微電子學(xué)概論第十課課件

微電子學(xué)概論第十課微機(jī)電系統(tǒng)----超越摩爾定律1微電子學(xué)概論第十課微機(jī)電系統(tǒng)12請(qǐng)?jiān)诮虒W(xué)網(wǎng)上下載該文獻(xiàn)。費(fèi)曼預(yù)言了微機(jī)電系統(tǒng)的出現(xiàn)以及它的基本原則。2請(qǐng)?jiān)诮虒W(xué)網(wǎng)上下載該文獻(xiàn)。費(fèi)曼預(yù)言了微機(jī)電系統(tǒng)的出現(xiàn)以及它的提綱什么是MEMSMEMS的制造技術(shù)幾種主要的MEMS器件三維集成—超越摩爾定律3提綱什么是MEMS3“微電子”不僅僅需要微電子4孤獨(dú)的人是可恥的“微電子”不僅僅需要微電子4孤獨(dú)的人是可恥的微電子與真實(shí)世界的交互5智能交通遠(yuǎn)程醫(yī)療航天遙感智能家居智能手機(jī)微電子與真實(shí)世界的交互5智能交通遠(yuǎn)程醫(yī)療航天遙感智能家居智能World感知一切6傳感云計(jì)算核計(jì)算DNA感知DNAI/O計(jì)算DNA感知DNAI/O計(jì)算DNA感知DNAI/O計(jì)算DNA感知DNAI/O計(jì)算DNA感知DNAI/O完美體系猜想一完美體系猜想二感知才是我們存在的證據(jù)和認(rèn)識(shí)世界的唯一途徑。World感知一切6計(jì)算核計(jì)算DNA感知DNAI/O計(jì)算DN智能系統(tǒng)需要感知世界的信號(hào)7重力水空氣溫度光磁場(chǎng)硬度黏度化學(xué)生物聲音情緒智能系統(tǒng)與真實(shí)世界的傳感紐帶：微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)智能系統(tǒng)需要感知世界的信號(hào)7重力水空氣溫度光磁場(chǎng)硬度黏度化學(xué)終極微電子系統(tǒng)8終極微電子系統(tǒng)8什么是微機(jī)電系統(tǒng)MEMS:9Micro-Electro-MechanicalSystemMicro-MachineMicro-SystemMEMSMicro-MachineMicro-System什么是微機(jī)電系統(tǒng)MEMS:9Micro-Electro-Me為什么需要MEMS信息系統(tǒng)不斷追求小型化體積縮小性能和可靠性提高功耗和成本降低系統(tǒng)縮小的主要途徑遵循摩爾定律的IC縮小技術(shù)MEMS用來縮小非IC的部分10為什么需要MEMS信息系統(tǒng)不斷追求小型化10為什么需要MEMS？11ControllerSensorActuator微電子技術(shù)可以縮小控制部分MEMS機(jī)械部分的縮小是整個(gè)系統(tǒng)縮小的瓶頸。為什么需要MEMS？11ControllerSensorAc什么是MEMS？MEMS>IC集成了微傳感器，微執(zhí)行器，信號(hào)處理器，控制器，輸入輸出電路，通訊系統(tǒng)以及電源的系統(tǒng)12Electro-Mechanicalsysteminmicroscopeworld.什么是MEMS？MEMS>IC12Electro-MecMEMS的科學(xué)力學(xué)電子學(xué)化學(xué)光學(xué)物理學(xué)生物學(xué)材料學(xué)13MEMSMEMSisaInterdisciplinarySciencewhichinvolvesmechanics,electronics,chemistry,optics,physics,biology,materialscienceetc.MEMS的科學(xué)力學(xué)電子學(xué)化學(xué)光學(xué)物理學(xué)生物學(xué)材料學(xué)13MEMMEMS的好處尺寸小可將系統(tǒng)縮小智能能夠?qū)⒘Α?、磁和化學(xué)信息轉(zhuǎn)換為電子信號(hào)集成可采用微電子工藝集成在芯片上可靠性安全功耗低綠色環(huán)保14MEMS的好處尺寸小14MEMS的分類機(jī)械加速度計(jì)，陀螺儀，馬達(dá)，機(jī)器人，噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)，泵，揚(yáng)聲器，環(huán)振，閥門，開關(guān)

