MEMS器件悬臂结 构的简单介绍
微悬臂梁结构的谐振式MEMS黏度传感器
ｉｖ ｎ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ ， Ｘ ｉ ’ ａ ｎ ７ １ ０ ０ ４ ９ ， Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ）
Ａｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ ： Ｔ ｈ ｅ ｍｅ ｃ ｈ ａ ｎ ｉ ｓ ｍ ｏ ｆ ｌ ｆ ｕ ｉ ｄ ｖ ｉ ｓ ｃ ｏ ｓ ｉ ｔ ｙ ｍｅ ａ ｓ ｕ ｒ ｅ ｍｅ ｎ ｔ ｗａ ｓ ｓ ｔ ｕ ｄ ｉ ｅ ｄ ｕ ｓ ｉ ｎ ｇ ｒ ｅ ｓ ｏ ｎ ａ ｎ ｃ ｅ ｍｅ ｔ ｈ ｏ ｄ ｉ ｎ ｔ ｈ ｉ ｓ ｐ ａ ｐ ｅ ｒ ．Ｆ ｉ ｒ ｓ ｔ ｌ ｙ， ｔ ｈ ｅ ｌ ｆ ｕ ｉ ｄ
程测 量需求。
关键词 ： ＭＥ ＭＳ ； 黏度 ； 微悬臂 梁； 谐振； 传 感器 中图分类 号 ： Ｔ Ｐ ２ １ ２ 文献标识码 ： Ａ 文章编号 ： １ ０ ０ ２ — １ ８ ４ ｌ （ ２ ０ １ ５ ） Ｏ ５ — ０ ０ ０ ８ 一 ｏ ３
Ｒｅ ｓ ｏ ｎａ ｎｔ Ｍ ＥＭ Ｓ Ｖｉ ｓ ｃ ｏ ｓ ｉ ｔ ｙ Ｓ ｅ ｎｓ ｏ ｒ ｏ ｆ Ｍｉ ｃ ｒ ｏ Ｃａ ｎｔ ｉ ｌ ｅ ｖ ｅ ｒ Ｂｅ ａ ｎ ｒ Ｓ ｔ ｒ ｕ ｃ ｔ ｕｒ ｅ
悬臂梁式mems开关的详细介绍
悬臂梁式mems开关的详细介绍
悬臂梁式MEMS开关是一种常见的微机电系统，其结构是一个悬臂梁与固定电极或可移动电极的组合。
悬臂梁是一种细长的横梁，一端固定，另一端自由悬挂，可承受压力或弯曲。
MEMS开关的工作原理是通过施加电场或力矩来使可移动电极移动，从而改变开关的状态。
以下是悬臂梁式MEMS开关的详细介绍：
1. 结构
悬臂梁式MEMS开关由四个部分组成：悬臂梁、固定电极、可移动电极和支撑结构。
其中，悬臂梁是一个纤细的横梁，可以弯曲或承受压力；固定电极与可移动电极之间有一段空隙，当可移动电极靠近固定电极时，二者之间就会有电场形成；支撑结构则用于支撑悬臂梁和可移动电极。
2. 工作原理
当加上电压或施加力矩时，可移动电极会受到吸引力或斥力而移动，从而改变电容或电阻的大小，实现开关的切换。
当移动电极接触到固定电极时，电路闭合，电流通过；当移动电极与固定电极分开时，电路断开，电流停止流动。
通过不同的施加电压或力矩，开关可以实现不同的动作模式和可靠性要求。
3. 应用
悬臂梁式MEMS开关广泛应用于通信、生物医疗、汽车和军
事等领域，例如手机中的陀螺仪、加速度计和触摸屏等。
由于其微小的结构和高灵敏度、高精度的特点，悬臂梁式MEMS 开关在微型化和集成化设备中具有广泛的应用前景。
基于MEMS技术硅微悬臂梁制作工艺研究
第 ８卷第 ４期
赵
翔 ，梁 明富 ：基 于 Ｍ Ｍ Ｅ Ｓ技术硅微悬臂梁制作工艺研究
２３ 金 属 的 腐蚀 防止 ．
ｌ ３
２ ＭＥ ＭＳ制 作 工 艺 中 的牺 牲 层释 放
牺 牲层 技 术 是 制 造 表 面 微 机 械 结 构 的 关 键 与核 心 技 术 ，
传统在牺牲层释放过程 中阻止腐蚀金属的方法是使用 光 刻胶保护或使用缓 冲氢氟酸腐蚀剂 （ Ｈ ）／ Ｂ Ｆ 甘油和金属缓 蚀剂的混合物 。然而这 ２种方法都有一些缺点 ：光刻胶保护 由于光刻胶 自身 的腐蚀仅当腐蚀时间在 １ｍｉ ０ ｎ以下的时候才 比较适合。特殊的腐蚀 混合物能提供理想的选择性 ，但腐蚀 速率太慢。在 Ｈ Ｆ气相腐蚀氧化层 的情况下 ，能使得金属铝 保持完整。这个情况因为没有使用液体也能避免粘附问题 。
