MEMS設(shè)計(jì)技術(shù)課件

1、MEMS設(shè)計(jì)電話mail: 主講人：杜 西 亮課程簡(jiǎn)介 MEMS是英文micro electro mechanical system的縮寫(xiě)，譯作微電子機(jī)械系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱為微機(jī)電系統(tǒng)。顧名思義，MEMS是由微機(jī)械和微電子線路組成的微系統(tǒng)。它是從20世紀(jì)80年代發(fā)展起來(lái)的一種綜合性的技術(shù)。微機(jī)電系統(tǒng)，在歐美稱為MEMS，在日本通常稱之為稱為微機(jī)械(micromachining)。 MEMS被認(rèn)為是微電子技術(shù)的又一次革命，對(duì)21世紀(jì)的科學(xué)技術(shù)、生產(chǎn)方式和人類生活質(zhì)量都會(huì)有深遠(yuǎn)的影響。 通常，開(kāi)發(fā)一個(gè)新的MEMS產(chǎn)品需要5年時(shí)間，這個(gè)產(chǎn)品進(jìn)入市場(chǎng)還要一個(gè)5年時(shí)間。計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(

2、CAD)軟件包可以大大縮短開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)周期。 本課程主要介紹美國(guó)IntelliSense公司開(kāi)發(fā)的MEMS CAD軟件IntelliSuite6.3，學(xué)習(xí)如何利用它在硅片上設(shè)計(jì)微傳感器、微執(zhí)行器以及進(jìn)行模擬仿真。l 教材及主要參考文獻(xiàn)1.IntelliSuite CAD of MEMS美國(guó)Intellisense公司. 2002年.2.MEMS和微系統(tǒng)設(shè)計(jì)與制造，徐泰然著. 機(jī)械工業(yè)出版社，2003. 3.微傳感器和微執(zhí)行器，戈雷戈里.科學(xué)出版社，2003. 第1章 緒 論主要內(nèi)容： 1.1 MEMS定義 1.2 典型MEMS產(chǎn)品 1.3 MEMS所涉及的技術(shù)領(lǐng)域及應(yīng)用領(lǐng)域 1.4 MEMS和微

3、電子之間的聯(lián)系 1.5 微系統(tǒng)加工工藝與微制造技術(shù) 1.6 MEMS計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)1.1 MEMS定義 MEMS是英文micro electro mechanical system的縮寫(xiě)，譯作微電子機(jī)械系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱為微機(jī)電系統(tǒng)。顧名思義，MEMS是由微機(jī)械和微電子線路組成的微系統(tǒng)。它是從20世紀(jì)80年代發(fā)展起來(lái)的一種綜合性的技術(shù)。 對(duì)于微機(jī)電系統(tǒng)，目前國(guó)際上還沒(méi)有比較統(tǒng)一的定義，國(guó)內(nèi)一般定義為：微機(jī)電系統(tǒng)是在微電子技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)微機(jī)電系統(tǒng)是在微電子技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，融合了硅、非硅微加工和精密機(jī)械加工技術(shù)制作的，包括的，融合了硅、非硅微加工和精密機(jī)械加工技術(shù)制作的，包括微傳感器、微執(zhí)行

4、器和微傳感器、微執(zhí)行器和微能源等微機(jī)械基本部分以及高性能的微能源等微機(jī)械基本部分以及高性能的電子集成線路電子集成線路組成的組成的微機(jī)電器件與裝置微機(jī)電器件與裝置。微機(jī)電系統(tǒng)將信息獲取、處理和執(zhí)行一體化地集成在一個(gè)器件上。從加工及應(yīng)用的角度來(lái)看，微機(jī)電系統(tǒng)是指采用微機(jī)械加工技術(shù)可以批量制作的、集微傳感器感器、微機(jī)構(gòu)、微執(zhí)行器以及信號(hào)處理和控制電路、接口、通信等模塊于一體（一般為硅襯底材料）的微型器件或微型系統(tǒng)。化學(xué)化學(xué)其它其它傳傳感感器器力力熱熱磁磁光光模擬信號(hào)模擬信號(hào)處處 理理數(shù)字信號(hào)數(shù)字信號(hào)處處 理理模擬信號(hào)模擬信號(hào)處處 理理與其它系統(tǒng)的通訊與其它系統(tǒng)的通訊/接口接口感應(yīng)量感應(yīng)量控制量控制量

