全面的微系统技术
一、微系统技术
在微系统技术微系统技术的发展历史上，集成电路（IC）是技术的起点。电子器件小型化和多功能信成是微加工技术的推动力。如果没有微加工和小型化技术的迅猛发展，许多今天看来理所当然的科学和工程成就都不可能实现。
微系统技术是由集成电路技术发展而来的，经过了大约20年的萌芽阶段，即由20世纪60年代中期到20世纪80年代。在这段萌芽时期，主要是开展一些微系统技术的零散研究。例如，开发了硅各向异性腐蚀技术用于在平面硅衬底上加工三维结构；一些研究机构和工业实验室里的研究者开始利用集成电路的加工技术制造微系统技术器件，例如悬臂梁、薄膜和喷嘴；微传感器的关键部件，如单晶硅和多晶硅中的压阻被发现、研究和优化。
在微系统技术的研发时期，涌现出了一些具有重要意义的研究成果。1967年，Westinghouse公司发明了一种谐振栅晶体管（RGT）。它与传统的晶体管不同，RGT的电栅极不是固定在栅氧化层上，而是相对硅衬底可动。由静电力控制栅电极和衬底之间的间距。RGT是静电微执行器的最早实例。
佳能公司最早开发了基于热气泡技术的喷墨打印技术，而惠普公司在1978年首先发明了基于硅微机械加工技术的喷墨打印机喷嘴。喷嘴阵列喷射出热气泡膨胀所需液体体积大小的墨滴，如图1-1所示。气泡破裂又将墨汁吸入到存放墨汁的空腔中，为下一次喷墨做准备。通过滴入红、蓝、黄三种基本色实现彩色打印。
图1-1
在20世纪80年代后期，在微机械技术这个新领域的研究者主要是研究硅的应用——单晶硅衬底或者多晶硅薄膜。多晶硅薄膜技术的应用产生了一些表面微机械加工的机械结构，如弹簧、传动机械和曲柄等。
20世纪90年代，全世界的微系统技术研究进入一个突飞猛进、日新月异的发展阶段。非常成功的例子有美国Analog Devices（模拟器件）公司生产的用于汽车安全气囊系统的集成惯性传感器，以及美国Texas Instruments（德州仪器）公司用于投影显示的数字光处理芯片。
相对于宏观的机电传感器，微系统技术技术带来了两个重要的优点，即高灵敏度和低噪声。同时，由于微系统技术技术采用批量生产，而不是采用手工组装的方式，有效地降低了传感器的使用成本。
20世纪90年代后期，光微系统技术发展迅速。世界各地的研究人员竞相开发微光机电系统和器件，希望能将二元光学透镜、衍射光栅、可调光微镜、干涉滤波器，相位调制器等部件应用到光学显示、自适应光学系统、可调滤波器、气体光谱分析仪和路由器等应用领域。
生物微系统技术包括生物学研究、医疗诊断和临床介入等方面的微系统技术
研究和应用。由于生物微系统技术结构和器件的尺寸大小、集成功能多，它们已经在一些医疗方面得到应用，例如视网膜植入，耳蜗植入、嵌入生理传感器以及含有传感器的智能手术工具等。
二、微系统技术的本质特征
2.1小型化
毫无疑问，微系统技术将会不断有新的应用领域。技术发展和商业化的原因有时候并不完全相同。然而，微系统技术器件和微加工技术具有三种特点，称为“3M”，即小型化、微型电子集成及高精度的批量制造。典型的微系统技术器件
~1cm之间，当然，微系统技术器件阵列或整个微系统的长度尺寸大约在1m
技术系统的尺寸会更大一些。小尺寸能够实现柔性支撑、带来高谐振频率、低热惯性等很多优点。然而小型化带来的并不全是更好的特性，也可能带来问题。有些在宏观尺度下非常显著的物理效应，当器件尺寸变小以后，性能可能会变得很差。与之相反，有些对于宏观器件可忽略的物理效应，在微观尺寸范围内会突然变得突出，这称之为比例尺度定律。这人定律可以有效解释物理学在不同尺寸下的作用规律。例如，跳蚤可以跳过自身高度的几十倍，而大象则根本不能跳。定性观察表明：重量小的物体受重力影响小、小型化可以带来更快的速度、高功率密度和高效率。
尺度效应是微系统技术中许多物理现象不同于宏观现象的一个非常得要的原因，随着尺寸的减小，表面积（2L）与体积（3L）之比相对增大，表面效应十分明显，这将导致微机电系统的受力环境与传统机电系统完全不同。以潜水艇为例，当把潜水艇缩小到针头大小时，螺旋桨即使转动与很难使潜水艇前进，这主要是由于尺度变化，使得潜水艇受到水的黏性阻力变得相当突出，二者的驱动
原理已经完全不同。正因如此，像细菌一样的微小生物体它们在液体中依靠的是螺旋状长长的鞭毛边旋转边前进。
2.2微系统技术中的力
对于我们所考虑的微机电系统，其尺寸量级在微米和纳米之间，在这种范围内起主要作用的是万有引力和电磁力。物体间作用的万有引力和电磁力的强度主要取决于3个因素，即作用力的密度、物体的尺度及物体间的作用距离。
万有引力和静电力表达方式很相似，从作用距离来看，二者都与距离平方成反比。从作用体的尺度来看，二者也都与物体尺度成正比。但从作用力的密度来看，二者有很大区别。首先引力常数和库仑力常数相差就很大，其次静电力和电荷成正比，万有引力和质量成正比，而单位尺度下的质量却比单位尺度下的电荷也要小很多，因此，静电力的密度要比万有引力的密度大很多个量级。除此之外，万有引力一定是吸引力，而静电力可以是吸引力也可以是排斥力，取决于电荷的同号或异号。微机电系统结构的尺寸很小，质量也很小。由于万有引力的密度极小，因此对于微机电系统来说万有引力是可以忽略的。与万有引力不同，电磁力的作用却是普遍的和多样的。电磁力中包括静电力、电场力、磁场力、洛仑兹力、多极电场力以及偶极电场力引发的范德瓦尔斯力等很多形式。
微机电系统的结构尺寸大多数都在微米量级，有的作用尺寸甚至达到纳米量级。因此，对于微机电系统来说，表面力和线力相对体积力来说起到的作用更明显，如静电力、摩擦力、阻尼力、卡西米尔力等都属于表面力，它们在微机电系统中的重要作用都在不同程度上显现，而安培力属于线力，受尺度的影响最不显著，它在宏观和微观机电系统中，静电力常常可作为一种驱动力来产生电容两极间的相对运动，但当两极板间距较小或电压较大时，两个极板间的静电力也会引
起板间的吸合。对于谐振系统，若要使两极板间产生周期振动，则周期性的驱动力是期望的主动动作，而极板间的吸合趋势就是不期望的被动作用。对于表电开关，极板间的吸合是期望的主动作用，未吸合的振动就变为不期望的被动作用。除此之外，微摩擦力和空气阻尼力等也在微机电系统中起着主动或被动的作用。空气阴尼会影响系统的品质因子，但空气阻尼也常常被用来调节品质因子。摩擦力会使微构件很快磨损而导致失效，但摩擦力有时也可用来作为约束或固定。
由于上述的在宏观尺度上被忽略的各种面力，在微观尺度下都显现出来。相对于宏观状态，微机电系统的力学环境发生了很大的变化。当系统特征尺度达到微米或纳米量级时，许多物理现象与宏观状态也有明显不同，当它受不同环境和不同加工过程的影响时，力学参数也会有明显变化。与尺度高次方成正比例的惯性力，电磁力等的作用相对减小，而与尺度低次方成比例的摩擦力、黏性力、弹性力、表面张力、静电力的作用相对增大；原来宏观条件下被忽略的毛细力、空气阻尼力、卡西米尔力和范德瓦尔斯力等，在微结构的相互作用中已不能再被忽略，因此微机系统是一个多场力作用的系统。另外，虽然微机电系统的基本结构都是固体形态的，但从微尺度角度考虑，温度引起的水滴液体形态和固有的空气气体形态等也都是同时存在的。因此，微机电系统又是一个多相共存的系统。总之，一般来说，从力学作用的角度看，微机电系统是一个多场共存并耦合和多相共存并耦合的系统。因此，微机电系统具有特殊的力学环境。
三、集成电路制造工艺也材料概述
3.1掺杂
定义：将特定杂质参入到半导体规定区域。
目的：改变材料电学性质。
基本方法：扩散法；离子注入法。
3.2外延（常常是用相同材料）
定义：在硅衬底上产生单晶层。
目的：产生不同导电类型、电阻率、不同厚度的隔离、防止击穿电压。 基本方法：气相外延。
3.3薄膜层技术（常常用不同的材料）
定义：形成厚度在~nm m 间的薄膜。
目的：实现特定功能
方法：物理沉积，包括：真空蒸镀；溅工艺。
3.4光刻工艺
光刻工艺过程举例：
图3-1
在图3-1中的是相关的典型步骤：
（a ）
清洁处理、涂敷光刻胶、前烘 （b ）
