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1、微细加工与MEMS技术-张庆中-19-微机电系统19.1 硅基微型机构的优点硅基微型机构的优点 一、机械的小型化和轻量化一、机械的小型化和轻量化一、机械的小型化和轻量化一、机械的小型化和轻量化 节约材料和能源；惯性小，因而灵敏度高、频率高；热容节约材料和能源；惯性小，因而灵敏度高、频率高；热容量小；等等。在医疗与军事等领域有巨大的应用前景。量小；等等。在医疗与军事等领域有巨大的应用前景。二、高效的加工和装配二、高效的加工和装配二、高效的加工和装配二、高效的加工和装配 采用集成电路制造工艺中的加工方法，可以大批量生产，采用集成电路制造工艺中的加工方法，可以大批量生产，且均匀性重复性好。且均匀性重
2、复性好。三、与三、与三、与三、与 ICIC 制造相兼容制造相兼容制造相兼容制造相兼容 可以很方便地与控制电路集成在一起，形成微型的智能化可以很方便地与控制电路集成在一起，形成微型的智能化机械系统。机械系统。四、单晶硅有良好的机械性能四、单晶硅有良好的机械性能四、单晶硅有良好的机械性能四、单晶硅有良好的机械性能 单晶硅的弹性系数与破坏应力大体和钢接近，不产生塑性单晶硅的弹性系数与破坏应力大体和钢接近，不产生塑性形变，直到被破坏为止都有弹性。唯一的缺点是比较脆。形变，直到被破坏为止都有弹性。唯一的缺点是比较脆。利用体硅腐蚀技术形成的硅杯、硅膜片和利用体硅腐蚀技术形成的硅杯、硅膜片和 SiO2 悬臂
3、梁悬臂梁 二、表面加工技术二、表面加工技术二、表面加工技术二、表面加工技术 采用与集成电路制造工艺相似的各种标准加工工艺，如薄采用与集成电路制造工艺相似的各种标准加工工艺，如薄膜淀积、光刻等。其中最重要的一种加工技术称为膜淀积、光刻等。其中最重要的一种加工技术称为“表面牺牲表面牺牲层腐蚀技术层腐蚀技术”，可在硅片表面制作可动的机械结构。这种技术可在硅片表面制作可动的机械结构。这种技术利用不同材料在同一腐蚀液中腐蚀速率的巨大差异，将已按一利用不同材料在同一腐蚀液中腐蚀速率的巨大差异，将已按一定形状和顺序叠加在一起的多层薄膜材料中的一层选择性地去定形状和顺序叠加在一起的多层薄膜材料中的一层选择性地
4、去掉，从而得到所需的结构。被去掉的这一层即称为表面牺牲层。掉，从而得到所需的结构。被去掉的这一层即称为表面牺牲层。常用的慢腐蚀材料有常用的慢腐蚀材料有 Si 和和 Poly-Si，牺牲层材料有，牺牲层材料有 CVD SiO2、PSG、Al 和和 PMMA。腐蚀液为。腐蚀液为 HF 溶液。溶液。利用这种技术可制作利用这种技术可制作 Poly-Si 膜片、悬臂梁和轴承等。膜片、悬臂梁和轴承等。淀积与光刻淀积与光刻 PSG-1 与与 Poly-Si-1淀积与光刻淀积与光刻 PSG-2淀积与光刻淀积与光刻 Poly-Si-2腐蚀掉全部腐蚀掉全部 PSG 固定轴（固定轴（Poly-Si-2）旋转臂（旋转
5、臂（Poly-Si-1）加速度计市场是应用加速度计市场是应用 MEMS 的最好范例。许多公司都是从的最好范例。许多公司都是从开发加速度计而进入开发加速度计而进入 MEMS 领域的。领域的。MEMS 加速度计现在已加速度计现在已是成熟商品，并在市场中占绝对的支配地位。是成熟商品，并在市场中占绝对的支配地位。MEMS 加速度计加速度计的一个重要应用是在汽车安全气囊系统中。各公司制作这种加的一个重要应用是在汽车安全气囊系统中。各公司制作这种加速度计的具体工艺各不相同。下图的加速度计是由以体硅腐蚀速度计的具体工艺各不相同。下图的加速度计是由以体硅腐蚀技术加工的多层硅片迭加而成。加速度使硅质量块移动，从
