《MEMS與微制造》課件

《MEMS與微制造》課程簡介本課程將深入探討微機電系統(tǒng)（MEMS）和微制造技術(shù)。MEMS是微米級器件，涵蓋傳感器、執(zhí)行器和微型系統(tǒng)。微制造是指在微米尺度上制造微型器件的技術(shù)，包括各種微加工技術(shù)，如光刻、蝕刻和薄膜沉積。ffbyfsadswefadsgsaMEMS技術(shù)的發(fā)展歷程1納米技術(shù)時代21世紀以來2微機電系統(tǒng)時代20世紀80年代至今3微機械加工時代20世紀70年代4集成電路時代20世紀50年代MEMS技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了四個階段，從集成電路時代開始，經(jīng)過微機械加工時代、微機電系統(tǒng)時代，最終發(fā)展到納米技術(shù)時代。每個階段都伴隨著技術(shù)的突破和應(yīng)用領(lǐng)域的擴展。MEMS技術(shù)的基本概念微機電系統(tǒng)MEMS是指將微電子技術(shù)與機械加工技術(shù)相結(jié)合，在微米尺度上制造機械結(jié)構(gòu)、傳感器、執(zhí)行器等器件。微米尺度MEMS器件的尺寸通常在微米到毫米之間，相比傳統(tǒng)器件尺寸更小，重量更輕，功耗更低。集成化MEMS器件通常集成了傳感器、執(zhí)行器、控制電路等多個功能模塊，實現(xiàn)微型化的系統(tǒng)集成。多學科交叉MEMS技術(shù)涉及微電子、材料科學、機械工程、物理、化學等多個學科，是一個多學科交叉的領(lǐng)域。MEMS器件的基本結(jié)構(gòu)微結(jié)構(gòu)MEMS器件通常包含微米級的結(jié)構(gòu)，包括傳感器、執(zhí)行器和電路。傳感器傳感器用于感知外界環(huán)境的物理量，并將其轉(zhuǎn)換為電信號。執(zhí)行器執(zhí)行器根據(jù)電信號，執(zhí)行特定動作，例如移動或控制。電路電路用于處理傳感器信號，控制執(zhí)行器，并與外部系統(tǒng)進行通信。MEMS器件的基本工作原理慣性測量MEMS加速度傳感器利用微機械結(jié)構(gòu)測量加速度，應(yīng)用于智能手機、汽車等領(lǐng)域。壓力感應(yīng)MEMS壓力傳感器通過測量壓力變化引起的微機械結(jié)構(gòu)形變，應(yīng)用于氣壓計、血壓計等。聲學感知MEMS麥克風利用微機械結(jié)構(gòu)感知聲波振動，應(yīng)用于智能手機、語音識別等領(lǐng)域。微流控技術(shù)MEMS微流控技術(shù)利用微機械結(jié)構(gòu)實現(xiàn)精密液體控制，應(yīng)用于藥物研發(fā)、生物檢測等領(lǐng)域。MEMS器件的材料硅硅是MEMS器件中最常用的材料，它具有良好的機械性能、化學穩(wěn)定性和電學性能，而且易于加工。多晶硅多晶硅的機械強度高，適用于制造微型結(jié)構(gòu)，還可作為MEMS器件的傳感和驅(qū)動元件。氮化硅氮化硅具有優(yōu)異的耐高溫性和化學穩(wěn)定性，適合用于制造MEMS器件的保護層和絕緣層。氧化硅氧化硅的介電性能好，可以用作MEMS器件的絕緣層和傳感器材料。MEMS器件的微加工技術(shù)微加工技術(shù)的定義微加工技術(shù)是指在微米甚至納米尺度上對材料進行加工的技術(shù)。它包含了許多不同的工藝，例如薄膜沉積、光刻、腐蝕、刻蝕和封裝。MEMS器件的微加工MEMS器件的微加工技術(shù)是其關(guān)鍵技術(shù)之一，它決定了MEMS器件的性能和功能。薄膜沉積技術(shù)11.物理氣相沉積(PVD)PVD利用物理過程將材料從源轉(zhuǎn)移到基底上，例如濺射和蒸發(fā)。22.化學氣相沉積(CVD)CVD利用化學反應(yīng)在基底上沉積薄膜，例如等離子體增強CVD和原子層沉積。33.溶膠-凝膠法溶膠-凝膠法使用溶液中的前驅(qū)體反應(yīng)生成薄膜，通常用于制備氧化物和氮化物薄膜。44.電化學沉積電化學沉積利用電解反應(yīng)在基底上沉積金屬薄膜，常用于制備銅和金等金屬薄膜。光刻技術(shù)光刻機光刻機是一種使用光束照射掩模板并將圖案轉(zhuǎn)移到硅片上的設(shè)備。