暴光 （c ）
显影 （d ）
坚膜 （e ）
腐蚀 （f ） 去胶
四、硅微机械加工工艺
4.1体硅微机械加工工艺
定义：直接在基底材料表面上腐蚀去除材料，形成三维结构。
图4-1
如图4-1中所示，体硅微机械加工艺一般是在硅、碳化硅、石英等材料上采用各向同性、各向异性或者自停止方法得到相应三维结构。
4.2表面硅微机械加工工艺
定义：通过去除薄膜结构下的支撑层来获得可动的机械单元，而不是在衬底下面加工。
硅二氧化硅多晶硅
图4-2
如图4-2所示典型牺牲层腐蚀工艺的具体步骤：
(1)氧化，做体硅腐蚀掩膜层；
(2)光刻氧化层，开体硅腐蚀窗口；
(3)体硅腐蚀出所需底层结构；
(4)去除SiO2；
(5)生长或淀积牺牲层材料；
(6)光刻牺牲层材料成所需结构；
(7)生长结构材料；
(8)光刻结构材料；
(9)牺牲层腐蚀，释放结构层；
(10)防粘结处理。
五、微系统技术的封装技术
5.1封装的定义与目的：
(1)狭义封装（PKG）
把微裸芯片固定于基板上，用外壳包封在基板上，包封腔内灌注树脂或惰性气体，引出I/O接线端子。起防护目的。
(2)系统封装（SIP）
不同功能裸芯片通过微互联技术，混截于一个封装体内，完成系统功能集成，对外引出I/O端子和机械固连方式。
封装的目的是把功能集成，并使设备小型化，增强包容性、兼容性，减小信号传输路径。
5.2微系统技术加工的新发展趋势及存在的问题
（1）趋势：
◆低温键合（150℃以下）；
◆防粘附（表面粗糙技术、表面钉台技术）；
◆片上封装（在晶圆上）；
◆特高深宽比（与现有工艺兼容）；
◆传统特种加工进军微系统技术；
◆发展封装技术（已相对独立于IC、微系统技术）。
(2)存在的问题
◆层间、焊盘、焊点的界面应力清除问题；
◆热胀系数不匹配、残余应力、变形、本征应力清除问题；
◆微结构工作过程中热变形；
◆结构粘附（由于加工过程中干、湿引起的问题）。
六、微结构静电场及电场力
6.1无限大平板模型
两个导体可组成一个电容。当在导体上施加一电压时，导体上就会产生电荷。导体形成的电容可定义为
q
C
u
在微机电系统中，许多微结构间都是通过构成电容来工作的。结构间的静电力就是电荷之间库仑力的宏观表现。因此可以应用库仑定律计算结构间的静电力。在实际应用中，一般不去计算点电荷之间的库仑力，取而代之的是计算两导体之间的电势能，然后应用虚位移原理，确定微结构间的静电力。
任意两导体之间储存的能量实际上是电容的能量，可表示为
212
W CU = 无限大平板模型是目前微结构中应用最多的，此模型假设a 、b 相对于d 无限大，即忽略电容的边缘效应，根据电容定义，可求得
ab C d
ε= 利用电势能和虚位移原理可求得平行运动静电力为
22122x W C b F U U a a d
ε∂∂===∂∂ 以及垂直运动静电力为
22122y W C b F U U d d d
ε∂∂===-∂∂ 对于微机电系统中的静电微结构，尺度为微米量级甚至更小，而且由于加工条件限制，a 、b 不能过长，而间距d 不能太小，d 相对于a 、b 不能取无限大，一般不能简单直接应用上述公式，而需要考虑边缘效应带来的影响。另外，由于实际的平行板可能并不真正平行，平行结构的连接还存在拐角。平行板厚度也会影响。因此针对实际问题，需在无限大平板电容模型的基础上，考虑各类效应的影响。
6.2考虑边缘效应模型
基于分离变量法得到的级数解
对于这种模型，采用求解极板间电场分布的拉普拉斯方程来确定极板间的电
容，可得如下的电容关系式
()021coth 2421
k k d a b c k πεπ∞=⎡⎤+⎢⎥
⎣⎦=+∑ 式中，coth 为双曲余切函数。其能量为：21
2
W CU =。从而有横向驱动力
()2
2
2
d 1
21sin 2x k b U F a k d h
a
επ∞
==
⎡
⎤+⎢⎥
⎣
⎦
∑
法向驱动力
()2
2
1
21sin 2k y W bU F d k d h
a
a
επ∞
=∂==
∂⎡
⎤
+⎢⎥⎣
⎦
∑
在求解过程中，电场边界不是完全封闭的，且没有考虑极板厚度对电容的影响，因此上式都不是精确解。
6.3基于保角变换计算式
应用保角变换是求解二维平板电容的一种典型方法，相关文献给出了考虑边缘电场的电容计算式，由于在求解过程中作了近似处理，因此该解析式也是近似解。
0221ln 1ln 1ab b a a C d d d εεπππ⎧⎫
⎡⎤⎛⎫=+++++⎨⎬
⎪⎢⎥⎝⎭⎣
⎦⎩⎭ 所以，2
1
2W CU =。横向驱动力为
()22
22212212ln 12x b b d a d F U U d a d a d εεπππ⎛
⎫
+ ⎪+⎝⎭
=++++∕∕∕
在实际应用中，a
d 为10~50，所以上式可以化简为
2
12x b b d F U d d a d εεπ⎡⎤⎛⎫=
+ ⎪⎢⎥+⎝⎭⎣⎦
法向驱动力为
()22
2212112ln 12y d W abU a d F d d a d a d επππ⎡⎤
+⎢⎥∂+==+⎢⎥∂+++⎢⎥
⎢⎥⎣⎦
∕∕∕ 对上式静电力进一步简化为
22
1y abU d F d a d επ⎛
⎫
=
+ ⎪+⎝⎭
6.4考虑极板厚度是的边缘效应
平行板电容的模型是假设电荷都附在表面上，并未考虑板厚的影响。这对无限大平行平板是可行的，但对于有限宽度a 的平行板，电荷在板厚的边缘也有分布，因此当厚度较大时，也需要考虑板厚对电容的影响。
由于边缘效应，微机械加工结构的电容比用无限大平板公式计算偏大。要获得精确的微机械加工电容值只能通过泊松方程。
对于一个厚极板电容，电容极板的宽度为a ，极板间距d ，长度为b ，上极板厚度为h ，则电容的近似解析式为
0C C β=
式中，β是一个修正常数，
221ln ln 122d
a d h a d a d πβππ⎛⎛⎫
=++
++ ⎪ ⎝⎭⎝ 0ab
C d
ε= 0C 是不考虑边缘效应时的电容。此时横向驱动力为
2
122x b b F U d a εεπ⎛⎫=+ ⎪⎝⎭
法向驱动力为
22
22322222212244y h h h h d d d d
d c ab b b F U U U d d d h εεεππ⎛⎫⎛⎫+++ ⎪ ⎪∂==++∂
上式，经简化整理可得
2
2122y ab
d F U d a επ⎛=
++ ⎝ 括号中第三项在0h =是有极小值，当0h > 时，第三项随着h 的增大而单调递增。当h →∞时，第三项d 2h a
π→
，即第二项与第三项相等，显然只有当2d a π
时，边缘电容的影响才可以忽略不计。
七、 毛细力
毛细管插入液体中时，液体沿管径上升或下降一定的高度，这就是毛细现象。能够产生
明显毛细现象的管叫做毛细管。
液体之所以能在毛细管内上升或下降是因为液体表面类似张紧的橡皮膜，如果液面是弯曲的，它就有变平的趋势。因此凹液面对下面的液体施以拉力，凸液面对下面的液体施以压力。浸润体在毛细管中的液面是凹形的，它对下面的液体施加拉，使液体沿着管壁上升，当向上的拉力跟管内液柱所受的重力相等时，管内的液体停止上升，达到平衡。同样的分析也可以解释不浸润液体在毛细管内下降的现象。
7.1毛细力在平行板间的作用
在微表面加工艺中，当牺牲层被刻蚀完成以后，器件要用去离子水清洗刻蚀剂及刻蚀物，从去离子水中取出时，在两个平行平面间形成一个“液体桥”界面。
即使加工中不存在“液桥”，由于湿度的作用在微结构的间隙间也容易形成“液桥”。液桥的形成也是毛细作用的结果，而引起毛细现象的原因说到底都是来源于分子间相互作用的表面张力。表面张力σ是界面上每单位面积的自由能，即形成单位表面所需的功。
如图7.1所示，在平行板之间形成一液桥。根据拉普拉斯公式，液桥会产生单位面积的拉普拉斯压力，大小为
11211P P r r νσ⎛⎫
-=+
⎪⎝⎭
图7.1
式中，σ为液面的表面张力，1r ，2r
为表示液体表面的两个曲率半径，θ 为接触角。
