伯克利课程MEMS设计IntroductiontoMEMSdesign
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MEMS设计流程
MEMS设计流程MEMS，即微机电系统（Micro-Electro-Mechanical Systems），是一种结合了微纳尺度机械、电子、光学和化学等多学科的综合技术。
它用微米级别的结构制造出具有机械、电气和光学等特性的微尺度器件，广泛应用于传感器、执行器、生物医学、通信等领域。
而MEMS的设计流程是指在设计MEMS器件时所需要进行的一系列步骤。
本文将详细介绍MEMS设计流程。
1.需求分析：在这一阶段，首先需要明确MEMS器件的使用环境、工作参数和性能指标等需求，包括温度范围、压力范围、灵敏度、响应时间等。
然后根据需求制定设计目标，并进行可行性分析以确定是否可以通过MEMS技术实现。
2.概念设计：在这一阶段，需要进行前期的整体概念设计，包括器件结构、布局和组成部分的选择等。
通过综合考虑机械、电子、光学和化学等方面的效应，选择适合的工作原理和结构，确定设计的初步方案。
3.详细设计：在这一阶段，需要对概念设计进行详细的设计和优化。
包括结构和材料的选择、尺寸设计、布线设计、控制电路设计等。
在设计过程中需要考虑到制造工艺的可行性和性能优化的权衡。
4.模拟仿真：在这一阶段，需要利用CAD工具对设计进行三维建模，并通过有限元分析等仿真手段对器件性能进行评估。
通过仿真可以预测器件的结构、电气和机械等性能，并进一步优化设计方案。
5.加工制造：在这一阶段，需要选择适合的MEMS制造工艺，并进行样品的加工制造。
MEMS制造工艺包括光刻、薄膜沉积、腐蚀、离子刻蚀、包封和封装等步骤。
制造过程需要严格控制参数和工艺，确保器件的可靠性和稳定性。
6.测试验证：在这一阶段，需要对加工制造好的器件进行测试验证。
包括静态测试和动态测试。
静态测试包括器件的结构、电气和机械等性能的测试；动态测试包括器件在各种工作状态下的性能测试和可靠性测试。
通过测试可以验证设计的正确性和可靠性，并进行必要的调整和优化。
综上所述，MEMS的设计流程是一个从需求分析到测试验证的连续过程，需要经过需求分析、概念设计、详细设计、模拟仿真、加工制造和测试验证等多个阶段。
MEMS的设计
非线性分析——考虑材料和几何、边界和单元的非线性 因素，当材料在达到初始屈服极限时，往往还有很大 潜力，采用非线性分析会得到有效的结果 热传导分析——计算出结构内的热分布状况 流体/固体耦合分析——解决流体和结构之间的互相作 用效应，NASTRAN拥有流/固体耦合法、非弹性流体单 元法、虚质量法等方法 空气动力弹性及颤振分析——气动、惯性及结构力间的 相互作用，NASTRAN可作静态和动态气弹响应分析、颤 振分析及气弹优化。
时间T
l 2 l F F=[l ] 3 l 4 l
1
a=F/M
l1 l 2 2 1 l 3 l F 3 1 F 3 a [l ][l ] [l ][l ] 3 [l ] 0 l l 4 1 l l
3、ANSYS、NASTRAN程序简介
(1)ANSYS在MEMS设计中的应用
模块——结构、电磁、热传导、声学、流体动力学等
多物理场耦合问题
•直接耦合方法——受到耦合许可的限制 •序贯耦合方法——对一个物理场进行分析后，将结 果输入到随后的另一个物理分析中，只要非线性程 度不高，序贯耦合分析是有效的
1、MEMS的CAD
三、 MEMS的CAD与仿 真
目的：设计阶段比较方案，检验掩模/工艺可行性
特点： 1.微小结构尺寸
•尺度效应对工作机理的影响 •晶体内部结构对材料性质的影响
2.MEMS制造工艺
•工艺可能改变材料机械/电性质 •与微电子联系紧密
3.多能量域耦合
•要求知识学科跨度大 •建模、分析难度大 •计算量大
静力分析——与时间无关（或可忽略）的静力载荷（如 集中/分布静力、温度载荷、强制位移、惯性力等）下 的响应，并得出所需节点位移、节点力、约束（反） 力、单元内力、单元应力和应变能等 动力学分析——瞬态响应、振动模态、 冲击谱、动力 灵敏度、声学分析等。阻尼类型、动力定义方式类型 决定其分析能力。 屈曲分析（稳定性分析）——确定结构失稳临界载荷
Introduction to Microeletromechanical Systems (MEMS)
Texas Christian University Department of Engineering
[Suh et al., S&A-A 1996.]