它是制造MEMS器件的關(guān)鍵設(shè)備。光刻工藝光刻工藝包括涂覆光刻膠、曝光、顯影和刻蝕等步驟。每個步驟都對最終的圖案精度至關(guān)重要。圖案轉(zhuǎn)移光刻工藝將掩模上的圖案轉(zhuǎn)移到硅片上，從而制造出各種微小的結(jié)構(gòu)。光刻技術(shù)是MEMS器件制造的基礎(chǔ)。濕法腐蝕技術(shù)化學溶液濕法腐蝕使用化學溶液來去除不需要的材料?；瘜W物質(zhì)會選擇性地與特定材料發(fā)生反應(yīng)，從而在材料表面形成蝕刻圖案。圖案轉(zhuǎn)移濕法腐蝕通常在光刻之后進行，光刻工藝將光刻膠圖案轉(zhuǎn)移到材料表面?；瘜W溶液然后通過蝕刻光刻膠暴露的區(qū)域來去除材料?？刂凭葷穹ǜg的精度受多種因素影響，包括化學溶液的濃度、溫度和蝕刻時間。適當?shù)目刂茖τ讷@得精確的蝕刻圖案至關(guān)重要。設(shè)備成本低濕法腐蝕技術(shù)是一種相對簡單的工藝，所需的設(shè)備成本較低。這使得它成為許多MEMS制造應(yīng)用中的一種經(jīng)濟高效的選擇。干法腐蝕技術(shù)定義干法腐蝕是指利用等離子體或反應(yīng)性離子束等氣相物質(zhì)對材料進行刻蝕的技術(shù)。它通常在真空環(huán)境中進行，利用帶電的離子轟擊材料表面，使材料發(fā)生化學反應(yīng)或物理濺射，從而達到刻蝕的目的。優(yōu)勢高精度和高分辨率對材料的損傷較小可控制的刻蝕速率可用于各種材料的刻蝕主要技術(shù)常見的干法腐蝕技術(shù)包括等離子體刻蝕、反應(yīng)性離子刻蝕（RIE）、深反應(yīng)性離子刻蝕（DRIE）等。這些技術(shù)在MEMS器件的微加工過程中得到廣泛應(yīng)用。應(yīng)用場景干法腐蝕技術(shù)主要用于MEMS器件的制造，例如在硅基材料上刻蝕溝槽、制作懸臂梁、形成微孔等。它在微型傳感器、執(zhí)行器、微流體器件等制造中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。離子注入技術(shù)離子束離子注入技術(shù)使用高能離子束將雜質(zhì)原子注入硅片，改變硅片的電學性質(zhì)。能量控制通過控制離子束的能量，可以精確控制注入深度，滿足不同器件的工藝需求。硅片處理離子注入技術(shù)可用于制造各種MEMS器件，例如傳感器和執(zhí)行器。電鍍技術(shù)原理電鍍是利用電解原理，在工件表面沉積一層金屬或合金薄層的工藝。通過外加電流，金屬離子在工件表面析出，形成致密、均勻的鍍層。應(yīng)用電鍍技術(shù)在MEMS制造中用于提高器件的耐腐蝕性、導電性、表面硬度和潤滑性，以及制造微型結(jié)構(gòu)。工藝電鍍工藝包括清洗、活化、電鍍、鈍化等步驟。電鍍參數(shù)如電流密度、電鍍液成分和溫度都會影響鍍層的質(zhì)量。優(yōu)勢電鍍技術(shù)成本相對較低，可以實現(xiàn)高精度和高均勻性的鍍層，并且能夠在復雜形狀的工件表面進行鍍覆。MEMS器件的封裝技術(shù)保護封裝可以保護MEMS器件免受環(huán)境影響，例如灰塵、濕氣和溫度變化。這對于確保器件的可靠性和壽命至關(guān)重要。連接封裝提供了連接點，用于將器件連接到外部電路和系統(tǒng)。這使得器件能夠與其他電子元件進行交互。封裝材料封裝材料的選擇取決于器件的應(yīng)用和要求，常見的封裝材料包括硅、玻璃、陶瓷和塑料。封裝技術(shù)常用的封裝技術(shù)包括表面貼裝技術(shù)（SMT）、芯片級封裝（CSP）、倒裝芯片封裝（Flip-Chip）和系統(tǒng)級封裝（SiP）。MEMS傳感器的種類壓力傳感器壓力傳感器是一種檢測物體表面的壓力的傳感器，可以測量氣體或液體的壓力，比如氣壓、水壓等。壓力傳感器在日常生活和工業(yè)生產(chǎn)中都有著廣泛的應(yīng)用，例如汽車安全氣囊、醫(yī)療設(shè)備、工業(yè)自動化等。加速度傳感器加速度傳感器是一種檢測物體加速度的傳感器，可以測量物體在各個方向上的加速度，例如運動、傾斜、振動等。加速度傳感器在智能手機、游戲手柄、汽車安全系統(tǒng)等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。