然而，在微机械结构中，横向尺寸常常比纵向尺寸大得多，因此12
r r ，同
时若设两板间距离为l ，则上式的表达式可以简化为
11
2cos P P r l νσ
σθ
-=
=
式中，θ为液体在固体表面上的接触角；l 是两平行板的距离，12cos l r θ= 。 当液桥的上下平板不是同一种材料时，其对应的接触角也可能不一样，此时的拉普拉斯方程可写为
()
121cos cos P P l
νσθθ+-=
该式的液桥拉普拉斯压力表明，在气压界面处，气压大于液桥液体的压力，形成向内的合压力。设该向内的合压力为
l P α
，则有
l v l
P P P α=- 。
接触角一般和液体的润湿性及固体表面的粗糙度有关。液体水和固体玻璃形成的接触角一般只有十几度。而对不润湿液体，其接触角可以是钝角。
在表面微型机械结构的制造过程中，较强的毛细相互作用常使得组成这些结构的微桥、微梁与基底粘附而导致失效。而在微尺度试验中，微桥与微梁又是微尺度材料常数和性能检测时常用的试件样式，如果实验中加载端与被检测的微尺度试件发生毛细粘附，将直接影响检测数据的准确性。对于梳齿结构的谐振器等器件来说，若相对温度大而形成液滴，则这种液滴就会在齿间产生液桥，进面坚齿间的相对运动产生阻力或粘附力。
对于微机电系统结构来说，如果封装不好，在65％相对湿度下水就开始毛细凝聚。毛细力的作用下，如果结构的恢复力不强的话，微结构中的梁就会和底座间发生粘连。此外，当有水气凝聚时，除长程的毛细引力外，微结构中还有由氢键、化学键及金属键引起的短程作用，致使微结构发生粘连。为避免由于加工过程产生的水气导致毛细力的作用进而引起微机电结构失效，了解毛细力的产生过程并加以适当的干燥方法是必要的。
全面的微系统技术
一、微系统技术 在微系统技术微系统技术的发展历史上，集成电路（IC）是技术的起点。电子器件小型化和多功能信成是微加工技术的推动力。如果没有微加工和小型化技术的迅猛发展，许多今天看来理所当然的科学和工程成就都不可能实现。 微系统技术是由集成电路技术发展而来的，经过了大约20年的萌芽阶段，即由20世纪60年代中期到20世纪80年代。在这段萌芽时期，主要是开展一些微系统技术的零散研究。例如，开发了硅各向异性腐蚀技术用于在平面硅衬底上加工三维结构；一些研究机构和工业实验室里的研究者开始利用集成电路的加工技术制造微系统技术器件，例如悬臂梁、薄膜和喷嘴；微传感器的关键部件，如单晶硅和多晶硅中的压阻被发现、研究和优化。 在微系统技术的研发时期，涌现出了一些具有重要意义的研究成果。1967年，Westinghouse公司发明了一种谐振栅晶体管（RGT）。它与传统的晶体管不同，RGT的电栅极不是固定在栅氧化层上，而是相对硅衬底可动。由静电力控制栅电极和衬底之间的间距。RGT是静电微执行器的最早实例。 佳能公司最早开发了基于热气泡技术的喷墨打印技术，而惠普公司在1978年首先发明了基于硅微机械加工技术的喷墨打印机喷嘴。喷嘴阵列喷射出热气泡膨胀所需液体体积大小的墨滴，如图1-1所示。气泡破裂又将墨汁吸入到存放墨汁的空腔中，为下一次喷墨做准备。通过滴入红、蓝、黄三种基本色实现彩色打印。
图1-1 在20世纪80年代后期，在微机械技术这个新领域的研究者主要是研究硅的应用——单晶硅衬底或者多晶硅薄膜。多晶硅薄膜技术的应用产生了一些表面微机械加工的机械结构，如弹簧、传动机械和曲柄等。 20世纪90年代，全世界的微系统技术研究进入一个突飞猛进、日新月异的发展阶段。非常成功的例子有美国Analog Devices（模拟器件）公司生产的用于汽车安全气囊系统的集成惯性传感器，以及美国Texas Instruments（德州仪器）公司用于投影显示的数字光处理芯片。 相对于宏观的机电传感器，微系统技术技术带来了两个重要的优点，即高灵敏度和低噪声。同时，由于微系统技术技术采用批量生产，而不是采用手工组装的方式，有效地降低了传感器的使用成本。 20世纪90年代后期，光微系统技术发展迅速。世界各地的研究人员竞相开发微光机电系统和器件，希望能将二元光学透镜、衍射光栅、可调光微镜、干涉滤波器，相位调制器等部件应用到光学显示、自适应光学系统、可调滤波器、气体光谱分析仪和路由器等应用领域。 生物微系统技术包括生物学研究、医疗诊断和临床介入等方面的微系统技术
微系统与纳米技术
微系统与纳米技术 微系统与纳米技术是当今世界最前沿的科学和技术领域之一，它们不仅在科学研究领 域发展迅猛，也在工业、医疗、能源等领域展现出巨大的应用潜力。微系统是一种由微米 级或纳米级尺度的器件、结构和系统组成的集成系统，而纳米技术是研究和应用与纳米尺 度相关的科学和工程技术。本文将从微系统与纳米技术的基本概念、发展历程、应用领域 和未来展望等方面进行阐述。 一、微系统与纳米技术的基本概念 微系统技术是指在微米尺度制造、组装和集成各种功能器件和系统的技术，它涉及微 机械系统、微流控系统、微电子系统等多种领域。微系统的核心是微机电系统（MEMS）， 它是融合微机械工程、电子学和计算机技术的交叉学科，以微米级和纳米级器件和机械结 构为基础，构成了微型机械系统、微传感器、微执行器等微系统。 纳米技术是一种将原子、分子和纳米尺度结构进行精确控制和创造新材料、新器件和 新系统的技术，它是一种高度多学科交叉融合的领域，涉及物理学、化学、生物学、材料 科学等众多学科。纳米技术的基本目标是控制和操纵物质的分子和原子水平，实现对物质 特性的精确设计和调控，从而创造出具有特定功能和性能的纳米材料和纳米器件。 二、微系统与纳米技术的发展历程 微系统技术起源于20世纪60年代初期的集成电路技术，随着半导体工艺的不断发展，微系统技术逐渐发展成为独立的研究领域。1965年，Intel公司的联合创始人戈登·摩尔 提出了著名的摩尔定律，预言了半导体集成电路性能的指数增长，并引领了微系统技术的 飞速发展。1987年，美国加州大学伯克利分校提出了MEMS概念，开创了微机械系统的研 究与应用。至今，微系统技术取得了巨大的进展，在汽车、医疗、通信等领域得到了广泛 应用。 而纳米技术的发展始于20世纪80年代，当时物理学家理查德·费曼第一次提出了利 用纳米尺度的技术实现物质操纵的概念，开启了纳米技术的先河。1991年，IBM的科学家 首次成功地对一个单原子进行了操作和操控，标志着纳米技术的开端。随着扫描隧道显微镜、原子力显微镜等新型仪器的应用，纳米技术得到了迅速的发展，开拓了一系列新的研 究领域和应用领域。 三、微系统与纳米技术的应用领域 微系统与纳米技术在各种领域都有着广泛的应用前景。 1. 医疗保健领域：微系统技术可以用于医疗诊断、药物递送、健康监测等方面。微 型传感器、生物芯片、微型医疗器械等设备可以实现对人体生理参数的实时监测和数据采
mems制造工艺及技术
MEMS制造工艺及技术的深度解析 一、引言 微机电系统（Micro-Electro-Mechanical Systems，简称MEMS）是一种将微型机械结构与电子元件集成在同一芯片上的技术。由于其体积小、功耗低、性能高等特点，MEMS技术已被广泛应用于各种领域，如汽车、医疗、消费电子、通信等。本文将详细介绍MEMS的制造工艺及技术，以帮助读者更深入地了解这一领域。 二、MEMS制造工艺 1. 硅片准备 MEMS制造通常开始于一片硅片。根据所需的设备特性，可以选择不同晶向、电阻率和厚度的硅片。硅片的质量对最终设备的性能有着至关重要的影响。 2. 沉积 沉积是制造MEMS设备的一个关键步骤。它涉及到在硅片上添加各种材料，如多晶硅、氮化硅、氧化铝等。这些材料可以用于形成机械结构、电路元件或牺牲层。沉积方法有多种，包括化学气相沉积（CVD）、物理气相沉积（PVD）和电镀等。 3. 光刻 光刻是一种利用光敏材料和模板来转移图案到硅片上的技术。通过光刻，我们可以在硅片上形成复杂的机械结构和电路图案。光刻的精度和分辨率对最终设备的性能有着重要影响。 4. 刻蚀 刻蚀是一种通过化学或物理方法来去除硅片上未被光刻胶保护的部分的技术。它可以用来形成机械结构、电路元件或通孔。刻蚀方法有湿法刻蚀和干法刻蚀两种。湿法刻蚀使用化学溶液来去除材料，而干法刻蚀则使用等离子体或反应离子刻蚀（RIE）来去除材料。 5. 键合与封装 键合是将两个或多个硅片通过化学键连接在一起的过程。它可以用于制造多层MEMS设备或将MEMS设备与电路芯片集成在一起。封装是将MEMS设备封装在一个保护壳内以防止环境对其造成损害的过程。封装材料可以是陶瓷、塑料或金属。 三、MEMS制造技术挑战与发展趋势
