微机电系统-MEMS简介课件

微机微机电系系统-MEMS简介介 早在二十世早在二十世纪六十年代，在硅集成六十年代，在硅集成电路制造技路制造技术发明不久，研究人明不久，研究人员就想利用就想利用这些制造技些制造技术和利用硅很好的机械特性，制造微型机械部件，如微和利用硅很好的机械特性，制造微型机械部件，如微传感器、微感器、微执行器等。如果把微行器等。如果把微电子器件同子器件同微机械部件做在同一微机械部件做在同一块硅片上，就是微机硅片上，就是微机电系系统MEMS:MicroelectromechanicalSystem。由于由于MEMS是微是微电子同微机械的子同微机械的结合，如果把微合，如果把微电子子电路比作人的大路比作人的大脑，微机械比作人，微机械比作人的五官（的五官（传感器）和手脚（感器）和手脚（执行器），两者的行器），两者的紧密密结合，就是一个功能合，就是一个功能齐全而全而强大的微系大的微系统。MEMSMEMS定定义6/18/20242 微微机机电系系统的的组成成框框图如如图1所所示示，它它是是将将微微机机械械、信信息息输入入的的微微型型传感感器器、控控制制器器、模模拟或或数数字字信信号号处理理器器、输出出信信号号接接口口、致致动器器(驱动器器)、电源源等等都都微微型型化化并并集集成成在在一一起起，成成为一一个个微微机机电系系统。微机微机电系系统内部可分成几个独立的功能内部可分成几个独立的功能单元，同元，同时又集成又集成为一个一个统一的系一的系统。图1微机微机电系系统的的组成框成框图6/18/2024319591959年就有科学家提出微型机械的年就有科学家提出微型机械的设想，但直到想，但直到19621962年才出年才出现属于微机械范畴的属于微机械范畴的产品品硅微型硅微型压力力传感器。其后尺寸感器。其后尺寸为5050500500微米的微米的齿轮、齿轮泵、气、气动蜗轮及及联接件等微型机构相接件等微型机构相继问世。世。而而19871987年由年由华裔留美学生裔留美学生冯龙生等人研制出生等人研制出转子直径子直径为6060微米和微米和100100微米的硅微型静微米的硅微型静电电机，机，显示出利用硅微加工工示出利用硅微加工工艺制作微小可制作微小可动结构并与集成构并与集成电路兼容制造微小系路兼容制造微小系统的潜力，在国的潜力，在国际上引上引起起轰动，科幻小，科幻小说中描述把自己中描述把自己变成小昆虫成小昆虫钻到到别人的居室或心人的居室或心脏中去的中去的场景将要成景将要成为现实展展现在人在人们面前。同面前。同时，也，也标志着微志着微电子机械系子机械系统(MEMS)(MEMS)的的诞生。生。微微电子机械系子机械系统是以微是以微电子、微机械及材料科学子、微机械及材料科学为基基础，研究、，研究、设计和制造具有特定功能的微和制造具有特定功能的微型装置（包括微型装置（包括微结构器件、微构器件、微传感器、微感器、微执行器和微系行器和微系统等方面）的一等方面）的一门科学。科学。6/18/20244世界上第一个微静世界上第一个微静电马达达6/18/20245MEMSMEMS的的发展展过程程2020世世纪6060年代年代：采用将采用将传感器和感器和电子子线路集成在一个芯片上的路集成在一个芯片上的设计思想来制作集成思想来制作集成传感器感器。2020世世纪6060年代后期：年代后期：硅刻硅刻蚀技技术用于制作能将用于制作能将压力力转换为电信号的信号的应变薄膜薄膜结构。构。2020世世纪7070年代年代：人人们使用硅各向异性使用硅各向异性选择性腐性腐蚀制作薄膜，制作薄膜，掺杂以及基于以及基于电化学的腐化学的腐蚀停刻技停刻技术也出也出现了，随之了，随之而来的是而来的是“体硅加工体硅加工”技技术。6/18/202462020世世纪8080年代：年代：“表面微加工表面微加工”技技术在加速度在加速度计、压力力传感器和其他微感器和其他微电子机械子机械结构制作中得到了构制作中得到了应用。用。