Ed Kolesar
Transducer System
user
communicationcision … machining
Department of Engineering
Ed Kolesar
Microelectromechnical Systems (MEMS)
• Scale: from below 1 µm to above 1 mm • Manufacture: batch fabrication technology • Function: micro -mechanics, -electronics, -fluidics, -optics, …
Texas Christian University Department of Engineering Ed Kolesar
Course Overview
• Introduction to Microelectromechanical Systems (MEMS)
History, scale, materials, surface and bulk micromachining, …
Introduction to Microeletromechanical Systems (MEMS)
Edward S. Kolesar, Ph.D., P.E. W.A. Moncrief Professor of Engineering Texas Christian University Department of Engineering Frank L. Lewis, Ph.D., P.E. Moncrief-O’Donnell Endowed Chair The University of Texas at Arlington Department of Electrical Engineering Automation and Robotics Institute (ARRI)
[Suh et al., S&A-A 1996.]
Ed Kolesar
Transducer System
user
communicationcision … machining
Department of Engineering
Ed Kolesar
Microelectromechnical Systems (MEMS)
• Scale: from below 1 µm to above 1 mm • Manufacture: batch fabrication technology • Function: micro -mechanics, -electronics, -fluidics, -optics, …
Texas Christian University Department of Engineering Ed Kolesar
Course Overview
• Introduction to Microelectromechanical Systems (MEMS)
History, scale, materials, surface and bulk micromachining, …
Introduction to Microeletromechanical Systems (MEMS)
Edward S. Kolesar, Ph.D., P.E. W.A. Moncrief Professor of Engineering Texas Christian University Department of Engineering Frank L. Lewis, Ph.D., P.E. Moncrief-O’Donnell Endowed Chair The University of Texas at Arlington Department of Electrical Engineering Automation and Robotics Institute (ARRI)
MEMS_NEMS_概论
2009-2-21 第一讲 MEMS/NMES概论 14
1.2 MEMS特征
Hale Waihona Puke 3、由于MEMS制造技术是以硅微加工技术为基础， 可以像 IC工艺一样用微电子工艺技术，在无尘室 中大批量、低成本的进行规模型生产，这样可以 大大降低器件的成本，提高器件的一致性与可靠 性，使性价比与传统机械制造技术相比大幅度地 提高。
2009-2-21
第一讲 MEMS/NMES概论
18
1.3 MEMS发展历史
MEMS的发展已经有很长的历史，它出现于1960年， 70代年出现了硅基的压力传感器，80年代在硅表面 的微机械加工和牺牲层技术得到发展，从那时起确 定了硅和p型硅为微机械结构的极好材料。
上世纪90年代便迎来了MEMS发展的极盛时期。
第一讲 MEMS/NMES概论 7
2009-2-21
1.1 MEMS定义
微机器 Micro machine (Japan) 微型电子机械系统MicroElecoMechanical System (USA) 微系统 Micro System (Europe)
在北美，微机电系统通常称为MEMS，顾名思义MEMS是 由微机械和微电子线路组成的微系统。在欧洲则通常称为 微系统（microsystem）。在日本通常称为微机器 （micromachine）。它们都以微小（micro）为特征，有的 强调机械，有的强调系统，但当前人们常不加区别地统称 为MEMS。 日本国家MEMS中心（http://www.iijnet.or.jp/MMC/）给 micromachine下的定义是：A micromachine is an extremely small machine comprising very small (several millimeters or less) yet highly sophisticated functional elements that allow it to perform minute and complicated tasks.[微机器是一种 极其小的机器，它由非常小（数微米或更小）但是具有高 度复杂功能的部件构成，能够完成灵巧和复杂的任务。
1.2 MEMS特征
Hale Waihona Puke 3、由于MEMS制造技术是以硅微加工技术为基础， 可以像 IC工艺一样用微电子工艺技术，在无尘室 中大批量、低成本的进行规模型生产，这样可以 大大降低器件的成本，提高器件的一致性与可靠 性，使性价比与传统机械制造技术相比大幅度地 提高。
2009-2-21
第一讲 MEMS/NMES概论
18
1.3 MEMS发展历史