微系统工艺技术
微系统工艺技术 微系统工艺技术（Microsystem technology）是一种综合应用物理学、材料学、计算机技术、电子技术、光学技术、机械工艺等多学科知识的前沿技术，主要用于设计、制造和应用微小尺寸的部件、器件和系统。它的核心思想是将传感器、执行器、微处理器和通信模块等功能集成在一起，形成一种体积小、功耗低、功能强大的微型系统。 微系统工艺技术最早应用于军事和航天领域，随着科学技术的进步和工业发展的需求，越来越多的行业开始采用微系统工艺技术。目前，微系统技术在通信、医疗、交通、环保、能源等领域都有广泛应用。 微系统工艺技术的最大特点是多学科融合，不仅需要对物理学、材料学、机械工艺等基础科学有深入的理解，还需要能够进行系统设计和工艺加工的能力。首先，微系统工艺技术需要充分理解材料的性能和特性，在设计和制造过程中选择合适的材料。其次，微系统工艺技术需要掌握精确的加工工艺，以保证微尺度的部件和器件的制造精度。最后，微系统工艺技术还需要合理的封装和组装技术，以确保微系统的可靠性和稳定性。 微系统工艺技术的应用非常广泛。在通信领域，微系统工艺技术可以用于制造小型的天线、滤波器和射频开关等部件，提高通信设备的性能和功能。在医疗领域，微系统工艺技术可以用于制造微型的生物传感器和医疗设备，实现无创医疗和远程监护。在交通领域，微系统工艺技术可以用于制造车载传感器和控制系统，提高交通运输的安全性和效率。在环保领域，微系
统工艺技术可以用于制造微型的传感器和控制系统，实现对环境的监测和控制。在能源领域，微系统工艺技术可以用于制造微型的发电设备和储能装置，提高能源利用效率。 微系统工艺技术的发展前景非常广阔。随着科学技术的进步和工业需求的增加，微系统工艺技术将继续发展。未来，我们可以预见微系统工艺技术将在更多的领域得到应用，其应用范围将进一步扩大，并带来更多的创新和发展机会。 总之，微系统工艺技术是一种综合应用物理学、材料学、计算机技术、电子技术、光学技术、机械工艺等多学科知识的前沿技术，能够制造小型、功能强大的微型系统。它在通信、医疗、交通、环保、能源等领域都有广泛应用，并具有广阔的发展前景。通过不断深入研究和创新，我们相信微系统工艺技术将为人类的生活和工业发展带来更多的惊喜和便利。
微机电系统(MEMS)技术介绍
微机电系统（MEMS）技术介绍 微机电系统（MEMS），在欧洲也被称为微系统技术，或在日本被称为微机械，是一类器件，其特点是尺寸很小，制造方式特殊。MEMS是指采用微机械加工技术批量制作的、集微型传感器、微型机构、微型执行器以及信号处理和控制电路、接口、通讯等于一体的微型器件或微型系统。MEMS 器件的特征长度从1毫米到1微米--1微米可是要比人们头发的直径小很多。MEMS往往会采用常见的机械零件和工具所对应微观模拟元件，例如它们可能包含通道、孔、悬臂、膜、腔以及其它结构。然而，MEMS器件加工技术并非机械式。相反，它们采用类似于集成电路批处理式的微制造技术。 今天很多产品都利用了MEMS技术，如微换热器、喷墨打印头、高清投影仪的微镜阵列、压力传感器以及红外探测器等。MEMS技术可以用于制造压力传感器、惯性传感器、磁力传感器、温度传感器等微型传感器，这些传感器以及它们的部分信号处理电路都可以在只有几毫米或更小的芯片上实现。与传统的传感器相比，MEMS传感器不仅体积更小、功耗更低，而且它们往往会比传统传感器更加准确、更加灵敏。随着人们对海洋观测的需求不断增加和海洋观测技术的不断发展，MEMS技术也在逐渐进入海洋观测技术研究领域。
一、MEMS概念 “他们告诉我一种小手指指甲大小的电动机。他们告诉我，目前市场上有一种装置，通过它你可以在大头针头上写祷文。但这也没什么；这是最原始的，只是我打算讨论方向上的暂停的一小步。在其下是一个惊人的小世界。公元2000年，当他们回顾当前阶段时，他们会想知道为何直到1960年，才有人开始认真地朝这个方向努力。”——理查德·费曼，《底部仍然存在充足的空间》发表于1959年12月29日于加州理工大学（Caltech）举办的美国物理学会年会。但我们可能会问：为什么要在这样一个微小尺上生成这些对象？ MEMS器件可以完成许多宏观器件同样的任务，同时还有很多独特的优势。这其中第一个以及最明显的一个优势就是小型化。如前所述，MEMS规模的器件，小到可以使用与目前集成电路类似的批量生产工艺制造。如同集成电路产业一样，批量制造能显著降低大规模生产的成本。在一般情况下，微机电系统也需要非常量小的材料以进行生产，可进一步降低成本。 除了价格更便宜，MEMS器件也比它们更大等价物的应用范围更广。在智能手机、相机、气囊控制单元或类似的小型设备中，竭尽所能也设计不出金属球和弹簧加速度计；但通过减小了几个数量级，MEMS器件可以用在容不下传统传感器的应用中。
《微机械电子系统》
微机械电子系统 微机械电子系统（MEMS）（也写为微机电，微机电或微电子和微机电系统）是由电力驱动的非常小的机械装置技术。它在纳米尺度融合了纳机电系统（NEMS）和纳米技术。微机电系统也被称为微型机械（在日本），或微系统技术MST（在欧洲）。朗读显示对应的拉丁字符的拼音朗读显示对应的拉丁字符的拼音MEMS是独立的，与分子纳米技术或分子电子学不同。MEMS由1至100微米（即0.001至0.1毫米）之间大小的部件组成，通常MEMS设备的尺寸范围是20微米（0.000002米）至1毫米。它们通常由处理数据的中央单元，微处理器和其它若干个用来连接外设的部件，例如微传感器，组成。在这种大小尺度，经典物理学的标准结构并不总是有用的。由于MEMS的表面积与体积比，表面效应如静电，如惯性或热质量的润湿主宰体积效应，都较大。 非常小的设备的潜能在技术存在之前就已得到赞赏，这可以让人们看到，例如，理查德费曼1959年著名的演讲，有底部的空间。一旦能使用通常用来制造电子产品的改性半导体设备制造技术制造，MEMS将变为现实。这些制造技术包括成型和电镀，湿法刻蚀（KOH, TMAH）和干蚀刻（RIE and DRIE），电火花加工（EDM）以及其它小型设备的制造技术。MEMS设备的一个早期的例子是resonistor，一种机电单片谐振器。 1.MEMS描述 根据目标设备和市场部门，MEMS技术可以采用不同材料和制造技术。 2.MEMS制造材料 2.1硅 在现代世界上，硅是创建消费电子产品的最集成电路的材料。规模经济，随时可得的廉价优质的材料和电子功能整合能力，使硅在MEMS应用中有广泛的吸引力。硅还通过其材料性能产生显著的优势。在单晶形式，硅是一种近乎完美的胡克材料，这意味着当它弯曲时，几乎没有迟滞，因此几乎没有能量损耗。以及高重复制造，这也使得硅非常可靠的。它很少疲劳，可以在十亿至万亿范围内不中断服务的服务周期。生产所有基于硅的MEMS设备的基础的技术是材料层的沉积，图案光刻到这些层上，然后刻蚀制造所需形状。
微电子技术发展现状与趋势