一
步腐蚀牺牲层工艺一般 称之为释放 ） ，形成 了表面距离 等
于牺牲层厚度 的悬空梁结构 。牺牲层技术的关键在于牺牲层
材料及腐蚀液 ，要使该腐蚀液对牺牲层腐蚀得很快而对牺牲
层上 、下方 的结构膜材料腐蚀得很慢 ，两者的腐蚀速率之 比
越 大 ，机构 膜 层 受 影 响 就 越 小 ，实 现 的机 构 就 精 确 与 理 想 。 在 上 述 工 艺 中 ，关 键 步骤 在 于 牺牲 层 的选 择 性 释 放 以及 随后 自由结 构 的干 燥 。尤其 是 在 使 用 铝作 结 构 层 的 同 时要 选 择 性
Ｍ ＭＳ （ ｃｏＥｅｔ ｍ ｃａｉ ｌ ｙｔ Ｅ Ｍｉ ｌ ｒ ｅｈｎ ａ Ｓ ｓ ｍ，即 微 电 子 机 械 ｒ ｃｏ ｃ ｅ
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 ，ＭＥ 具有 以下几个基本特点 ，微型化 、智能化 、多功 ＭＳ
MEMS工艺讲述
电阻
抛光削薄第二片硅，形成压力传感器芯片
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其他
电子束光刻
提供了小至纳米尺寸分辩力的聚合物抗蚀剂图形转印的一 种灵活的曝光设备，远远地超过了目前光学系统的分辨力 范围
聚焦离子束光刻
利用聚焦离子束设备修复光掩模和集成电路芯片
扫描探针加工技术（SPL）
一种无掩模的加工手段，可以作刻蚀或者淀积加工，甚至 可以用来操纵单个原子和分子
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键合机理：预键合时硅与硅表面之间产生的键合力是由于亲水表 面的OH-之间吸引力的作用形成了氢键。进一步的高温处理可以 产生脱水效应，而在硅片之间形成氧键，键合强度增大。
接触前硅片表面有OH基
预键合形成氢键
高温处理脱水形成氢键
压力传感器芯片
P型(100)硅片 外延n型硅膜 n型(100)硅片
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•
•
改进释放方法
做表面处理
27
键合(bonding)技术
在微型机械的制作工艺中，键合技术十分重要。
键合技术是指不利用任何粘合剂，只是通过化学键和物理作用将硅片
与硅片、硅片与玻璃或其他材料紧密地结合起来的方法。 键合技术虽然不是微机械结构加工的直接手段，却在微机械加工中有
着重要的地位。它往往与其他手段结合使用，既可以对微结构进行支
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非硅基微机械加工技术
• LIGA加工技术
• 激光微机械加工技术 • 深等离子体刻蚀技术 • 紫外线厚胶刻蚀技术
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LIGA工艺
1. LIthograpie（制版术），Gavanoformung(电铸)， Abformung(塑铸)
2. LIGA工艺于20世纪80年代初创于德国的卡尔斯鲁厄 原子核研究所，是为制造微喷嘴而开发出来的 3. LIGA技术开创者Wolfgang Ehrfeld领导的研究小 组曾提出，可以用LIGA制作厚度超高其长宽尺寸的 各种微型构件。