熱溫度、紅外成像化學(xué)酸堿傳感器，成分傳感器，濃度傳感器光鏡面，光柵，通訊，CCD生物生命探測(cè)器，機(jī)器人，智能注射器，DNA芯片15MEMS的分類機(jī)械15世界第一支靜電加速度計(jì)16ADI制造世界第一支靜電加速度計(jì)16ADI制造固態(tài)硅微衛(wèi)星17固態(tài)硅微衛(wèi)星17微馬達(dá)18微馬達(dá)18MEMS的挑戰(zhàn)19SurfacetensionMEMS微觀世界中物理法則MEMS的挑戰(zhàn)19SurfacetensionMEMS微觀MEMS的挑戰(zhàn)20微加工高深寬比刻蝕深谷MEMS的挑戰(zhàn)20微加工高深寬比刻蝕深谷MEMS的挑戰(zhàn)21系統(tǒng)設(shè)計(jì)和集成sensorControllerExecutionIntegratedSystemMEMS的挑戰(zhàn)21系統(tǒng)設(shè)計(jì)和集成sensorControllMEMS制造技術(shù)22MEMS制造技術(shù)2223MEMS巨型機(jī)械制造小型機(jī)械；小型機(jī)械制造微機(jī)械（日本）微電子半導(dǎo)體加工工藝紫外光刻微電鑄模制造技術(shù)（德國(guó)）微機(jī)械LIGA自頂向下自底向上23MEMS巨型機(jī)械制造小型機(jī)械；微電子半導(dǎo)體加工工藝紫外光LIGA工藝24LIGA工藝24MEMS工藝鍵合25各向異性腐蝕深槽刻蝕MEMS工藝鍵合25各向異性腐蝕深槽刻蝕未來3DIC的CMOS-MEMS集成技術(shù)犧牲層技術(shù)獨(dú)立的MEMS系統(tǒng)很高的傳感靈敏度較低的寄生效應(yīng)體積小封裝簡(jiǎn)單復(fù)雜的制造過程缺少兼容的材料26ICfirstICandMEMSmixedMEMSfirst未來3DIC的CMOS-MEMS集成技術(shù)犧牲層技術(shù)26ICMEMS器件27MEMS器件27非常重要的幾類MEMS器件慣性傳感器加速度計(jì)陀螺儀壓力傳感器光學(xué)MEMS傳感器微光開關(guān)微光學(xué)臺(tái)面微執(zhí)行器微噴管微馬達(dá)生物MEMS器件28非常重要的幾類MEMS器件慣性傳感器28電容式加速度計(jì)29電容式加速度計(jì)29電容式加速度計(jì)（放大圖）30電容式加速度計(jì)（放大圖）30微鏡面31微鏡面31微光柵32微光柵32微透鏡33微透鏡33微型光學(xué)臺(tái)面34微型光學(xué)臺(tái)面34微光開光351x4opticalswitch1x8opticalswitch微光開光351x4opticalswitch1x8op便攜式化學(xué)傳感器36便攜式化學(xué)傳感器36微馬達(dá)37微馬達(dá)37微型噴嘴38美國(guó)噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室(JPL)展示的采用MEMS技術(shù)的電阻電熱式微推進(jìn)器樣機(jī)（液體氣化方式）。微推進(jìn)器由薄膜加熱器、微型噴口等組成。其性能目標(biāo)為：比沖75～125s，推力0.5mN，功率<5W，效率≥50%，質(zhì)量為幾克，大小為1cm2。微型噴嘴38美國(guó)噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室(JPL)展示的采用MEMS技微型噴嘴39美國(guó)噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室(JPL)展示的采用MEMS技術(shù)的電阻電熱式微推進(jìn)器樣機(jī)(固體升華方式)。微推進(jìn)器由推進(jìn)劑存貯箱、微閥、微過濾器、微型噴口等組成，微型噴口利用MEMS技術(shù)中的體硅工藝制作。其性能目標(biāo)為：比沖50～75s，推力0.5mN，功率<2W/mN，質(zhì)量為幾克，大小為1cm2。