MEMS技术导论..pptVIP

常用MEMS结构和系统 Sensor Actuators Passive structures Sensors：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。 Passive structures：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 electrostatic actuation 库仑力，两加电压的单元之间。耗能低。 Piezoelectric actuation, 特点：当压电薄膜较厚，可提供较大的力。耗能低 Thermal actuation 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。 Magnetic actuation 机理：Lorentz力。通有电流单元在磁场中受力。 Actuation using shape-memory alloys 特点：提供能量密度最大的actuation。与Si工艺集成困难。 Passive MEM structure 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。 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。 工艺：IC工艺＋电化学腐蚀形成厚度准确的薄膜。 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 高温压力传感器 常用Si微机械压力传感器的温度范围-40—125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。 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Sensor 1979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e－15F。 （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 {110}wafer，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，