MEMS悬臂梁式芯片测试探卡
ＥＥＡｏＣ： ２ ０； ３ Ｅ； ５ ５ ７ ３ ７ ２０ ２ ７
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mems 特征结构
mems 特征结构MEMS (Microelectromechanical Systems) 特征结构是一种将微型电子和微机械元件集成在一个尺寸很小的芯片上的技术。
MEMS 技术的特征结构由微机械化的部件、电子电路和传感器组成，可以提供多种功能和应用。
以下是一些常见的 MEMS 特征结构及其特点。
1.振动结构:MEMS振动结构通常由微弹簧和质量块组成，通过施加电场或应力来产生振动。
这些结构可以应用于加速度计、陀螺仪、声传感器等设备中。
2.电容结构:MEMS电容结构使用电场来测量物理量，如压力、湿度、位移等。
它们由固定电极和可移动电极组成，当外力作用于可移动电极上时，电容值发生变化。
这种结构常用于气压传感器、加速度计、触摸屏等设备。
3.悬臂梁结构:悬臂梁是一种常见的MEMS结构，用于测量力、加速度和压力等物理量。
它们通常由一个固定支撑和一个悬浮的梁构成，当外力作用于悬浮部分时，悬臂梁会发生形变，通过测量形变来确定外力大小。
4.静电驱动结构:静电驱动结构使用静电力来操控和驱动微机械部件。
它们常用于光学开关、光调制器和微镜等设备中。
静电驱动结构具有响应速度快、消耗电能少等优点。
5.微流控结构:微流控结构利用微型通道和微阀门来控制和操纵微量液体。
这些结构常用于生物医疗领域中的注射器、血液分析仪等设备中。
6.压电结构:压电结构利用压电材料的性质来实现机械与电能的转换。
它们通常用于压力传感器、能量收集器和声波发生器等应用中。
压电结构具有高灵敏度、快速响应和低功耗的特点。
MEMS特征结构的设计和制造过程往往需要复杂的工艺和技术，包括微加工、薄膜沉积、光刻、离子束刻蚀等。
在MEMS技术的发展中，研究者还在探索新的材料和制造方法，以实现更高性能和更复杂的MEMS特征结构。
MEMS特征结构具有广泛的应用领域，包括汽车、消费电子、医疗、通信等。
随着技术的不断进步，MEMS特征结构将进一步改进和创新，为各行各业带来更多的机会和挑战。
MEMS器件悬臂结 构的简单介绍
桂林电子科技大学
GUILIN UNIVERSITY OF ELECTRONIC TECHNOLOGY
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（二 ）
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（二 ） 悬臂梁及其工艺
基于ＳｉＣ材料的ＭＥＭＳ器件（ＳｉＣ ＭＥＭＳ）具有耐高温、抗腐蚀等优点， 可广泛应用于制造工作在恶劣环境下的传感器和执行器。但是，目前为止制作的大 多数ＳｉＣ ＭＥＭＳ器件都基于体ＳｉＣ工艺。体ＳｉＣ工艺制造工艺复杂、成 本高昂，难以适用于大规模的商业化生产，开发ＳｉＣ表面工艺势在必行。悬臂结 构是制作ＭＥＭＳ器件的基础结构之一，在加速度计、陀螺仪、ＲＦ ＭＭＥＳ开 关、谐振器等ＭＥＭＳ器件中都大量地使用了悬臂结构，因此，开发悬臂结构的表 面加工工艺是制作ＳｉＣ ＭＥＭＳ器件的必要基础。由于ＳｉＣ材料具有优异的 化学稳定性，大部分酸都不能腐蚀ＳｉＣ，只有熔融的（大于６００℃）碱金属氢 氧化物（如ＫＯＨ）可以腐蚀它［１］，但是这种加工工艺不能满足高精度结构的 制备需求，因此急需开发干法刻蚀工艺。一般来说，悬臂结构的制作需要牺牲层释 放工艺，但到目前为止，牺牲层（如ＳｉＯ２）上外延ＳｉＣ的质量尚不满足要求。 为了获得高质量ＳｉＣ悬臂结构，本文设计了在Ｓｉ衬底上外延ＳｉＣ薄膜后通过 干法刻蚀工艺制作悬臂结构的方案