微型噴嘴39美國(guó)噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室(JPL)展示的采用MEMS技微型噴嘴40組成:由5到6片芯片疊在一起，內(nèi)有混合燃燒室、噴口噴管、兩個(gè)泵和兩個(gè)閥以及冷卻管道的多器件集成系統(tǒng)。用液態(tài)氧和乙醇作燃料性能：能產(chǎn)生15N的推力，推力重量比達(dá)1500:1，是大火箭推進(jìn)器的10~100倍，反映了微系統(tǒng)的潛力新概念的微型雙組元火箭發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)圖微型噴嘴40組成:由5到6片芯片疊在一起，內(nèi)有混合燃燒室3DIC–超越摩爾定律41怎樣將MEMS和其他非電子系統(tǒng)以及復(fù)雜電子系統(tǒng)在一個(gè)三維的芯片中集成？3DIC–超越摩爾定律41怎樣將MEMS和其他非電子系二維平面上的摩爾定律420.7XnodeXnodelogicmemoryanalogRFScalingdown?SoCHighervalue二維平面上的摩爾定律420.7XnodeXnodelog三維空間上的摩爾定律4332nm技術(shù)22nm65nm90nmlogicmemoryanalogRFSoCSiPMEMSmemorySysteminPackageSystemonchipHigherhighervalue三維空間上的摩爾定律4332nm技術(shù)22nm65nm90nm超越摩爾定律44MEMS超越摩爾定律44MEMS3DIC技術(shù)的類型453DIC技術(shù)的類型45基本結(jié)構(gòu)46基本結(jié)構(gòu)46TSV（深硅通孔）工藝47TSV（深硅通孔）工藝47TSV3DIC技術(shù)的挑戰(zhàn)成本TSV制造技術(shù)的成本較高散熱垂直和水平方向的散熱通道設(shè)計(jì)

可靠性應(yīng)力，電遷移，熱退化供應(yīng)鏈誰來做TSV？誰需要TSV？48TSV3DIC技術(shù)的挑戰(zhàn)成本48微電子系統(tǒng)的未來49MEMSCMOSSolarCellFlexibleelectronicsBio-ChipAllinSiRFStorageMemory微電子系統(tǒng)的未來49MEMSCMOSSolarCellFl小結(jié)MEMS是微電子系統(tǒng)與外界互動(dòng)的紐帶，是一種微型化和集成化的機(jī)械系統(tǒng)。信息系統(tǒng)縮小的最終瓶頸在于MEMS的尺寸.三維IC技術(shù)可以在第三維度上集成不同的芯片，從而擴(kuò)展系統(tǒng)的功能，繼續(xù)維持摩爾定律。TSV是三維IC技術(shù)的關(guān)鍵。全硅集成也許是將來微電子發(fā)展的終極形態(tài)。50小結(jié)MEMS是微電子系統(tǒng)與外界互動(dòng)的紐帶，是一種微型化和集成作業(yè)請(qǐng)解釋什么是MEMS，并請(qǐng)談?wù)勀阏J(rèn)為什么樣的機(jī)械可以集成到硅芯片上，帶來什么樣的好處？給出一到二個(gè)例子。51作業(yè)請(qǐng)解釋什么是MEMS，并請(qǐng)談?wù)勀阏J(rèn)為什么樣的機(jī)械可以集成微電子學(xué)概論第十課微機(jī)電系統(tǒng)----超越摩爾定律52微電子學(xué)概論第十課微機(jī)電系統(tǒng)153請(qǐng)?jiān)诮虒W(xué)網(wǎng)上下載該文獻(xiàn)。費(fèi)曼預(yù)言了微機(jī)電系統(tǒng)的出現(xiàn)以及它的基本原則。2請(qǐng)?jiān)诮虒W(xué)網(wǎng)上下載該文獻(xiàn)。費(fèi)曼預(yù)言了微機(jī)電系統(tǒng)的出現(xiàn)以及它的提綱什么是MEMSMEMS的制造技術(shù)幾種主要的MEMS器件三維集成—超越摩爾定律54提綱什么是MEMS3“微電子”不僅僅需要微電子55孤獨(dú)的人是可恥的“微電子”不僅僅需要微電子4孤獨(dú)的人是可恥的微電子與真實(shí)世界的交互56智能交通遠(yuǎn)程醫(yī)療航天遙感智能家居智能手機(jī)微電子與真實(shí)世界的交互5智能交通遠(yuǎn)程醫(yī)療航天遙感智能家居智能World感知一切57傳感云計(jì)算核計(jì)算DNA感知DNAI/O計(jì)算DNA感知DNAI/O計(jì)算DNA感知DNAI/O計(jì)算DNA感知DNAI/O計(jì)算DNA感知DNAI/O完美體系猜想一完美體系猜想二感知才是我們存在的證據(jù)和認(rèn)識(shí)世界的唯一途徑。