5、能能 量量運(yùn)運(yùn) 動(dòng)動(dòng)狀態(tài)狀態(tài)信息信息執(zhí)執(zhí)行行器器典型的MEMS系統(tǒng)與外部世界相互作用的示意圖 MEMS的研究公認(rèn)自20世紀(jì)80年代開(kāi)始。1987年，美國(guó)加州大學(xué)伯克利實(shí)驗(yàn)室首次做出直徑100m、60m的微電機(jī)，引起國(guó)際學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的高度重視。1989年的MEMS國(guó)際會(huì)議上一致認(rèn)為，用微電子技術(shù)制造微機(jī)電系統(tǒng)是一項(xiàng)嶄新的技術(shù)。 MEMS具有的共同特點(diǎn)是：尺寸?。?m-1mm）、重量輕、性能穩(wěn)定、功耗低、諧振頻率高、響應(yīng)時(shí)間短、易于大批量生產(chǎn)、生產(chǎn)成本低、產(chǎn)品易于更新?lián)Q代、比大尺寸設(shè)備更可靠。微壓力傳感器封裝后產(chǎn)品利用靜電致動(dòng)的MEMSAnalog Devices公司的ADXL276/250微加

6、速度傳感器 汽車氣囊展開(kāi)系統(tǒng)智能慣性傳感器1- 微齒輪 1.2 典型MEMS產(chǎn)品 2- 微馬達(dá) 3- 微渦輪 4- 微光學(xué)器件( 朗訊1X2 MEMS光開(kāi)關(guān) )MEMS所涉及的技術(shù)領(lǐng)域1.3 MEMS所涉及的技術(shù)領(lǐng)域及應(yīng)用領(lǐng)域 MEMS涉及力學(xué)、材料、電學(xué)、光學(xué)、熱學(xué)、機(jī)械、生物、 化學(xué)等學(xué)科，是這些學(xué)科前沿的綜合。MEMS的應(yīng)用信息業(yè)、航空、航天業(yè)、醫(yī)療、生物技術(shù)及環(huán)境科學(xué)等領(lǐng)域。1.4 MEMS和微電子之間的聯(lián)系 微電子是20世紀(jì)最有影響力的技術(shù)之一。沒(méi)有微電子技術(shù)的成熟，近年來(lái)微機(jī)電系統(tǒng)工業(yè)的繁榮是不可能的。事實(shí)上，當(dāng)前MEMS領(lǐng)域里的很多工程師和科學(xué)家也都是微電子領(lǐng)域的專家，正如這兩個(gè)

7、領(lǐng)域共享很多關(guān)鍵技術(shù)一樣。然而過(guò)分地強(qiáng)調(diào)這兩個(gè)技術(shù)的相似性不僅不準(zhǔn)確，而且會(huì)嚴(yán)重阻礙微系統(tǒng)發(fā)展的腳步。在設(shè)計(jì)和封裝上，微系統(tǒng)與集成電路及微電子都有非常大的差異。工程師承認(rèn)這些差異并有針對(duì)性的開(kāi)發(fā)必需術(shù)的方法和技術(shù)是必不可少的。 兩者之間部分顯著的差異如下： 1相對(duì)微電子，微系統(tǒng)包括很多不同的材料。除了常用的硅材料，還有其他材料，例如石英、CaAs，作為微系統(tǒng)的基底材料。在利用LIGA工藝制作的微系統(tǒng)中，聚合物和金屬材料是很常用的。微系統(tǒng)的封裝材料包括玻璃、塑料和金屬，而微電子的封裝不用這些。 2相對(duì)微電子，微系統(tǒng)設(shè)計(jì)要面向大量的各種各樣的功能，而微電子限定于電子功能設(shè)計(jì)。 3很多微系統(tǒng)包括可動(dòng)

8、部分，例如微型閥、泵和齒輪。而微電子沒(méi)有任何可動(dòng)部件，或者流體或光發(fā)生關(guān)系。 4. 集成電路主要是兩維結(jié)構(gòu)，被限制在硅芯片表面。然而大部分微系統(tǒng)包括復(fù)雜的三維幾何圖形。 5. 微電產(chǎn)中的集成電路在封裝后與環(huán)境絕緣。然而，微系統(tǒng)中的敏感元件和一些核心元件需要與工作介質(zhì)接觸，這導(dǎo)致一些設(shè)計(jì)和封裝中的技術(shù)問(wèn)題。 6. 微電子的制造和封裝是成熟的技術(shù)，有規(guī)范成文的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。微系統(tǒng)的生產(chǎn)與這種成熟程度還有非常大的距離。1.5.1 微加工工藝（1）光刻（2）擴(kuò)散（3）離子注入（4）氧化（5）化學(xué)氣相淀積（6）物理氣相淀積（7）外延（8）腐蝕1.5 微系統(tǒng)加工工藝與微制造技術(shù) 光刻光刻工藝是利用光成像和光敏