陀螺儀陀螺儀是一種檢測物體旋轉(zhuǎn)速度和角度的傳感器，可以測量物體在各個方向上的旋轉(zhuǎn)速度和角度，例如方向、旋轉(zhuǎn)、傾斜等。陀螺儀在導航系統(tǒng)、無人機、VR設(shè)備等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。其他傳感器除上述常見的MEMS傳感器外，還有溫度傳感器、濕度傳感器、磁場傳感器等。這些傳感器在不同的領(lǐng)域都有著重要的應(yīng)用，例如溫度傳感器可用于空調(diào)系統(tǒng)、濕度傳感器可用于環(huán)境監(jiān)測等。壓力傳感器絕對壓力傳感器絕對壓力傳感器測量的是絕對壓力，即相對于真空的壓力。此類傳感器廣泛應(yīng)用于航空航天、醫(yī)療和氣象等領(lǐng)域。相對壓力傳感器相對壓力傳感器測量的是相對壓力，即相對于環(huán)境壓力的壓力。此類傳感器常用于工業(yè)自動化、汽車和家用電器等領(lǐng)域。差壓傳感器差壓傳感器測量的是兩個壓力之間的差值。此類傳感器通常用于液位測量、流量測量和氣體泄漏檢測等應(yīng)用。加速度傳感器工作原理加速度傳感器利用慣性質(zhì)量的運動來測量加速度，通過測量微型質(zhì)量塊的位移變化來確定加速度的大小和方向。結(jié)構(gòu)設(shè)計加速度傳感器通常由一個微型質(zhì)量塊、懸臂梁和傳感器元件組成，懸臂梁和傳感器元件通過微型加工技術(shù)制造而成。應(yīng)用場景加速度傳感器廣泛應(yīng)用于汽車安全系統(tǒng)、智能手機、游戲控制器、工業(yè)自動化等領(lǐng)域。測量方向加速度傳感器可以測量三個方向的加速度，包括X軸、Y軸和Z軸，能夠檢測物體在空間中的運動。陀螺儀定義陀螺儀是一種用于測量角速度或角度的傳感器。它由一個旋轉(zhuǎn)的質(zhì)量組成，旋轉(zhuǎn)質(zhì)量的角動量變化與它所受到的力矩成正比。工作原理陀螺儀基于角動量守恒原理，當陀螺儀受到外力矩作用時，其旋轉(zhuǎn)軸的方向會發(fā)生改變，這種變化可以被用來測量角速度或角度。應(yīng)用陀螺儀在許多領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用，包括導航系統(tǒng)、電子穩(wěn)定系統(tǒng)、游戲控制器、虛擬現(xiàn)實設(shè)備等。溫度傳感器熱敏電阻熱敏電阻是利用材料電阻隨溫度變化而變化的特性來測量溫度的傳感器。它的工作原理是基于半導體材料的電阻隨溫度的變化規(guī)律。熱電偶熱電偶是由兩種不同金屬材料組成的，當兩種金屬的接點處溫度發(fā)生變化時，會在回路中產(chǎn)生熱電勢，從而測量溫度。集成溫度傳感器集成溫度傳感器將傳感器元件與信號處理電路集成在同一個芯片上，能夠提供更精確、更穩(wěn)定的溫度測量結(jié)果。濕度傳感器原理濕度傳感器通過測量環(huán)境中水分含量的變化來工作。傳感器通常利用材料對濕度的敏感性來實現(xiàn)測量。例如，電容式濕度傳感器使用對濕度敏感的材料，隨著濕度變化，材料的電容值也會發(fā)生改變。類型電容式電阻式重量式光學式MEMS執(zhí)行器的種類微馬達微馬達是MEMS執(zhí)行器的一種，其尺寸微小，可用于驅(qū)動微型設(shè)備。微馬達通常由電磁場驅(qū)動，并用于各種應(yīng)用，包括醫(yī)療器械和微型機器人。微泵微泵是MEMS執(zhí)行器的一種，用于輸送微量液體。微泵通常由電磁場驅(qū)動，并用于各種應(yīng)用，包括藥物輸送和化學分析。微閥微閥是MEMS執(zhí)行器的一種，用于控制微量流體。微閥通常由電磁場驅(qū)動，并用于各種應(yīng)用，包括微流體系統(tǒng)和化學分析。微馬達定義微馬達是一種微型電機，尺寸通常在毫米或微米范圍內(nèi)。它們利用電磁力或靜電力的原理進行旋轉(zhuǎn)運動。工作原理微馬達的轉(zhuǎn)子通常由磁性材料制成，通過外部磁場或電磁場的相互作用產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，從而驅(qū)動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。