actuators数字微镜器件(DMD)投影显示技术结构:
Si衬底上的二维光学开关阵列(每个开关对应一个象素。
)每一个象素由装在微柱上的微反射镜构成,微柱装在金属偏转片,联在弹性扭转绞链上。
绞链由两锚柱固定在Si衬底上。
偏转片下的两个电极提供静电驱动力。
偏转片和电极间的24V电压是微镜朝电极方向偏转。
偏转角为10度。
电压去除后,绞链使微镜恢复原位。
微镜下方的CMOS电路控制微镜的偏转和持续时间。
微镜有三个位置:
0度,10度,10度。
在开态(10度),微镜反射的偏轴光进入投影仪透镜,使该象素看起来发亮。
另二个状态,反射光被挡住。
该象素看起来使黑的。
亮、黑的对比度很高。
微镜16微米见方。
标准的分辨率为800600象素12801024象素。
图像的灰度由入射光的脉冲宽度来调节。
机械开关时间为16微秒,比人眼反应时间快1000倍,灰度可分1000级。
采用三个DMD器件(每个控制一种颜色),可获得彩色投影。
典型工艺微机械阀低成本气体控制阀,生化系统中的微流体控制阀。
特别在小尺寸和电控制较重要的领域。
工作方式:
常开或常关。
加电后,加热丝工作,液体被加热,驱动薄膜向下运动。
对于常开系统,薄膜可堵塞流体。
断电后,液体冷却,薄膜复位,允许流体流动。
缺点:
薄膜与流体直接接触,热损失大,热隔离结构,常关系统,在液体加热后,腔内压力增大,薄膜产生对于支点的扭矩,抬高塞子,允许流体流动。
对液体的要求:
无腐蚀,惰性,电绝缘,热导高。
膨胀系数大。
Perfluorocarbon全氟碳液体膨胀系数0.13%/度。
电绝缘。
沸点56250度。
微机械形状记忆合金阀特点:
效率高,可产生很大的能量密度(510倍于其他阀。
)结构:
三Si片,一铍铜合金(保持阀的关闭力)。
Si片1,提供孔。
Si片2,提供阀塞运动空间。
Si片3,提供悬在薄膜钛镍合金弹簧结构上的阀塞。
蓝宝石小球推动阀塞。
关闭流动小孔。
电流通过TiNi合金加热弹
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