2020世世纪8080年代后期：年代后期：MEMSMEMS在世界范在世界范围内受到了广泛重内受到了广泛重视，在美国、欧洲和，在美国、欧洲和亚洲，投入的研究洲，投入的研究资金和研究人金和研究人员都以令人惊都以令人惊讶的速度在大幅增的速度在大幅增长。MEMSMEMS正在正在处于蓬勃于蓬勃发展的关展的关键时期，不断地有新型器件和新型技期，不断地有新型器件和新型技术给予予报道，道，人人们见证了基于了基于MEMSMEMS技技术的的喷墨打印墨打印头、压力力传感器、流量感器、流量计、加速度、加速度计、陀螺、陀螺仪、非冷却、非冷却红外成外成像像仪和光学投影和光学投影仪等等设备的不断开的不断开发和和产业化的化的进程。（如同程。（如同ICIC）6/18/20247p1939年年P-N结半半导体体(W.Schottky)p1948年年晶体管晶体管(J.Bardeen,W.H.Brattain,W.Shockley)p1954年年半半导体体压阻效阻效应(C.S.Smith)p1958年年集成集成电路（路（IC）(J.S.Kilby)p1959年年“Thereisplentyofroomatthebottom”(R.Feynman)p1962年年硅集成硅集成压力力驱动器器(O.N.Tufte,P.W.Chapman,D.Long)p1965年年表面微机械加速度表面微机械加速度计(H.C.Nathanson,R.A.Wichstrom)p1967年年硅各向异性深度刻硅各向异性深度刻蚀(H.A.Waggener)p1973年年微型离子敏微型离子敏场效效应管管(TohokuUniversity)p1977年年电容式硅容式硅压力力传感器感器(Stanford)MEMSMEMS的的发展展过程的重要程的重要历史事件史事件6/18/20248p 19791979年年 集成化气体色集成化气体色谱仪 (C.S.Terry,J.H.(C.S.Terry,J.H.JermanJerman,J.B.AngellJ.B.Angell)p 1981 1981年年 水晶微机械水晶微机械 (Yokogawa Electric)(Yokogawa Electric)p 1982 1982年年“Silicon as a mechanical material”(K.Petersen)Silicon as a mechanical material”(K.Petersen)p 1983 1983年年 集成化集成化压力力传感器感器 (Honeywell)(Honeywell)p 1985 1985年年 LIGALIGA工工艺 (W.(W.EhrfeldEhrfeld et al.)et al.)p 1986 1986年年硅硅键合技合技术 (M.(M.ShimboShimbo)p 1987 1987年年 微型微型齿轮 (UC Berkeley)(UC Berkeley)p 1988 1988年年压力力传感器的批量生感器的批量生产 (Nova Sensor)(Nova Sensor)p 1988 1988年年 微静微静电电机机 (UC Berkeley)(UC Berkeley)p1992年年体硅加工工体硅加工工艺(SCREAMprocess,Cornell)p1993年年数字微数字微镜显示器件示器件(TexasInstruments)p1994年年商商业化表面微机械加速度化表面微机械加速度计(AnalogDevices)p1999年年光网光网络开关开关阵列列(Lucent)6/18/20249由于由于MEMS器件和系器件和系统具有体具有体积小、重量小、重量轻、功耗小、成本低、可靠性高、性能、功耗小、成本低、可靠性高、性能优异、功异、功能能强大、可以批量生大、可以批量生产等等传统传感器无法比感器无法比拟的的优点，因此在航空、航天、汽点，因此在航空、航天、汽车、生物医学、生物医学、环境境监测、军事以及几乎人事以及几乎人们接触到的所有接触到的所有领域中都有着十分广域中都有着十分广阔的的应用前景。用前景。