微电子技术发展现状与趋势.txt14热情是一种巨大的力量，从心灵内部迸发而出，激励我们发挥出无穷的智慧和活力；热情是一根强大的支柱，无论面临怎样的困境，总能催生我们乐观的斗志和顽强的毅力……没有热情，生命的天空就没的色彩。本文由jschen63贡献 ppt文档可能在WAP端浏览体验不佳。建议您优先选择TXT，或下载源文件到本机查看。 微电子技术的发展 主要内容 微电子技术概述；微电子发展历史及特点；微电子前沿技术；微电子技术在军事中的应用。 2010-11-26 北京理工大学微电子所 2 2010-11-26 北京理工大学微电子所 3 工艺流程图 厚膜、深刻蚀、次数少多次重复 去除 刻刻蚀 牺牲层，释放结构 多 工艺 工工艺 2010-11-26 工 5 微电子技术概述 微电子技术是随着集成电路，尤其是超大规模集成电路而发展起来的一门新的技术。微电子技术包括系统电路设计、器件物理、工艺技术、材料制备、自动测试以及封装、组装等一系列专门的技术，微电子技术是微电子学中的各项工艺技术的总和；微电子学是一门发展极为迅速的学科，高集成度、低功耗、高性能、高可靠性是微电子学发展的方向；衡量微电子技术进步的标志要在三个方面：一是缩小芯片中器件结构的尺寸，即缩小加工线条的宽度；二是增加芯片中所包含的元器件的数量，即扩大集成规模；三是开拓有针对性的设计应用。 2010-11-26 北京理工大学微电子所 6 微电子技术的发展历史 1947年晶体管的发明；到1958年前后已研究成功以这种组件为基础的混合组件； 1962年生产出晶体管——晶体管逻辑电路和发射极耦合逻辑电路；由于MOS电路在高度集成和功耗方面的优点，70 年代，微电子技术进入了MOS电路时代；随着集成密度日益提高，集成电路正向集成系统发展，电路的设计也日益复杂、费时和昂贵。实际上如果没有计算机的辅助，较复杂的大规模集成电路的设计是不可能的。 2010-11-26 北京理工大学微电子所 7 微电子技术的发展特点 超高速：从1958年TI研制出第一个集成电路触发器算起，到2003年Intel推出的奔腾4处理器（包含5500 万个晶体管）和512Mb DRAM（包含超过5亿个晶体管），集成电路
微系统技术的概念、应用及发展论文
微系统技术的概念、应用及发展论文 微系统技术简称MST，它的基本工艺技术是硅的腐蚀和键合。MST的前景是壮观的，其工艺是从集成电路加工派生出的批量加工技术。预期，MST将会同集成电路一样，通过新的而且便宜的产品来改变人们的生活。以下是店铺今天为大家精心准备的：微系统技术的概念、应用及发展相关论文。内容仅供阅读与参考! 微系统技术的概念、应用及发展全文如下： 1. 背景 最近几年里，在微机系统技术方面具有广泛的研究，普遍认为在未来的十年间微型单元的微机系统和增加对微型设备的应用有很好的发展趋势。分析家预测在未来的几年间微系统技术在设备制造方面将产生深远的影响。 微系统技术还被作为微型机械电子系统技术。微型机械电子系统是用小型机械和电子结构结合在一个系统上来命名的。微机系统技术是80年代出现的，在过去的十年里得到了很好的发展，并且被认为将成为21世纪最终要的技术之一。微型化的优点有很多，微电子的成功就很好地证明了这一点。 微型设备的小尺寸使得器械越来越小、越来越紧凑，并且便于携带，同时也能手动操作。当各种功能结合在一起时，设备的功能也增加了，比如：感应器、扬声器和控制器被集成在同一微型设备上。由于它们有个高频共振频率，微型机械传感器有个动态范围和快速响应时间。在微小热交换方面能够更加快速、有效地发生，就像一个微型测量设备。 微型机械电子系统现在正处于产品即将进入市场竞争的发展阶段。微型机械电子系统在全球市场的销售额到2002年将达到3.8亿，到2005年将达到5亿。微系统技术的应用领域覆盖了一个很广的范围，从电子学到光学，从化学到生物技术和医疗工程。 而且，微型机械电子系统是个类似于集成电路批量制作的技术。
微机电系统
【论文题目】微机电系统 【摘要】微机电系统是指可批量制作的，集微型机构、微型传感器、微型执行器以及信号处理和控制电路、直至接口、通信和电源等于一体的微型器件或系统。 【关键词】微机电系统、 MEMS、微机电系统的应用 一、微机电系统的概念 （micro-electromechanicalsystem—MEMS）微机电系统基本上是指尺寸在几厘米以下乃至更小的小型装置，是一个独立的智能系统，主要由传感顺、作动器（执行器）和微能源三大部分组成。微机电系统涉及物理学、化学、光学、医学、电子工程、材料工程、机械工程、信息工程及生物工程等多种学科和工程技术，目前在系统生物技术的合成生物学与微流控技术等领域开拓了广阔的用途。微机电系统的制造工艺主要有集成电路工艺、微米/纳米制造工艺、小机械工艺和其他特种加工工种。微机电系统在国民经济和军事系统方面将有着广泛的应用前景。主要民用领域是医学、电子和航空航天系统。美国已研制成功用于汽车防撞和节油的微机电系统加速度表和传感器，可提高汽车的安全性，节油10％。仅此一项美国国防部系统每年就可节约几十亿美元的汽油费。微机电系统在航空航天系统的应用可大大节省费用，提高系统的灵活性，并将导致航空航天系统的变革。例如，一种微型惯性测量装置的样机，尺度为2厘米×2厘米×0.5厘米，重5克。在军事应用方面，美国国防部高级研究计划局正在进行把微机电系统应用于个人导航用的小型惯性测量装置、大容量数据存储器件、小型分析仪器、医用传感器、光纤网络开关、环境与安全监测用的分布式无人值守传感等方面的研究。该局已演示以微机电系统为基础制造的加速度表，它能承受火炮发射时产生的近10.5个重力加速度的冲击力，可以为非制导弹药提供一种经济的制导系统。设想中的微机电系统的军事应用还有：化学战剂报警器、敌我识别装置、灵巧蒙皮、分布式战场传感器网络等。 全称Micro Electromechanical System 微机电系统 MEMS(Micro Electromechanical System，即微电子机械系统)是指集微型传感器、执行器以及信号处理和控制电路、接口电路、通信和电源于一体的微型机电系统。概括起来，MEMS具有以下几个基本特点，微型化、智能化、多功能、高集成度和适于大批量生产。MEMS技术的目标是通过系统的微型化、集成化来探索具有新原理、新功能的元件和系统。 MEMS技术是一种典型的多学科交叉的前沿性研究领域，几乎涉及到自然及工程科学的所有领域，如电子技术、机械技术、物理学、化学、生物医学、材料科学、能源科学等。其研究内容一般可以归纳为以下三个基本方面： 1．理论基础：在当前MEMS所能达到的尺度下，宏观世界基本的物理规律仍然起作用，但由于尺寸缩小带来的影响（Scaling Effects），许多物理现象与宏观世界有很大区别，因此许多原来的理论基础都会发生变化，如力的尺寸效应、微结构的表面效应、微观摩擦机理等，因此有必要对微动力学、微流体力学、微热力学、微摩擦学、微光学和微结构学进行深入的研究。这一方面的研究虽然受到重视，但难度较大，往往需要多学科的学者进行基础研究。
微电子机械系统简介
微电子机械系统 陈迪 微电子机械系统（Micro Electro Mechanical System）简称MEMS，是集微型机构、微型传感器、微型执行器以及信号处理控制电路、接口、电源等于一体的机械装置。它将自然界各种物理量，如声、光、压力、加速度、温度以及生物、化学物质的浓度信息转化为电信号，并将电信号送入微处理器得到指令，指令被随即发送到微执行器上，对自然界的变化做出相应反应。MEMS的特点是体积小、重量轻、能耗低、可靠性高和可批量制造。 微电子机械系统技术 微电子机械系统技术在欧洲也称为微系统技术（Microsystem Technology，MST），是近年来飞速发展的一门高新技术，它综合集成了微电子工艺和其他微加工工艺，加工制造各种微型传感器和微型执行器，并将其综合集成。微电子机械系统技术包含了材料、设计与模拟、加工制造、封装、测试五个方面。 MEMS的材料包括导体、半导体和绝缘材料几类。根据不同的使用环境，MEMS材料要求耐高温、耐低温、耐腐蚀和耐辐射。在微传感器和微执行器的制造中，MEMS需要使用具有各种功能的材料，如压电材料、压阻材料、磁性材料和形状记忆合金等。 MEMS设计与模拟技术包括了专用集成电路（application specific integrated circuit，ASIC）设计、机械微结构设计、加工工艺流程设计、掩模板设计，以及微传感器和微执行器结构参数优化与性能模拟等。 MEMS加工技术主要分为硅微加工技术和非硅微加工技术两类。MEMS硅微加工技术应用了微电子常规工艺，包括氧化、薄膜制备、光刻、刻蚀、电镀、离子注入等。MEMS技术与微电子技术的区别是，前者可以制造悬空或可活动的微结构，以及具有高深宽比的三维立体微结构，它主要采用硅表面工艺和体硅工艺技术（包括牺牲层工艺，湿法、干法各向同性和各向异性刻蚀工艺以及键合工艺等）来实现。 非硅MEMS微加工技术包括LIGA、激光、电火花等微加工技术。LIGA技术是Lithographie、Galvanoformung和Abformung三个德语单词的缩写，该技术包含了同步辐射X射线光刻、微电铸和微复制三个工艺步骤，能制备高深宽比聚合物和金属微结构，并能采用微复制工艺进行批量生产。由于同步辐射光源和X光掩模板成本较高，所以近年来不采用同步辐射光源的准LIGA技术发展迅速，如采用SU8紫外厚光刻胶的UV-LIGA技术，采用激光微加工的Laser-LIGA技术和采用硅深刻蚀工艺的DEM技术等。由日本开发的精密机械微加工技术由于不能批量生产而最终未能产业化。