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（三 ）
参考文献
[1]焦宗磊,３Ｃ－ＳｉＣ悬臂结构干法刻蚀研究,南京电子器件研究所，南 京. [2]方绪文,微加工悬臂梁在横向冲击下的响应分析,东南大学MEMS 教育部 重点实验室, 南京. [3]Rebecca Cheung,用于恶劣环境的碳化硅微机电系统
MEMS器件与结构简述10
MEMS器件与结构简述10MEMS器件与结构简述10MEMS（Micro-Electro-Mechanical Systems）是一种集成了微小电子器件和机械器件的技术，主要用于制造微尺度的机械设备和系统。
这种技术可以在微观尺度上实现机械运动、感知和控制，具有广泛的应用领域，包括汽车、航空航天、生物医学、通信、能源和消费电子等。
MEMS器件的核心组成部分是基于半导体工艺制造的微观结构，常见的结构包括悬臂梁、膜片、压电材料、微加工引擎等。
通过纳米级制造工艺和先进的材料，可以制造出微米级甚至亚微米级的结构。
这些微结构的制造通常需要先在硅片上进行光刻、腐蚀和沉积工艺，然后通过薄膜剥离或刻蚀剂释放到底部，形成独立的微结构。
MEMS器件通常具有微小尺寸、低功耗、高集成度和可靠性好的特点。
例如，加速度计是一种常见的MEMS器件，常用于检测和测量物体的加速度。
它由微小的悬臂梁结构和压电材料组成，当受到外界加速度时，悬臂梁会发生变形，从而引起电荷的积累和电压的变化。
通过测量这个变化，可以确定物体的加速度。
另一个常见的MEMS器件是微型压力传感器，它通常用于测量气体或液体的压力。
微型压力传感器由微小的膜片和微细加工引擎组成，当受到压力时，膜片会发生变形，通过测量变形的程度可以确定压力的大小。
除了加速度计和压力传感器，MEMS器件还包括陀螺仪、微型电机、微型阀门、光学器件等。
这些器件不仅可以实现触觉、力学和运动的感知和控制，还可以实现光学信息的处理和传输。
MEMS器件在汽车领域有很重要的应用。
比如，汽车的气囊系统中就使用了加速度计和压力传感器，通过检测车辆的加速度和碰撞压力来触发气囊的充气，保护乘客的安全。
此外，MEMS技术还被用于制造车载传感器、惯性导航系统和发动机控制系统等。
在生物医学领域，MEMS器件被广泛应用于生物传感器、体外诊断设备和植入式医疗器械等。
例如，微型生物传感器可以用于检测血糖、蛋白质和DNA等生物分子的浓度，实现个体化的医疗诊断和治疗。
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（一 ） MEMS简介
微机电系统（MEMS, Micro-Electro-Mechanical System）， 也叫做微电子机械系统、 微系统、微机械等，是在微电子技术 （半导体制造技术）基础上发展起来的，融 合了光刻、腐蚀、薄膜、LIGA、硅微加工、 非硅微加工和精密机械加工等技术制作的高 科技电子机械器件。Fra bibliotek桂林电子科技大学
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（一 ）