9、膠膜在基底上圖形化。光刻是微細(xì)加工中最重要的步驟。它也許是目前唯一可在基底上制作亞微米精度圖形的技術(shù)。在微電子方面，圖形化對(duì)于集成電路中的p-n結(jié)、二極管、電容器等都是必需的。然而，在微系統(tǒng)方面，光刻主要用來(lái)作掩模版、體硅工藝的空腔腐蝕、表面工藝中犧牲層薄膜的沉積和腐蝕以及傳感器和致動(dòng)器初級(jí)電信號(hào)處理電路的圖形化處理。光刻的一般步驟基底的擴(kuò)散摻雜基底上的離子注入二氧化硅的熱氧化設(shè)備 PECVD設(shè)備 濺射工藝外延淀積反應(yīng)器1.5.2 微制造技術(shù)（1）硅基MEMS技術(shù) 以硅為基礎(chǔ)的微機(jī)械加工工藝往往歸納為兩大類，即表面微加工技術(shù)(Surface Micromachining)和體微加工技術(shù)(Bul

10、k Micromachining)。 表面微加工技術(shù)是把MEMS的“機(jī)械”(運(yùn)動(dòng)或傳感)部分制作在沉積于硅晶體的表面膜上，然后使其局部與硅體部分分離，呈現(xiàn)可運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)。 硅體機(jī)械加工最為常用的是利用硅腐蝕的各向異性，用此技術(shù)已經(jīng)制作出硅微泵等MEMS器件。磷硅酸鹽玻璃（PSG）（2）LIGA技術(shù) LIGA是3個(gè)德文單詞的縮寫(xiě)，即平版印刷、電鍍、澆鑄。LIGA技術(shù)最早是1982年由前西德提出的，隨后得到不斷的完善，成為開(kāi)展MEMS領(lǐng)域研究的重要技術(shù)。如下圖所示，該方法類似于機(jī)械零件加工的鑄造工藝，采用對(duì)X射線敏感的光刻膠，首先在導(dǎo)電材料(一般是金屬)表面制備很厚的光刻膠(圖a)，通過(guò)X射線深曝光

11、和顯影，在光刻膠層上形成微型、精密的型模（圖b)。然后用精密電鍍工藝取代熔融澆鑄(圖c)，去掉光刻膠后，即形成金屬材料的微機(jī)械元件(圖d)；該元件可以是最終的產(chǎn)品，也可作為模具進(jìn)人下一道工序澆鑄所需要的材料，如塑料(圖e)，從而得到最終所需要的結(jié)構(gòu)(圖f)。LIGA技術(shù)是進(jìn)行非硅材料三維立體微細(xì)加工的首選工藝。目前加工深度可達(dá)300500 mm，加工寬度可小至1m，高的深寬比有利于提高執(zhí)行器的性能。 MEMS CAD軟件包可以幫助設(shè)計(jì)工程師很快地核定設(shè)計(jì)改變?cè)斐傻挠绊?，評(píng)測(cè)制造能力及產(chǎn)品的產(chǎn)量。很多CAD程序包的實(shí)體模型和動(dòng)畫(huà)制作性能能為設(shè)計(jì)工程師提供虛擬原型，具有仿真實(shí)際產(chǎn)品所希望功能的性能

12、。利用MEMS CAD 可以大大縮短開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)周期。1.6 MEMS計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì) 1.Conventorware Conventor是最早從事MEMS CAD研究與開(kāi)發(fā)的軟件公司，其創(chuàng)始人Stephen D.Senturia是麻省理工學(xué)院（MIT）著名的MEMS專家，其個(gè)人專著Microsystem design全面地闡述了微系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，為MEMS設(shè)計(jì)人員提供了寶貴資料。 Conventor公司在原有的MEMCAD軟件基礎(chǔ)上針對(duì)MEMS的整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程提出了一整套完整的解決方案提出了，CoventorWare軟件采用全新的top-down設(shè)計(jì)方法，以期實(shí)現(xiàn)快速地進(jìn)行MEMS設(shè)計(jì)。 軟件由四大部

13、分組成：ARCHITECT、BUILDER、DESIGNER、ANALYZER，擁有幾十個(gè)專業(yè)模塊。其功能覆蓋設(shè)計(jì)、工藝、器件級(jí)有限元及邊界元分析仿真、微流體分析、多物理場(chǎng)耦合分析、MEMS系統(tǒng)級(jí)仿真等各個(gè)領(lǐng)域。 2. IntelliSuite IntelliSuite是由美國(guó)IntelliSense公司創(chuàng)造的全球第一個(gè)MEMS專業(yè)設(shè)計(jì)與模擬仿真軟件。軟件模塊包括版圖建模、材料特性、工藝、各向同性和各向異性腐蝕模擬仿真、多物理場(chǎng)量（電、機(jī)械、熱、磁等）耦合分析（包括線性、非線性分析，靜態(tài)、動(dòng)態(tài)分析等）以及系統(tǒng)級(jí)分析。提供從概念設(shè)計(jì)到產(chǎn)品制造的MEMS解決方案?？蛇M(jìn)行多物理量的分析，其模擬和分析