應(yīng)用微馬達在各種領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用，例如微型機器人、微流控芯片、生物醫(yī)學設(shè)備等。優(yōu)勢微馬達體積小、重量輕、響應(yīng)速度快，且易于集成到微型系統(tǒng)中。微泵定義微泵是一種微型泵，其尺寸在微米到毫米范圍內(nèi)。微泵利用微型機械結(jié)構(gòu)，通過電磁力、氣壓或其他驅(qū)動方式，將流體從一個地方輸送到另一個地方。工作原理微泵通常通過推動流體或創(chuàng)建壓差來工作，類似于傳統(tǒng)泵的原理。例如，電磁微泵利用電磁場驅(qū)動微型隔膜或振動，從而推動流體移動。微閥結(jié)構(gòu)微閥通常由微型閥體、執(zhí)行器和控制電路組成。微閥的尺寸可以很小，甚至可以達到微米級別。工作原理微閥的工作原理是通過控制流體通道的開關(guān)來調(diào)節(jié)流體的流量或方向。微閥通常使用電信號來控制執(zhí)行器的運動，從而實現(xiàn)對流體的控制。應(yīng)用微閥在微流體系統(tǒng)、生物醫(yī)藥、化學分析和微型機器人等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。微閥可以用于控制流體流量、混合流體或分離流體。MEMS在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用1微創(chuàng)手術(shù)MEMS技術(shù)可以用于制造微型手術(shù)工具，例如微型機器人，可用于進行微創(chuàng)手術(shù)，減少手術(shù)創(chuàng)傷，加快患者恢復。2診斷和監(jiān)測MEMS傳感器可用于制造各種醫(yī)療診斷和監(jiān)測設(shè)備，如血糖儀、血壓計、心電圖儀等，幫助患者進行疾病診斷和健康監(jiān)測。3藥物輸送MEMS技術(shù)可以用于制造微型藥物輸送系統(tǒng)，可實現(xiàn)精確、可控的藥物釋放，提高藥物療效，減少副作用。4組織工程MEMS技術(shù)可以用于制造微型組織工程支架，用于促進細胞生長和組織再生，為患者提供更有效的治療方案。MEMS在消費電子領(lǐng)域的應(yīng)用智能手機MEMS傳感器被廣泛應(yīng)用于智能手機中，例如加速計、陀螺儀、壓力傳感器和數(shù)字羅盤等，為用戶提供更豐富的功能和更流暢的使用體驗?？纱┐髟O(shè)備MEMS傳感器在可穿戴設(shè)備中發(fā)揮著重要作用，例如智能手表、健身追蹤器等，可以幫助用戶監(jiān)測心率、運動軌跡等數(shù)據(jù)，提升健康管理水平。游戲機MEMS傳感器在游戲機中應(yīng)用廣泛，例如體感操控、虛擬現(xiàn)實等，為玩家提供更沉浸式的游戲體驗。智能家居MEMS傳感器在智能家居中也得到廣泛應(yīng)用，例如智能音箱、智能門鎖、智能窗簾等，為用戶提供更加智能化和便捷的生活體驗。MEMS在工業(yè)控制領(lǐng)域的應(yīng)用精密控制MEMS傳感器和執(zhí)行器能夠?qū)崿F(xiàn)對工業(yè)設(shè)備的精確控制，提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。自動化生產(chǎn)MEMS技術(shù)在工業(yè)自動化中發(fā)揮著關(guān)鍵作用，推動了智能制造和工業(yè)4.0的發(fā)展。智能監(jiān)測MEMS傳感器可以實時監(jiān)測工業(yè)設(shè)備運行狀態(tài)，及時發(fā)現(xiàn)故障并進行預警，確保安全生產(chǎn)。優(yōu)化管理基于MEMS技術(shù)的工業(yè)控制系統(tǒng)能夠收集大量數(shù)據(jù)，為優(yōu)化生產(chǎn)流程和資源管理提供支持。MEMS在航天航空領(lǐng)域的應(yīng)用衛(wèi)星MEMS傳感器可以用于衛(wèi)星姿態(tài)控制，導航，遙感等領(lǐng)域。它們體積小，重量輕，功耗低，且性能穩(wěn)定，非常適合應(yīng)用于航天器上。MEMS傳感器還可以用于衛(wèi)星的微推進系統(tǒng)，提高衛(wèi)星的機動能力。飛行器MEMS傳感器可以用于飛機的導航，姿態(tài)控制，氣壓測量，