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（二 ）
悬臂梁及其工艺
悬臂梁作为MEMS 器件的基 本结构, 可以用 于RF 开关、光开关、谐振器、 传感器等。MEMS 中使用的 悬臂梁厚度一般在几微米到 几十微米之间, 长度在几百 微米以内.衬底的厚度一般不 超过1mm , 长度和宽度在厘 米量级。
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MEMS器件悬臂结 构的简单介绍
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一MEMS简介
二悬臂梁及其工艺 三参考文献
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（三 ）
参考文献
[1]焦宗磊,３Ｃ－ＳｉＣ悬臂结构干法刻蚀研究,南京电子器件研究所，南 京. [2]方绪文,微加工悬臂梁在横向冲击下的响应分析,东南大学MEMS 教育部 重点实验室, 南京. [3]Rebecca Cheung,用于恶劣环境的碳化硅微机电系统
（二 ）
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（二 ） 悬臂梁及其工艺
基于ＳｉＣ材料的ＭＥＭＳ器件（ＳｉＣ ＭＥＭＳ）具有耐高温、抗腐蚀等优点， 可广泛应用于制造工作在恶劣环境下的传感器和执行器。但是，目前为止制作的大 多数ＳｉＣ ＭＥＭＳ器件都基于体ＳｉＣ工艺。体ＳｉＣ工艺制造工艺复杂、成 本高昂，难以适用于大规模的商业化生产，开发ＳｉＣ表面工艺势在必行。悬臂结 构是制作ＭＥＭＳ器件的基础结构之一，在加速度计、陀螺仪、ＲＦ ＭＭＥＳ开 关、谐振器等ＭＥＭＳ器件中都大量地使用了悬臂结构，因此，开发悬臂结构的表 面加工工艺是制作ＳｉＣ ＭＥＭＳ器件的必要基础。由于ＳｉＣ材料具有优异的 化学稳定性，大部分酸都不能腐蚀ＳｉＣ，只有熔融的（大于６００℃）碱金属氢 氧化物（如ＫＯＨ）可以腐蚀它［１］，但是这种加工工艺不能满足高精度结构的 制备需求，因此急需开发干法刻蚀工艺。一般来说，悬臂结构的制作需要牺牲层释 放工艺，但到目前为止，牺牲层（如ＳｉＯ２）上外延ＳｉＣ的质量尚不满足要求。 为了获得高质量ＳｉＣ悬臂结构，本文设计了在Ｓｉ衬底上外延ＳｉＣ薄膜后通过 干法刻蚀工艺制作悬臂结构的方案
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（二 ）
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（二 ） 悬臂梁及其工艺
干法刻蚀设备为ＩＣＰ刻蚀机。掩膜材料分别使用Ａｌ和ＳｉＯ２。具体实施步骤如图２ 所示。 （１）衬底准备，采用＜１１１＞晶向的高阻单抛硅片。 （２）外延ＳｉＣ 薄膜，采用ＳｉＨ４和Ｃ３Ｈ８通过ＭＯＣＶＤ法外延厚２．５μｍ的 ＳｉＣ薄膜。 （３）制作掩膜，通过ＰＥＣＶＤ法外延厚２μｍ 的ＳｉＯ２掩膜或者通过蒸发的方法淀 积厚５００ｎｍ的Ａｌ。 （４）掩膜图形化，采用光刻技术制备图形化的金属铝或者ＳｉＯ２的掩膜。 （５）ＳｉＣ刻蚀，刻蚀气体为ＳＦ６和Ｏ２，刻蚀速率约４１．７ｎｍ／ｍｉｎ。 （６）释放ＳｉＣ悬臂结构，采用ＳＦ６气体各向同性刻蚀Ｓｉ工艺，掏空悬臂结构下方 的硅衬底。 （７）去除掩膜，对于ＳｉＯ２掩膜，采用干法刻蚀去除。Ａｌ掩膜采用湿法腐蚀方法去 除。