14、模塊使用戶無(wú)須進(jìn)入實(shí)際生產(chǎn)即可評(píng)估所設(shè)計(jì)器件的工藝可行性和工作性能。它的突出特點(diǎn)是將著名的開(kāi)發(fā)工具與先進(jìn)的流水相結(jié)合，使MEMS產(chǎn)品迅速走向市場(chǎng)。 3.MEMS Pro MEMS CAP公司的MEMS Pro提供掩模版圖自動(dòng)化設(shè)計(jì)、設(shè)計(jì)規(guī)則驗(yàn)證、三維幾何實(shí)體生成。此外，MEMS Pro與ANSYS公司合作實(shí)現(xiàn)了ANSYS的3D模型與MEMS Pro的系統(tǒng)級(jí)和掩膜工具的連接，從而溝通了掩膜和加工工藝描述數(shù)據(jù)與3D建模和分析之間的數(shù)據(jù)傳遞。該軟件具有系統(tǒng)級(jí)、器件級(jí)、工藝級(jí)等設(shè)計(jì)模塊。 MEMS Pro為工程設(shè)計(jì)中普通MEMS設(shè)計(jì)者和MEMS專家提供考慮MEMS和IC混合作用的、在Windows操作

15、系統(tǒng)下的設(shè)計(jì)環(huán)境。MEMS Pro 是一個(gè)用戶化的易于使用的平臺(tái)，還可以根據(jù)某個(gè)廠家的制造工藝進(jìn)行工藝處理定義。MEMS Pro有兩個(gè)版本幫助你迅速可靠地占領(lǐng)MEMS相關(guān)產(chǎn)品的市場(chǎng)。本課程介紹的IntelliSuite 6.3包括如下九個(gè)模塊：1. 3D Builder （Interactively build 3D model） 三維模型的 構(gòu)造2. AnisE (Simulate anisotropic etch process) 模擬各向異性腐蝕過(guò)程3. Electromechanical (Electromechanical Analysis ) 電動(dòng)機(jī)械分析4. Electrosta

16、tic (Electrostatic analysis) 靜電學(xué)分析5. IntelliFab (Simulate MEMS manufacturing process) 模擬MEMS過(guò)程6. IntelliMask ( Construat mask ) 建立掩膜7. Mechanical ( Mechanical and thermal analysis) 機(jī)械和熱分析8. MEMaterial ( Simulate and model MEMS materials) MEMS材料的模型和模擬9. Microfluidic ( Microfluidic analysis) 微流體分析2.1

17、3D Builder的啟動(dòng)方式 1.直接啟動(dòng) 點(diǎn)擊開(kāi)始（Start）程序（Programs） IntelliSuite 3D Builder 2. 間接啟動(dòng) 從ElectroMechanical模塊、Electrostatic模塊、Mechanical模塊、Microfluidic Analysis模塊中啟動(dòng)3D Builder模塊。 3. 3D Builder文檔啟動(dòng)第二章 3D Builder 2.2 3D Builder的操作界面及操作方式 1.二維窗口區(qū)域 2.三維窗口區(qū)域 3.下拉菜單 4.層窗口區(qū)域 5.實(shí)體窗口區(qū)域 基本操作介紹 File View Drawing Element

18、 Control Windows Help Refine mesh （精煉，細(xì)化） 1. Multiple Slices (多片) 2. Spider web (蜘蛛網(wǎng)) 3. Corner frame (角框架) 4. Zipper(拉鏈) 例1.采用 3D Builder 設(shè)計(jì)制作如下圖所示的C型硅杯的結(jié)構(gòu)。 圖圖1 C1 C型硅杯結(jié)構(gòu)型硅杯結(jié)構(gòu)微壓力傳感器的典型封裝圖圖2 2 網(wǎng)格劃分后的網(wǎng)格劃分后的C C型硅杯內(nèi)部結(jié)構(gòu)型硅杯內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖圖3 3 網(wǎng)格劃分后的網(wǎng)格劃分后的C C型型硅杯表面硅杯表面例例2. 2. 采用采用3D Builder 3D Builder 設(shè)計(jì)制作如下圖所示的懸臂梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)制作如下圖所示的懸臂梁結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)。本題設(shè)計(jì)的懸臂梁在第六章本題設(shè)計(jì)的懸臂梁在第六章MechanicalMechanical中將用于分中將用于分析懸臂梁的力學(xué)特性、溫度特性等。析懸臂梁的力學(xué)特性、溫度特性等。 (a)背面示意圖背面示意圖（b）正面示意圖）正面示意圖圖圖4 4 懸臂梁懸臂梁補(bǔ)充一補(bǔ)充一: : 圖圖5. 正面正面圖圖6. 背面背面Fig7. 線圈線圈Fig8. 線圈線圈補(bǔ)充二補(bǔ)充二: :電感線圈電感線圈 多匝方形平面電感線