6、而技术加工的多层硅片迭加而成。加速度使硅质量块移动，从而改变应变电阻的值。通过测量电阻值的改变可换算出加速度。改变应变电阻的值。通过测量电阻值的改变可换算出加速度。19.3 应用实例应用实例硅质量块硅质量块应变应变电阻电阻 一、加速度传感器一、加速度传感器 MEMS 较早进入且现已占据支配地位的另一个领域是压力较早进入且现已占据支配地位的另一个领域是压力传感器传感器。压力传感器的工作原理与加速度传感器类似，也是由。压力传感器的工作原理与加速度传感器类似，也是由压力造成的形变使应变电阻值发生改变。与加速度传感器不同压力造成的形变使应变电阻值发生改变。与加速度传感器不同的是，由于质量块需感受压力，
7、因而不能密封。当质量块仅一的是，由于质量块需感受压力，因而不能密封。当质量块仅一侧开放时，称为绝对压力传感器；当质量块两侧均开放时，称侧开放时，称为绝对压力传感器；当质量块两侧均开放时，称为相对压力传感器。下图是一种相对压力传感器的芯片剖面图。为相对压力传感器。下图是一种相对压力传感器的芯片剖面图。应变电阻应变电阻硅膜片硅膜片硅质量块硅质量块玻璃底座玻璃底座 二、压力传感器二、压力传感器 原子力显微镜和原子力显微镜和扫描隧道显微镜的探扫描隧道显微镜的探针几乎都是用针几乎都是用 MEMS 工艺制作的。工艺制作的。要求探要求探针具有很好的形状和针具有很好的形状和非常软的悬挂架，典非常软的悬挂架，典
8、型的探针悬挂材料是型的探针悬挂材料是氮化硅。氮化硅。MEMS 技术技术是满足这一要求的唯是满足这一要求的唯一可行方案。一可行方案。氮化硅氮化硅悬梁悬梁微探针微探针 带电极和信号处理极的微探针可以插入大脑中测量电信号。带电极和信号处理极的微探针可以插入大脑中测量电信号。能够抓住并移动细胞的尖能够抓住并移动细胞的尖 MEMS 手有可能应用于最小的显微外手有可能应用于最小的显微外科手术中，以减少病人的痛苦和缩短伤口愈合时间。科手术中，以减少病人的痛苦和缩短伤口愈合时间。三、微探针三、微探针 四、微活页四、微活页 1988年，美国加州大学首次研制成功硅基微静电马达，转年，美国加州大学首次研制成功硅基微
9、静电马达，转子直径为子直径为 120m，转速为，转速为 600 rpm。这成为。这成为 MEMS 发展史上的发展史上的一个重要里程碑。在这之后，一个重要里程碑。在这之后，MIT 和威斯康星大学研制成功的和威斯康星大学研制成功的硅基微静电马达转速分别达到了硅基微静电马达转速分别达到了 10000 rpm 和和 33000 rpm。转子转子转子转子定子定子AABBCCVAVBVCttt 五、微静电马达五、微静电马达 六、单向阀六、单向阀 由两个单向阀、一个压电动作器和可动膜片可构成微型泵。由两个单向阀、一个压电动作器和可动膜片可构成微型泵。这种泵已可实际使用，但还需改进，如提高压力容限、降低泄这种泵已可实际使用，但还需改进，如提高压力容限、降低泄漏率等。漏率等。压电压电晶体晶体 七、微量流体控制系统中的泵七、微量流体控制系统中的泵