World感知一切6計(jì)算核計(jì)算DNA感知DNAI/O計(jì)算DN智能系統(tǒng)需要感知世界的信號(hào)58重力水空氣溫度光磁場(chǎng)硬度黏度化學(xué)生物聲音情緒智能系統(tǒng)與真實(shí)世界的傳感紐帶：微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)智能系統(tǒng)需要感知世界的信號(hào)7重力水空氣溫度光磁場(chǎng)硬度黏度化學(xué)終極微電子系統(tǒng)59終極微電子系統(tǒng)8什么是微機(jī)電系統(tǒng)MEMS:60Micro-Electro-MechanicalSystemMicro-MachineMicro-SystemMEMSMicro-MachineMicro-System什么是微機(jī)電系統(tǒng)MEMS:9Micro-Electro-Me為什么需要MEMS信息系統(tǒng)不斷追求小型化體積縮小性能和可靠性提高功耗和成本降低系統(tǒng)縮小的主要途徑遵循摩爾定律的IC縮小技術(shù)MEMS用來縮小非IC的部分61為什么需要MEMS信息系統(tǒng)不斷追求小型化10為什么需要MEMS？62ControllerSensorActuator微電子技術(shù)可以縮小控制部分MEMS機(jī)械部分的縮小是整個(gè)系統(tǒng)縮小的瓶頸。為什么需要MEMS？11ControllerSensorAc什么是MEMS？MEMS>IC集成了微傳感器，微執(zhí)行器，信號(hào)處理器，控制器，輸入輸出電路，通訊系統(tǒng)以及電源的系統(tǒng)63Electro-Mechanicalsysteminmicroscopeworld.什么是MEMS？MEMS>IC12Electro-MecMEMS的科學(xué)力學(xué)電子學(xué)化學(xué)光學(xué)物理學(xué)生物學(xué)材料學(xué)64MEMSMEMSisaInterdisciplinarySciencewhichinvolvesmechanics,electronics,chemistry,optics,physics,biology,materialscienceetc.MEMS的科學(xué)力學(xué)電子學(xué)化學(xué)光學(xué)物理學(xué)生物學(xué)材料學(xué)13MEMMEMS的好處尺寸小可將系統(tǒng)縮小智能能夠?qū)⒘Α?、磁和化學(xué)信息轉(zhuǎn)換為電子信號(hào)集成可采用微電子工藝集成在芯片上可靠性安全功耗低綠色環(huán)保65MEMS的好處尺寸小14MEMS的分類機(jī)械加速度計(jì)，陀螺儀，馬達(dá)，機(jī)器人，噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)，泵，揚(yáng)聲器，環(huán)振，閥門，開關(guān)

熱溫度、紅外成像化學(xué)酸堿傳感器，成分傳感器，濃度傳感器光鏡面，光柵，通訊，CCD生物生命探測(cè)器，機(jī)器人，智能注射器，DNA芯片66MEMS的分類機(jī)械15世界第一支靜電加速度計(jì)67ADI制造世界第一支靜電加速度計(jì)16ADI制造固態(tài)硅微衛(wèi)星68固態(tài)硅微衛(wèi)星17微馬達(dá)69微馬達(dá)18MEMS的挑戰(zhàn)70SurfacetensionMEMS微觀世界中物理法則MEMS的挑戰(zhàn)19SurfacetensionMEMS微觀MEMS的挑戰(zhàn)71微加工高深寬比刻蝕深谷MEMS的挑戰(zhàn)20微加工高深寬比刻蝕深谷MEMS的挑戰(zhàn)72系統(tǒng)設(shè)計(jì)和集成sensorControllerExecutionIntegratedSystemMEMS的挑戰(zhàn)21系統(tǒng)設(shè)計(jì)和集成sensorControllMEMS制造技術(shù)73MEMS制造技術(shù)2274MEMS巨型機(jī)械制造小型機(jī)械；小型機(jī)械制造微機(jī)械（日本）微電子半導(dǎo)體加工工藝紫外光刻微電鑄模制造技術(shù)（德國(guó)）微機(jī)械LIGA自頂向下自底向上23MEMS巨型機(jī)械制造小型機(jī)械；微電子半導(dǎo)體加工工藝紫外光LIGA工藝75LIGA工藝24MEMS工藝鍵合76各向異性腐蝕深槽刻蝕MEMS工藝鍵合25各向異性腐蝕深槽刻蝕未來3DIC的CMOS-MEMS集成技術(shù)犧牲層技術(shù)獨(dú)立的MEMS系統(tǒng)很高的傳感靈敏度較低的寄生效應(yīng)體積小封裝簡(jiǎn)單復(fù)雜的制造過程缺少兼容的材料77ICfirstICandMEMSmixedMEMSfirst未來3DIC的CMOS-MEMS集成技術(shù)犧牲層技術(shù)26ICMEMS器件78MEMS器件27非常重要的幾類MEMS器件慣性傳感器加速度計(jì)陀螺儀壓力傳感器光學(xué)MEMS傳感器微光開關(guān)微光學(xué)臺(tái)面微執(zhí)行器微噴管微馬達(dá)生物MEMS器件79非常重要的幾類MEMS器件慣性傳感器28電容式加速度計(jì)80電容式加速度計(jì)29電容式加速度計(jì)（放大圖）81電容式加速度計(jì)（放大圖）30微鏡面82微鏡面31微光柵83微光柵32微透鏡84微透鏡33微型光學(xué)臺(tái)面85微型光學(xué)臺(tái)面34微光開光861x4opticalswitch1x8opticalswitch微光開光351x4opticalswitch1x8op便攜式化學(xué)傳感器87便攜式化學(xué)傳感器36微馬達(dá)88微馬達(dá)37微型噴嘴89美國(guó)噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室(JPL)展示的采用MEMS技術(shù)的電阻電熱式微推進(jìn)器樣機(jī)（液體氣化方式）。微推進(jìn)器由薄膜加熱器、微型噴口等組成。其性能目標(biāo)為：比沖75～125s，推力0.5mN，功率<5W，效率≥50%，質(zhì)量為幾克，大小為1cm2。微型噴嘴38美國(guó)噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室(JPL)展示的采用MEMS技微型噴嘴90美國(guó)噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室(JPL)展示的采用MEMS技術(shù)的電阻電熱式微推進(jìn)器樣機(jī)(固體升華方式)。微推進(jìn)器由推進(jìn)劑存貯箱、微閥、微過濾器、微型噴口等組成，微型噴口利用MEMS技術(shù)中的體硅工藝制作。其性能目標(biāo)為：比沖50～75s，推力0.5mN，功率<2W/mN，質(zhì)量為幾克，大小為1cm2。微型噴嘴39美國(guó)噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室(JPL)展示的采用MEMS技微型噴嘴91組成:由5到6片芯片疊在一起，內(nèi)有混合燃燒室、噴口噴管、兩個(gè)泵和兩個(gè)閥以及冷卻管道的多器件集成系統(tǒng)。用液態(tài)氧和乙醇作燃料性能：能產(chǎn)生15N的推力，推力重量比達(dá)1500:1，是大火箭推進(jìn)器的10~100倍，反映了微系統(tǒng)的潛力新概念的微型雙組元火箭發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)圖微型噴嘴40組成:由5到6片芯片疊在一起，內(nèi)有混合燃燒室3DIC–超越摩爾定律92怎樣將MEMS和其他非電子系統(tǒng)以及復(fù)雜電子系統(tǒng)在一個(gè)三維的芯片中集成？3DIC–超越摩爾定律41怎樣將MEMS和其他非電子系二維平面上的摩爾定律930.7XnodeXnodelogicmemoryanalogRFScalingdown?S