MEMSMEMS的的应用用领域域6/18/202410MEMS的的应用用领域域1 1、MEMS在空在空间科学上的科学上的应用用 2 2、MEMS在在军事国防上的事国防上的应用用 3 3、MEMS在汽在汽车工工业上的上的应用用 4 4、MEMS在医在医疗和生物技和生物技术上的上的应用用 5 5、MEMS在在环境科学上的境科学上的应用用 6、MEMS在信息技在信息技术领域中的域中的应用用 MEMS在导航、飞行器设计和微型卫星等方面有着重要应用。如：基于航天领域里的小卫星、微卫星、纳米卫星和皮米卫星的概念，提出了全硅卫星的设计方案，整个卫星的重量缩小到以千克计算，进而大幅度降低成本，使较密集的分布式卫星系统成为现实。用MEMS技术制造的微型飞行器、战场侦察传感器、智能军用机器人和其他MEMS器件，在军事上的无人技术领域发挥着重要作用。美国采用MEMS技术已制成尺寸只有10cm10 cm的微型侦察机。汽车发动机控制模块是最早使用MEMS技术的汽车装备，在汽车领域应用最多的是微加速度计和微压力传感器，并且以每年20%的比例在迅速增长。此外，角速度计也是应用于汽车行业的重要MEMS传感器，它可用于车轮的侧滑控制。采用体微加工技术制作的各种微泵、微阀、微镊子、微沟槽和微流量计等器件适合于操作生物细胞和生物大分子。由于MEMS器件的体积小，能够进入很小的器官和组织，同时又能进行细微精细的操作，因此可以大大提高介入治疗的精度，降低医疗风险。利用MEMS技术制造的微型仪器在环境检测、分析和处理方面大有作为，它们主要是由化学传感器、生物传感器和数据处理系统组成的微型测量和分析设备,其优势在于体积小、价格低、功耗小和易于携带。MEMS技术的发展对信息技术产生了深远的影响。近年来，MEMS又逐渐向光通讯领域渗透，形成了由微光学、微电子学、微机械学和材料科学相结合的全新研究领域，即微光电子机械系统（MOEMS）。6/18/202411MEMSMEMS传感器及其感器及其组成的微型成的微型惯性性测量量组合在汽合在汽车自自动驾驶、汽、汽车防撞气囊、汽防撞气囊、汽车防抱死系防抱死系统（ABSABS）、）、减震系减震系统、防盗系、防盗系统等。等。GPSGPS定位系定位系统。*在汽车里作为加速表来控制碰撞时安全气囊防护系统的施用*在汽车里作为陀螺来测定汽车倾斜，控制动态稳定控制系统*在轮胎里作为压力传感器。在汽在汽车上的上的应用用6/18/2024126/18/202413MEMS已在空已在空间超微型超微型卫星上得到星上得到应用用,该卫星外形尺寸星外形尺寸为2.54cm7.62cm10.6cm,重量重量仅为250g。2000年年1月月,发射的两射的两颗试验小小卫星是星是证明空基防御能力增明空基防御能力增强的一个范例。的一个范例。对小小卫星星试验来来说幸运的是幸运的是,因其因其飞行寿命短行寿命短,所以所以,暴露在宇宙暴露在宇宙辐射之下并不是关射之下并不是关键问题。小。小卫星上基星上基于硅的于硅的RF开关在太空开关在太空应用中表用中表现出出优异的性能异的性能,这得益于它的超微小尺寸。作得益于它的超微小尺寸。作为一个在海上一个在海上应用用的的实例例,MEMS引信引信/保保险和引爆半和引爆半导体体,微微电子子,集成集成电路路,IC,工工艺,设计,器件器件,封装封装,测试,F/SA装装置已成功地用于潜艇置已成功地用于潜艇鱼雷雷对抗武器上。引信抗武器上。引信/保保险和引爆装置的工作包括和引爆装置的工作包括3个独立步个独立步骤:发射射鱼雷雷后后,解除炸解除炸药保保险、引爆、引爆引信引信和防止在不正确和防止在不正确时间爆炸爆炸保保险。使用。使用镀有金属有金属层的硅的硅结合巧妙合巧妙的封装技的封装技术,MEMSF/SA器件要比器件要比传统的装置小的装置小1个数量个数量级,可安装在可安装在15.88cm的的鱼雷上雷上,这是其他方法做不到的是其他方法做不到的.