MEMS的发展已经有很长的历史，它出现于1960年， 70代年出现了硅基的压力传感器，80年代在硅表面 的微机械加工和牺牲层技术得到发展，从那时起确 定了硅和p型硅为微机械结构的极好材料。
上世纪90年代便迎来了MEMS发展的极盛时期。
第一讲 MEMS/NMES概论 7
2009-2-21
1.1 MEMS定义
微机器 Micro machine (Japan) 微型电子机械系统MicroElecoMechanical System (USA) 微系统 Micro System (Europe)
在北美，微机电系统通常称为MEMS，顾名思义MEMS是 由微机械和微电子线路组成的微系统。在欧洲则通常称为 微系统（microsystem）。在日本通常称为微机器 （micromachine）。它们都以微小（micro）为特征，有的 强调机械，有的强调系统，但当前人们常不加区别地统称 为MEMS。 日本国家MEMS中心（http://www.iijnet.or.jp/MMC/）给 micromachine下的定义是：A micromachine is an extremely small machine comprising very small (several millimeters or less) yet highly sophisticated functional elements that allow it to perform minute and complicated tasks.[微机器是一种 极其小的机器，它由非常小（数微米或更小）但是具有高 度复杂功能的部件构成，能够完成灵巧和复杂的任务。
MEMS设计知识点总结
MEMS设计知识点总结MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems) 是一种微机电系统，通过利用微观尺度的物理、机械、光电学和化学特性，将微型传感器、执行器以及电子控制电路集成在一起。
MEMS设计是一项涉及多领域知识的复杂过程，本文将对MEMS设计的关键知识点进行总结，以帮助读者更好地了解和应用MEMS技术。
一、MEMS设计流程MEMS设计的流程一般包括以下几个步骤：1. 定义需求：明确设计的目的和要求，包括感测或执行的物理参数、性能指标等。
2. 概念设计：通过分析和评估不同的设计方案，选择最合适的设计方案。
3. 详细设计：进行具体的器件结构设计，包括材料的选择、尺寸的确定、布局的设计等。
4. 模拟仿真：利用计算机辅助工具进行工艺和物理仿真，验证设计的可行性和性能。
5. 制造工艺：将设计转化为实际器件，包括制程流程的制定、工艺设备的选择等。
6. 测试与验证：对制造出的器件进行测试和验证，评估其性能是否满足设计要求。
7. 优化与改进：根据测试结果和反馈，对设计进行优化和改进。
二、MEMS设计中的关键问题1. 材料选择：MEMS器件需要具备特定的物理和机械性能，如高硬度、抗腐蚀性、低热膨胀系数等。
常用的材料包括硅、氮化硅、金属、玻璃等。
2. 结构设计：根据不同的应用需求，设计合适的MEMS结构，如梁、薄膜、微型通道等。
结构设计要考虑到器件的稳定性、可靠性和性能。
3. 尺寸优化：通过尺寸的调整和优化，可以提高MEMS器件的性能。
例如，更小的尺寸可以提高器件的灵敏度和响应速度。
4. 电路设计：为了实现信号的处理和控制，需要设计相应的电子电路。
电路设计要考虑电源的噪声、功耗以及信号的放大和滤波等问题。
5. 封装与封装技术：为了保护MEMS器件，减少干扰和外界环境的影响，需要进行封装处理。
封装技术包括芯片封装、耦合封装等。
6. 可靠性设计：MEMS器件往往要工作在复杂的环境条件下，如高温、高湿、振动等。
伯克利课程MEMS设计IntroductiontoMEMSdesign3
Deposit and pattern second sacrificial
Pattern contacts Deposit and pattern 2nd poly
Etch sacrificial
ksjp, 7/01
planes with the highest density • Commonly used anisotropic etches in silicon include Potasium
Hydroxide (KOH), Tetramethyl Ammonium Hydroxide (TmAH), and Ethylene Diamine Pyrochatecol (EDP)
MEMS-specific fabrication
• Bulk micromachining • Surface micromachining • Deep reactive ion etching (DRIE) • Other materials/processes
MEMS Design & Fab
MEMS Design & Fab
ksjp, 7/01
Bulk micromachined cavities
• Anisotropic KOH etch (Upperleft) • Isotropic plasma etch (upper right) • Isotropic BrF3 etch with
• Isotropic silicon etchants
• HNA • HF, nitric, and acetic acids • Lots of neat features, tough to work with
• XeF2, BrF3 • gas phase, gentle • Xactix, STS selling research & production equipment
MEMS原理-01
• Closed-loop, microscale control of electrical, thermal, fluid, magnetic, optical, and mass flux
MEMS is a surface technology
Control phenomena on the microscale Cause large effects both on macroscale and microscale
Richard E. Smalley
……
Basic Introduction to MEMS
What are MEMS? – Definition
Scales of MEMS.– Some examples History …
Focus on MEMS
Classification of MEMS
What are MEMS ?