微电子工艺新技术
微电子工艺新技术发展 陈绮文 单位：电科112，信息与电子工程学院，山东工商学院，264005 摘要：21世纪微电子技术发展需要新技术，才能真正快速发展。集成技术要求硅晶圆片的尺寸越来越大，光刻加工线条（特征尺寸）越来越细。系统集成芯片（SOC），SOC进一步发展，可以将各种敏感器和执行器与信息处理系统集成在一起，从而完成从信息获取、处理、存储、传输到执行的系统功能，这是一个更广义上的系统集成芯片。微机电系统技术（MEMS）把信息获取、处理和执行一体化地集成在一起，使其成为真正的系统。纳米技术的发展以及成熟将是系统集成芯片技术的核心之一，碳纳米材料代替硅纳米材料，具有更好的集成性，推动微电子技术继续向前发展。 关键词：集成技术SOC技术MEMS技术纳米电子技术 21世纪微电子技术建立在以Si基材料为基础、CMOS器件为主流的半导体集成电路技术。随着IC设计与工艺水平的不断提高，系统集成芯片将成为发展的重点，MEMS技术是微电子技术新的增长点。同时，纳米电子技术是微电子领域的新亮点。 1.微电子集成技术 现今的主流工艺，硅基CMOS电路。硅基技术的越来成熟，硅基CMOS芯片应用的逐渐扩大，硅平面的加工工艺技术作为高新技术基础的高新加工技术也将继续下去。硅半导体集成电路的发展，一方面是硅晶圆片的尺寸越来越大，另一方面是光刻加工线条（特征尺寸）越来越细。1（从硅片尺寸来看，从最初的2英寸，经过3、4、6英寸发展到当今主流的8英寸。近几年来又出现12英寸的硅晶片，直径达300mm，它的面积为8英寸片（200mm）的2.25倍。尺寸变大，可以降低生产成本，增加产能，提高成品率。）而在光刻加工线条（特征尺寸）方面，在0.25um技术之后，已有0.18um、0.15um以至0.13um技术连续开发出来并投入使用。现今主流产品的特征尺寸已缩小到0.18~0.13um。据国际权威机构预测，到2014年，微电子芯片加工技术将达到400mm硅片、50nm特征
微系统三维（3D）封装技术
微系统三维（3D）封装技术 杨建生 【摘要】文章论述塑料三维（3D）结构微系统封装技术相关问题，描述了把微电机硅膜泵与3D塑料密封垂直多芯片模块封装（MCM-V）相结合的微系统集成化。采用有限元技术分析封装结构中的封装应力，根据有限元设计研究结果，改变芯片载体结构，降低其发生裂纹的危险。计划采用板上芯片和塑料无引线芯片载体的替代低应力和低成本的3D封装技术方案。%Issues associated with the packaging of microsystems in plastic and three-dimensional （3D） body styles are discussed. The integration of a microsystem incorporating a micromachined silicon membrane pump into a 3D plastic encapsulated vertical multichip module package （MCM-V） is described. Finite element techniques are used to analyze the encapsulation stress in the structure of the package. Cracks develop in the chip carrier due to thermornechanical stress. Based on the results of a finite element design study, the structures of the chip carriers are modified to reduce their risk of cracking. Alternative low stress 3D packaging methodologies based on chip on board and plastic leadless chip carriers are discussed. 【期刊名称】《电子与封装》 【年(卷),期】2011(011)010 【总页数】6页(P1-6) 【关键词】有限元;微系统;封装技术;塑料无引线芯片载体;热机械应力;三维
论微电机系统MEMS以及它的发展趋势
论微电机系统MEMS以及它的发展趋势 摘要:微光机电一体化系统简称微系统, 是当今技术发展的前沿领域之一。微系统技术的发展将大大地促进许多产品或装置微型化、集成化和智能化, 成倍地提高器件和系统的功能密度、信息密度与互连密度, 大幅度地节能降耗, 有广阔的应用领域和市场，这里主要介绍了微机电系统概念、研究的主要领域和目前的应用领域，重点介绍了MEMS加工技术及其分类，最后给出了该技术的展望。 关键词：微系统；研究领域；MEMS；现状及展望 kk 1. MEMS的概念 1.1 MEMS的概述 MEMS是微机电系统（Micro-Electro-Mechanical Systems）的英文缩写。MEMS是美国的叫法，在日本被称为微机械，在欧洲被称为微系统，它是指可批量制作的，集微型机构、微型传感器、微型执行器以及信号处理和控制电路、直至接口、通信和电源等于一体的微型器件或系统。MEMS是随着半导体集成电路微细加工技术和超精密机械加工技术的发展而发展起来的，目前MEMS加工技术还被广泛应用于微流控芯片与合成生物学等领域，从而进行生物化学等实验室技术流程的芯片集成化。 MEMS主要包括微型机构、微型传感器、微型执行器和相应的处理电路等几部分，它是在融合多种微细加工技术，并应用现代信息技术的最新成果的基础上发展起来的高科技前沿学科。完整的MEMS是由微传感器、微执行器、信号处理和控制电路、通讯接口和电源等部件组成的一体化的微型器件系统。其目标是把信息的获取、处理和执行集成在一起，组成具有多功能的微型系统，集成于大尺寸系统中，从而大幅度地提高系统的自动化、智能化和可靠性水平。
