3、MEMS的发展
✓20世纪60年代-，集成电路制造工艺，CD目前已达45nm， 在1mm2内有若干个G以上容量的单元电路 ✓体微加工、深槽加工技术发展，形成MEMS制造技术。典 型代表： 德国LIGA 技术
MEMS发展的重要标志
• 制作水平方面——微马达（静电） • 应用水平方面——Lab-on-a-Chip、微飞行器、微机器人
阻量 ＝势能变化 / 速度、电流或流量的变化 容量 ＝质量或位移变化/ 势能变化 惯量 ＝势能变化/ 流量（速度或电流）每秒的变化
三、MEMS的制造方法概述
MEMS与IC工艺追求不同 • 从二维到“假三维” 、 “真三维” • 以IC平台发展起来为主，非IC工艺日渐丰富
1、在IC加工平台上发展的工艺
第一章 微机电系统（MEMS）概论
内容提要
✓ MEMS的基本概念，与宏观机电系统的对比特征 ✓ MEMS技术的发展过程与大致技术现状 ✓ MEMS典型产品的应用
一、MEMS的形成与发展
1、MEMS的形成基础
学科交叉的产物
机械电子学——机械学、电子学、计算机技术交叉 MEMS——机/电/磁 /光/声/热/液/气/生/化等多学科交叉
写在最后
成功的基础在于好的学习习惯
The foundation of success lies in good habits
21
谢谢大家
与机械电子学的关系
• 不是简单的提升 • 基本组成相同
2、MEMS的特点
MEMS的内涵
•“微” ——尺度效应的作用 •“机电”——拓展向更多物理量的融合 •“系统”——水平、实际应用现状
MEMS的特点
•以实现新功能、特殊性能为前沿目标 •微米量级空间里实现机电功能，提升已有性能（包括微型化、 集成化、高可靠性等） •采用微加工，形成类似IC的批量制造、低成本、低消耗特征
✓DEM技术 =深层刻蚀（Deepetching）+微电铸 （Electroforming）+微复制工艺(Microreplication)
表面微加工技术
表面微加工是在基体上连续淀积结构层、牺牲 层和图形加工制备微器件 。其应用材料为多晶 硅、二氧化硅、氮化硅、磷硅玻璃等。
2、非IC工艺
• 微细电火花 • 约束化学加工 • 激光微加工 • 微注塑、模压加工 • 激光微固化等
课程安排
课 时—— 32 hours 上课时间——第9周-第16周
周一10:20AM，主楼东Room401 周三10:20AM，主楼东Room219 考试方式——闭卷 考分比例——期末考试70% 不设中期考试 平时作业与出勤 30%
授课内容
✓微机电系统（MEMS）概论 (2 hours) ✓MEMS的理论基础知识 (2 hours) ✓集成电路基本制造技术 (8 hours) ✓MEMS的制造技术 (6 hours) ✓微传感器 (6 hours) ✓微执行器 (6 hours) ✓MEMS的封装与检测 (2 hours)
体微加工技术
▪湿法加工（化学）
原理：局部区域化的电解电池作用。 特点：质量控制难，对腐蚀速度及腐蚀结构质量的影响因素多
▪干法加工（物理/化学）
原理：离子轰击、腐蚀分子与硅衬底表面反应 特点：分辨率高，各向异性腐蚀能力强，腐蚀选择比大，能进 行自动化操作，设备与工艺成本高等
▪混合加工法
先进性在于制造新的微结构装置，如波导
分系统设计层次 按信息流程 建立统一物理特征参量
按系统设计层次考虑设计
功能——MEMS主功能含变换、传输、存储三方面。 为便于研究、分析、设计……
层次——分系统、子系统、元件（元素）三层次。子 系统和元件（元素）之间必须平稳可靠地输入/输出物 质、能量、信息……
接口——
硬接口—— 以硬件形式。分零接口/主动接口/被 动接口/智能接口 软接口——对信息进行平稳的传递、变换、调整。 例如平稳地输入输出规格、标准、程序、法律、 符号等。
Micro-Electro-Mechanical-System(MEMS) 微机电系统
教材
刘晓明,朱钟淦.《微机电系统设计与制造》 国防工业出版社,2006
参考书籍
•微系统技术，[德]W.Menz著，王春海等译， 化学工业出版社，2003
•半导体制造技术，[美]Michael Quirk & Julian Serda著，韩郑生等译，电子工业出版社，2003
按信息、物质、能量流程考虑设计
信息流程、能量流程的概念 智能化的作用、内部构造、信息流程（见书）
建立统一的物理特征参量
作用——对机、电、磁、热、流、光等不同物理现象 作统一方法的描述，从而纳入统一模型中进行分析 原理——各物理分支特征参量关系均遵从阻量、容量、 惯量（感量）作用的相似规律 方法——都参照于同一概念的物理特征参量——电描 述，因其分析方法较为成熟方便
高深宽比批量复制微加工技术
——专为MEMS的LIGA 系工艺（LIGA/准LIGA/DEM）
✓LIGA= X射线光刻+电铸制模+注塑复制 德文lithograph galvanformung und abformug
特点：深度可达数百至1000μm， 高宽比大于200 侧壁平行线偏离在亚微米范围内 利用微电铸和微塑铸可大规模生产
MEMS与NEMS的关系
——概念延伸、MEMS工艺为基础、对象向生物化学扩展 •生物微马达 •生物工程操作 •碳纳米管
二、MEMS设计的基本问题
工程技术的三要素
物质
供给
需求
时间过程
能量
信息
生活
衣食 住行
精神
MEMS目前阶段关键要素：材料、工艺、结构
MEMS设计要求和设计基本思想
✓要求——高性能/智能化/高效率/低成本/高 可实现二维半、真三维加工 • 与超精密机械加工互相借鉴，具有更广应用范围 • 与IC兼容性问题不利于目前在MEMS中的应用，需要解决
3、封装（键合、封装、检测）
键合
• 基本原理 • 是封装的主要手段
封装对于IC、MEMS的重要性
本章重点难点
重点：微机电系统的发展过程、实际意义 与典型应用 难点：MEMS比宏观机电系统优越的基本 原理，结合尺度效应理解；MEMS发展与 加工技术的关系。 作业：教材第368页第1题