(3)
• High spatial resolution and high temporal bandwidth
Integrated solutions offer greater physical density Miniaturized components offer faster response
Size: 1 cm2 Power: 10 mW
Solar powered PicoRadio Node BWRC-BMI
10 grams 2cm x 2cm x 0.5cm ~ 1mW 100Kg’s $500
Comparison
Mass spectrograph (质谱仪)
Comparison
Solar Cell
《MEMS设计技术》课件
案例二：MEMS陀螺仪在导航系统中的应用
总结词
MEMS陀螺仪是导航系统中的关键传感 器，具有高精度、小型化和低成本等特 点。
VS
详细描述
MEMS陀螺仪采用微机械加工技术，将陀 螺仪的机械部分和电路部分集成在一个芯 片上，具有体积小、重量轻、成本低等优 点。它能够测量和保持方向信息，广泛应 用于航空、航天、军事等领域。在导航系 统中，MEMS陀螺仪可以提供高精度的角 度信息，用于计算航向、姿态和位置等参 数。
可靠性测试
进行全面的可靠性测试和评估，确保 MEMS器件的稳定性和可靠性。
06
MEMS设计案例分析
案例一：MEMS压力传感器在汽车中的应用
总结词
汽车压力传感器是MEMS技术的重要应用之一，具有高精度、可靠性和稳定性等特点。
详细描述
汽车压力传感器主要用于监测发动机进气歧管压力、燃油压力、气瓶压力等，以确保发动机正常工作 和提高燃油经济性。MEMS压力传感器采用微型机械加工技术，具有体积小、重量轻、功耗低等优点 ，能够实现高精度、快速响应和长期稳定性。
惯性传感器的设计需要综合考 虑材料、工艺和信号处理等因 素，以确保其性能和可靠性。
化学传感器设计
01
化学传感器是用于检测气体或 液体的化学成分的传感器，其 设计需要考虑选择性、灵敏度 、稳定性等因素。
02
常用的化学传感器类型包括电 化学式、光学式和热导式等， 其工作原理和结构各不相同。
03
化学传感器的设计需要综合考 虑材料、工艺和信号处理等因 素，以确保其性能和可靠性。
MEMS的发展历程与趋势
要点一
总结词
MEMS的发展经历了萌芽期、发展期和成熟期三个阶段， 未来将向更小尺寸、更高精度和智能化方向发展。
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Engineering, Artech House • Ristic, Sensor Technology and Devices, Artec House • Senturia, Microsystem Design, Kluwer • Sze, Semiconductor Sensors, Wiley
MEMS Design & Fab
ksjp, 7/01
References • Conferences
• Sensors and Actuators Workshop (Hilton Head), even years, Hilton Head Island, SC. N. America only
• MOEMS, 97 Japan, 98 U.S. (LEOS), 99 Germany • SPIE, annual, San Jose, CA. (formerly Austin, TX) • LEOS, OSA, CLEO • ASME •…
MEMS Design & Fab
ksjp, 7/01
Introduction to MEMS Design and Fabrication
Kristofer S.J. Pister Berkeley Sensor and Actuator Center
UC Berkeley
MEMS Design & Fab
ksjp, 7/01
A brief history of MEMS
• Kovacs, Micromachined Transducers Sourcebook, McGrawHill
• Madou, Fundamentals of Microfabrication, CRC • Maluf, An Introduction to Microelectromechanical Systems
• 1750s first electrostatic motors (Benjamin Franklin, Andrew Gordon) • 1824 Silicon discovered (Berzelius) • 1927 Field effect transistor patented (Lilienfield) • 1947 invention of the transistor (made from germanium) • 1954 Smith, C.S., "Piezoresistive effect in Germanium and Silicon, Physical Review, 94.1,
References
• Periodicals
• IEEE/ASME, JMEMS • Sensors and Actuators A/B • J. Micromechanics and Microengineering • Sensors and Materials
MEMS Design & Fab
ksjp, 7/01
References • Books
• Elwenspoek and Jansen, Silicon Micromachining, Cambridge
• Keller, Microfabricated High Aspect Precision Instruments
April 1954.