1 . 2 MEMS 的显著的特征 1)微小与精密。 微机械器件在线度与体积上都很细小, 其尺寸一般在毫米到微米范围内。 微机械进行的操作也是极其微细的。 2)机电合一的系统。 由于它的体积微小且操作精密, 即便是最简单的器件也必须由电信号进行 控制, 微机械的输出信息也必须由电子系统进行检测和处理。这些电子控制、 检测与处理一般与机械系统集成在一起形成复合系统。 3)有许多自己特殊的现象与规律, 并非是宏观机械按比例缩小的产物。 以微马达为例, 它的结构、原理与运动规律和一般宏观马达不一样, 宏观 马达利用电磁力运转, 而微马达利用静电力或压电作用推动, 它们与宏观马达 在结构上也千差万别, 绝非是由宏观马达按比例缩小而成。 4)与宏观机械相比, 微机械具有较低的能耗与较高的效率。 MEMS 器件可以像IC 一样用微电子工艺技术进行大规模生产, 由此可大大 降低成本, 提高器件的一致性和可靠性 4 2 MEMS的现状及发展前景 1现状 微机电系统是精细加工的一种，它是建立在微米/ 纳米技术 （micro/nanotechnology）基础上的21 世纪前沿技术，MEMS 本质上是一种把 微型机的械元件（如传感器、制动器等）与电子电路集成在同一颗芯片上的半 导体技术。一般芯片只是利用了硅半导体的电气特性，而MEMS 则结合了芯片的电气和机械可动结构两种特性，在微小尺度上实现了与外界电、热、光、声、 磁信号的相互作用。MEMS 是多学科交叉的前沿研究领域，它涉及微电子技术、机械技术、材料科学与技术、自动控制技术、生物技术、物理与化学等学科与 技术。总体来讲，MEMS 大致经历了三轮商业化浪潮。第一轮商业化浪潮始于20 世纪70 年代末，通过大型蚀刻硅片结构和背蚀刻膜片制作压力传感器，借助压电效应将压力转换成电信号。第二轮商业化浪潮出现在20 世纪90 年代，此时，
MENS
MEMS MEMS是由微加工技术制备，特征结构在微米尺度（1um~0.1mm范围）的，集成有微传感器、微致动器、微电子信号处理与控制电路等部件的微型系统。其中微传感器获取外部信息，微电子信号处理与控制电路处理信息并作出决策，微致动器执行决策。 ?MEMS的特点 o MEMS系统器和器件的尺寸十分微小，通常在微米量级，微小的尺寸不仅使得MEMS能够工作在一些常规机电系统无法介入的微 小空间场合，而且意味着系统具有微小的质量和消耗，微小的尺寸 通常还为MEMS器件带来更高的灵敏度和更好的动态特性。80[%] 以上的MEMS采用硅微工艺进行制作，使其具有大批量生产模式， 制造成本因而得以大大降低。在单一芯片内实现机电集成也是 MEMS独有的特点。单片集成系统能够避免杂合系统中有各种连 接所带来的电路寄生效应，因此可达到更高的性能并更加可靠，单 片集成有利于节约成本。组件装配特别困难，目前许多MEMS都 是设计成不需要装配或者具有自装配功能的系统。MEMS构件的 加工绝对误差小，使用的材料也较为单一，三维加工能力明显不足。 ?MEMS的应用前景 o MEMS技术的发展已经开辟了一个全新的技术领域和产业，基于MEMS技术制作的微传感器、微执行器、微型构件、微机械光学 器件、真空微电子器件、电力电子器件等在航空、航天、汽车、生 物医学、环境监控、军事以及几乎人们所接触到的所有领域中都有 着十分广阔的应用前景。MEMS技术正发展成为一个巨大的产业， 就象近20年来微电子产业和计算机产业给人类带来的巨大变化一 样，MEMS也正在孕育一场深刻的技术变革并对人类社会产生新 一轮的影响。目前MEMS市场的主导产品为压力传感器、加速度 计、微陀螺仪、墨水喷咀和硬盘驱动头等。大多数工业观察家预测， 未来5年MEMS器件的销售额将呈迅速增长之势，年平均增加率 约为18[%]，因此对对机械电子工程、精密机械及仪器、半导体 物理等学科的发展提供了极好的机遇和严峻的挑战。 ?MEMS的发展史 o MEMS所带来的第一轮商业化浪潮在20世纪70年代末80年代初，当时用大型蚀刻硅片结构和背蚀刻膜片制作压力传感器。由于 薄硅片振动膜在压力下变形，会影响其表面的压敏电阻曲线，这种 变化可以把压力转换成电信号。后来的电路则包括电容感应移动质 量加速计，用于触发汽车安全气囊和定位陀螺仪。
[微机电系统技术及其在卫星中的应用]微机电系统技术
[微机电系统技术及其在卫星中的应用]微机电 系统技术 微机电系统（MEMS）技术 MEMS这个新技术术语,近年来不但在传感器技术、测控技术和微电子技术领域频繁出现,也在航天技术领域中不断出现。它是"Micro Electro Mechanical Systems"的缩写,有的译成"微机电系统",也有译成"微电子机械系统"的。微电子机械系统是微电子技术的拓宽和延伸，它将微电子技术和精密机械加工技术相互融合，实现了微电子与机械融为一体的系统。具体来说，微机电系统是专指外形轮廓尺寸在毫米量级以下，构成它的机械零件和半导体元器件尺寸在微米至纳米量级，可对声、光、热、磁、运动等自然信息进行感知、识别、控制和处理的微型机电装置。它是正在飞速发展的微米和纳米技术的一项十分重要的成果。它将微型电机、微型电路、微型传感器、微型执行器等微型装置和器件集成在硅片上，不仅能、处理与发送信息或指令，还能按照所获取的信息自主地或根据外部的指令采取行动。 MEMS技术的出现开辟了的技术一个全新领域和产业。它们具有许多传统传感器无法比拟的优点，因此在航空、航天、
汽车、生物医学、环境监控、军事以及几乎人们接触到的所有领域中都有着十分广阔的应用前景。 1、微机电（MEMS）技术的丰富内涵 随着时间的推移以及技术的逐步发展，MEMS所包含的内 容正不断的增加变的更加丰富。世界著名信息技术期刊〈IEEE Proceedings〉在1998年的MEMS专辑中将MEMS的内容归纳为:集成传感器、微执行器和微系统。人们还把微机械、微结构、灵巧传感器(Smart Sensor)和智能传感器归入MEMS范畴。制作MEMS的技术称作MEMS技术,它包括微电子技术和微加工技术两大部分。微电子技术的主要内容有:氧化层生长、光刻掩膜制作、光刻选择掺杂(屏蔽扩散、离子注入)、薄膜(层)生长、连线制作等。微加工技术的主要内容有:硅表面微加工和硅体微加工(各向异性腐蚀、牺牲层)技术、晶片键合技术、制作高深宽比结构的LIGA技术等。利用微电子技术可制造集成电路和许多传感器。微加工技术很适合于制作某些压力传感、加速度传感器、微泵、微阀、微沟槽、微反应室、微执行器、微机械等,这就能充分发挥微电子技术的优势,利用MEMS技术大批量、低成本地制造高可靠性微小卫星。 MEMS技术是一个新兴技术领域,主要属于微米技术范畴。MEMS技术的发展已经历了十多年时间,大都基于现有技术,用 由大到小的技术途径制作出来的,发展了一批新的集成器件,大
微系统集成与封装技术
微系统集成与封装技术 微系统集成与封装技术是现代电子技术中的一项重要技术，它通过将各种不同功能的微系统集成到同一封装中，实现了电子设备的功能多样化和体积小型化。本文将从微系统集成与封装技术的背景和原理、应用领域以及未来发展方向等方面进行探讨。 一、背景和原理 随着电子技术的不断发展，人们对电子设备的需求越来越多样化，同时对设备体积的要求也越来越高。传统的电子设备由于各个功能模块之间的连接复杂，往往需要大量的电路板和线缆来实现，导致设备体积庞大，限制了其应用范围。微系统集成与封装技术的出现解决了这一问题。 微系统集成与封装技术主要包括集成电路制造技术和封装技术两个方面。集成电路制造技术通过微纳加工工艺将各种功能模块集成到同一芯片上，实现了电路的高度集成化。封装技术则是将芯片封装到小型化的封装材料中，保护芯片并提供连接外部设备的接口。通过这两个技术的结合，微系统集成与封装技术实现了电子设备的体积小型化和功能多样化。 二、应用领域 微系统集成与封装技术在各个领域都有广泛的应用。首先是通信领域，微系统集成与封装技术可以实现手机、无线通信设备等的小型
化和功能集成化，提高了通信设备的性能和便携性。其次是医疗领域，微系统集成与封装技术可以实现医疗器械的小型化和智能化，提高了患者的治疗效果和生活质量。再次是汽车领域，微系统集成与封装技术可以实现汽车电子设备的小型化和功能集成化，提高了汽车的安全性和驾驶体验。此外，微系统集成与封装技术还应用于航空航天、工业控制等领域。 三、未来发展方向 微系统集成与封装技术在未来有着广阔的发展前景。首先，随着物联网的兴起，各种智能设备将会越来越普及，对微系统集成与封装技术提出了更高的要求。未来的微系统集成与封装技术需要更加小型化、低功耗、高集成度和高可靠性。其次，随着人工智能技术的发展，对高性能计算和存储的需求也越来越大，微系统集成与封装技术可以实现高性能计算和存储器的小型化和集成化。再次，随着新材料和新工艺的不断涌现，微系统集成与封装技术在封装材料和制造工艺方面也将有更多的突破。 微系统集成与封装技术是现代电子技术中的一项重要技术，它通过将各种不同功能的微系统集成到同一封装中，实现了电子设备的功能多样化和体积小型化。微系统集成与封装技术在通信、医疗、汽车等领域都有广泛的应用，并且在未来有着广阔的发展前景。我们有理由相信，随着微系统集成与封装技术的不断发展，将会有越来越多的创新产品和应用出现，为人们的生活带来更多的便利和乐趣。