• 1958 silicon strain gauges commercially available • 1961 first silicon pressure sensor demonstrated (Kulite) • 1967 Invention of surface micromachining (Nathanson, Resonant Gate Transistor) • 1970 first silicon accelerometer demonstrated (Kulite) • 1977 first capacitive pressure sensor (Stanford) • 1980 Petersen, K.E., "Silicon Torsional Scanning Mirror", IBM J. R&D, v24, p631, 1980. • 1982 disposable blood pressure transducer (Foxboro/ICT, Honeywell, $40) • 1982 active on-chip signal conditioning • 1984? First polysilicon MEMS device (Howe, Muller ) • 1988 Rotary electrostatic side drive motors (Fan, Tai, Muller) • 1989 Lateral comb drive (Tang, Nguyen, Howe) • 1991 polysilicon hinge (Pister, Judy, Burgett, Fearing) • 1992 Grating light modulator (Solgaard, Sandejas, Bloom) • 1992 MCNC starts MUMPS • 1993? first surface micromachined accelerometer sold (Analog Devices, ADXL50) • 1994 XeF2 used for MEMS (OK, so this one isn’t as important as the others)
• IEEE MEMS workshop, annual, 00 Japan, 01 Europe, 02 U.S.
• Intl. Conf. Solid State Sensors and Actuators (Transducers), odd years, 99 Japan, 01 Europe, 03 U.S.
MEMS Design & Fab
ksjp, 7/01
References • Conferences
• Sensors and Actuators Workshop (Hilton Head), even years, Hilton Head Island, SC. N. America only
• MOEMS, 97 Japan, 98 U.S. (LEOS), 99 Germany • SPIE, annual, San Jose, CA. (formerly Austin, TX) • LEOS, OSA, CLEO • ASME •…
MEMS Design & Fab
ksjp, 7/01
Introduction to MEMS Design and Fabrication
Kristofer S.J. Pister Berkeley Sensor and Actuator Center
UC Berkeley
MEMS Design & Fab
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A brief history of MEMS
• Kovacs, Micromachined Transducers Sourcebook, McGrawHill
• Madou, Fundamentals of Microfabrication, CRC • Maluf, An Introduction to Microelectromechanical Systems
• 1750s first electrostatic motors (Benjamin Franklin, Andrew Gordon) • 1824 Silicon discovered (Berzelius) • 1927 Field effect transistor patented (Lilienfield) • 1947 invention of the transistor (made from germanium) • 1954 Smith, C.S., "Piezoresistive effect in Germanium and Silicon, Physical Review, 94.1,
References
• Periodicals
• IEEE/ASME, JMEMS • Sensors and Actuators A/B • J. Micromechanics and Microengineering • Sensors and Materials
MEMS Design & Fab
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References • Books
• Elwenspoek and Jansen, Silicon Micromachining, Cambridge
• Keller, Microfabricated High Aspect Precision Instruments
April 1954.
• 1958 silicon strain gauges commercially available • 1961 first silicon pressure sensor demonstrated (Kulite) • 1967 Invention of surface micromachining (Nathanson, Resonant Gate Transistor) • 1970 first silicon accelerometer demonstrated (Kulite) • 1977 first capacitive pressure sensor (Stanford) • 1980 Petersen, K.E., "Silicon Torsional Scanning Mirror", IBM J. R&D, v24, p631, 1980. • 1982 disposable blood pressure transducer (Foxboro/ICT, Honeywell, $40) • 1982 active on-chip signal conditioning • 1984? First polysilicon MEMS device (Howe, Muller ) • 1988 Rotary electrostatic side drive motors (Fan, Tai, Muller) • 1989 Lateral comb drive (Tang, Nguyen, Howe) • 1991 polysilicon hinge (Pister, Judy, Burgett, Fearing) • 1992 Grating light modulator (Solgaard, Sandejas, Bloom) • 1992 MCNC starts MUMPS • 1993? first surface micromachined accelerometer sold (Analog Devices, ADXL50) • 1994 XeF2 used for MEMS (OK, so this one isn’t as important as the others)
• IEEE MEMS workshop, annual, 00 Japan, 01 Europe, 02 U.S.
• Intl. Conf. Solid State Sensors and Actuators (Transducers), odd years, 99 Japan, 01 Europe, 03 U.S.