国外微系统技术发展概述
国外微系统技术发展概述 在深远的军事战略、技术发展战略和技术经济战略背景下，微系统和微系统技术承载了军事装备系统发展变革、信息系统智能化、微电子技术革命性创新的发展使命，并成为上述三大战略的制高点。 微系统技术从微观角度出发，融合微电子、微光子、MEMS、架构、算法五大要素，采用新的设计思想、设计方法、制造方法，在微纳尺度上，通过3D异质/异构集成手段，可以实现具备信号感知、信号处理、信令执行和赋能等多功能集成的微型化系统。基础是微电子、光电子、MEMS等先进芯片技术；核心是体系架构和算法。 图 1 微系统发展阶段 微系统概念的演进分为四个阶段：第一阶段设立项目，推动主要类别元器件发展；第二阶段提出微系统，明确集成
化发展趋势；第三阶段明确概念，突出不同器件间的集成；第四阶段升级概念，凸显平台化意义。 根据微系统的定义，微系统技术主要包括元器件技术、集成技术、智能软件和架构技术四部分。根据技术前后出现时间的不同，微系统可划分为“元器件自身技术持续发展”、“异质和异构集成技术成为主要路径”、“智能化算法和架构技术提高系统效率”三个阶段。但由于技术自身仍在不断演进，各个阶段的主要技术处于并行发展态势。 一、国外重点机构微系统技术的发展重点和思路 美国DARPA MTO提出的微系统得到了各国家、各领域的普遍接受，欧洲和日本受限于技术发展的资金投入，在充分立足国情的基础上，只在部分领域设立了相应的项目，不及DARPA的完整和全面。所以，本章在论述的时候，将成体系地反映美国在微系统各相关技术领域的布局，包括DARPA和三军中的在研项目，同时真实反映欧洲和日本在微系统领域谋求突破的重点。 （一）美国微系统技术的发展重点和思路研究 微系统办公室正在引领作为“芯片上平台”的开拓性研究，目的是为未来国防部的系统装备催生革命性的性能和功能。微系统的核心功能是传感、处理和执行战场空间的数据和信令，为美国作战部队提供非对称性优势。 基于多域和跨域的平台要求，微系统从集成微系统到“片上平台”的演进承载了美军未来军事战略的企业，尤其是军事战略的新一代技术载体，充分显示出美军“武器平台
MEMS技术 教学大纲
MEMS技术 一、课程说明 课程编号：080912Z10 课程名称：MEMS技术（Micro-Electro-Mechanical System and Technique）课程类别：专业教育课程 学时/学分：2 总学时：32 先修课程要求：《普通物理》、《微电子制造工艺》 适应专业：微电子科学与工程、电子科学与技术 教材与参考书： [1] 王喆垚，微系统设计与制造（第2版），清华大学出版社2015 [2] Marc J. Madou. Fundamentals of microfabrication ---- The science of miniaturization. CRC PRESS [3] [美]格雷戈里T.A.科瓦奇著，张文栋等译，微传感器与微执行器全，科学出版社 [4] [美]Stephen A. Campell著，曾莹严利人王纪民张伟等译. 微电子制造科学原理与工程技术，电子工业出版社 [5] [德]W.Menz, J.Mor, O.Paul著，王春海于杰等译，微系统技术，化学工业出版社 二、课程设置的目的意义 本课程是微电子制造技术与装备的专业选修课。其内容由微系统技术简介、系统技术中的材料、各种微细加工方法及微系统和微细加工的检测技术等部分组成。本课程的作用和任务是：通过本课程的学习，使学生了解微系统技术的概念、现状与发展前景、掌握各种微细加工方法的原理、主要特点、和典型应用，并能运用所学知识分析微细加工方面的实际问题，激发学生学习、研究微系统技术和微细加工技术的热情。 三、课程的基本要求 1、了解微系统技术与微细加工技术基础知识、研究与发展现状、应用前景。 2、了解微系统技术中的材料的性能特点、重要材料及其应用。 3、理解和掌握各种微细加工方法的原理、主要特点、和典型应用。 4、初步了解微细加工方法的工艺集成原则和工艺流程实例。 5、了解微系统和微细加工的重要检测技术。 6、初步了解微细加工在微传感器、微执行器、微系统的典型应用。 7、初步了解纳米科技的基本概念。
微电子机械系统(MEMS)综述
浙大-微电子机械系统（MEMS）综述 内容： 一、MEMS概念 二、MEMS研究背景 三、MEMS发展史 四、最近国外MEMS发展的概况 五、最近国内MEMS发展的概况 六、MEMS研究内容 七、MEMS技术分类 八、MEMS技术的加工工艺 九、LIGA和准LIGA技术 十、MEMS最新研究方向 十一、MEMS的最新应用 十二、MEMS的未来 十二、参考文献
一、MEMS概念 MEMS即Micro-Electro-Mechanical System，它是以微电子、微机械及材料科学为基础，研究、设计、制造、具有特定功能的微型装置，包括微结构器件、微传感器、微执行器和微系统等。 日本国家MEMS中心给Microsystem/Micromachine下的定义：A micro machine is an extremely small machine comprising very small(several millimeters or less) yet highly sophisticated functional elements that allows it to perform minute and complicated tasks。 一般认为，微电子机械系统通常指的是特征尺度大于1μm小于1nm，结合了电子和机械部件并用IC集成工艺加工的装置。微机电系统是多种学科交叉融合具有战略意义的前沿高技术，是未来的主导产业之一。 MEMS技术自八十年代末开始受到世界各国的广泛重视，主要技术途径有三种， 一是以美国为代表的以集成电路加工技术为基础的硅基微加工技术； 二是以德国为代表发展起来的利用X射线深度光刻、微电铸、微铸塑的LIGA( Lithograph galvanfomung und abformug)技术，； 三是以日本为代表发展的精密加工技术，如微细电火花EDM、超声波加工。 MEMS技术特点是：小尺寸（miniaturization）、多样化（multiplicity）、微电子（microelectronics），还有其他特点。 （1）微型化：MEMS体积小（芯片的特征尺寸为纳米/微米级）、质量轻、功耗低、惯性小、谐振频率高、响应时间短。例如，一个压力成像器的微系统，含有1024个微型压力传感器，整个膜片尺寸仅为10mm×10mm，每个压力芯片尺寸为50μm×50μm。 （2）多样化：MEMS包含有数字接口、自检、自调整和总线兼容等功能，具备在网络中应用的基本条件，具有标准的输出，便于与系统集成在一起，而且能按照需求，灵活地设计制造更多化的MEMS。 （3）微电子化：采用MEMS工艺，可以把不同功能、不同敏感方向或致动方向的多个传感器或执行器集成于一体，或形成微传感阵列、微执行器阵列甚至把多种功能的器件集成在一起，形成复杂的微系统。微传感器、微执行器和微电子器件的集成可制造出可靠性、稳定性很高的微电子机械系统。 （4）MEMS技术适合批量生产：用硅微加工工艺在同一硅片上同时可制造出成百上千微型机电装置或完整的MEMS，批量生产可大大降低生产成本。 （5）多学科交叉：MEMS涉及电子、机械、材料、制造、信息与自动控制、物理、化学和