在在军事上的事上的应用用6/18/202414国外国外MEMS技技术在引信中的在引信中的应用用MEMS技技术在精确打在精确打击弹药引信中的引信中的应用用美国FMU2159/B 硬目标侵彻灵巧引信及加速度计6/18/202415采用MEMS 技术的弹道修正引信装有弹道修正引信的MK64 制导炮弹6/18/202416单兵20 mm 高爆榴弹微机电引信6/18/202417在在1995年的国年的国际会会议上已有人正式提出研制全硅上已有人正式提出研制全硅卫星的概念星的概念。即整个。即整个卫星由硅太阳能星由硅太阳能电池板、硅池板、硅导航模航模块、硅通信模、硅通信模块等等组合而成合而成,这样,可使整个可使整个卫星的星的质量量缩小到以小到以kg计算算,从而使从而使卫星的成本大星的成本大幅度降低幅度降低。美国提出的硅固美国提出的硅固美国提出的硅固美国提出的硅固态卫态卫星的概念星的概念星的概念星的概念图图，这这个个个个卫卫星除了蓄星除了蓄星除了蓄星除了蓄电电池外，池外，池外，池外，全由硅片构成，直径全由硅片构成，直径全由硅片构成，直径全由硅片构成，直径仅仅15cm15cm。航空航天的航空航天的应用用6/18/202418微机械技微机械技术在生物医在生物医疗中的中的应用尤其令人惊用尤其令人惊叹。例如。例如:将微型将微型传感器用口服或皮下注射法送入人体感器用口服或皮下注射法送入人体,就可就可对体内的五体内的五脏六腑六腑进行直接有效的行直接有效的监测。将特制的微型机器人送入人体将特制的微型机器人送入人体,可刮去可刮去导致心致心脏病的油脂沉病的油脂沉积物物,除去体内的胆固醇除去体内的胆固醇,可探可探测和清除人体和清除人体内的癌内的癌细胞胞,进行行视网膜开刀网膜开刀时,大夫可将遥控机器人放入眼球内大夫可将遥控机器人放入眼球内,在在细胞操作、胞操作、细胞融合、精胞融合、精细外科、外科、血管、血管、肠道内自道内自动送送药等方面等方面应用甚广。用甚广。MEMS的微小可的微小可进入很小的器官和入很小的器官和组织和能自和能自动地地进行行细微精确的操作的特点微精确的操作的特点,可大大提高介入治可大大提高介入治疗的精度的精度,直接直接进入相入相应病病变地地进行工作行工作,降低手降低手术风险。同微。同微电子子,集成集成电路路,IC,工工艺,设计,器件器件,封装封装,测试,MEMS时,可可进行基因分析和行基因分析和遗传诊断断,利用微加工技利用微加工技术制造各种微制造各种微泵、微、微阀、微、微摄子、微沟槽、微子、微沟槽、微器皿和微流量器皿和微流量计的器件适合于操作生物的器件适合于操作生物细胞和生物大分子。所以胞和生物大分子。所以,微机械在微机械在现代医代医疗技技术中的中的应用潜力用潜力巨大巨大,为人人类最后征服各种最后征服各种绝症延症延长寿命寿命带来了希望。来了希望。生物医生物医疗和医学上的和医学上的应用用6/18/202419OMOM智能胶囊消化道内窥镜系统金山科技集金山科技集团研制的胶囊内研制的胶囊内镜“胶囊内镜”是集图像处理、信息通讯、光电工程、生物医学等多学科技术为一体的典型的微机电系统（MEMS）高科技产品，由智能胶囊、图像记录仪、手持无线监视仪、影像分析处理软件等组成。工作时间：8小时左右视角度：140度视距：3cm分辨力：0.1mm体积：13mm27.9mm重量：6g外壳：无毒耐酸耐碱高分子材料图象记录仪6/18/202420OMOM胶囊内镜的工作原理是：患者像服药一样用水将智能胶囊吞下后，它即随着胃肠肌肉的运动节奏沿着胃十二指肠空肠与回肠结肠直肠的方向运行，同时对经过的腔段连续摄像，并以数字信号传输图像给病人体外携带的图像记录仪进行存储记录，工作时间达68小时，在智能胶囊吞服872小时后就会随粪便排出体外。医生通过影像工作站分析图像记录仪所记录的图像就可以了解病人整个消化道的情况，从而对病情做出诊断。影像工作站影像工作站优点:操作简单:整个检查仅为吞服胶囊、记录与回放观察三个过程。医生只需在回放观察过程中，通过拍摄到的图片即可对病情做出准确判断。安全卫生:胶囊为一次性使用，避免交叉感染;外壳采用不能被消化液腐蚀的医用高分子材料，对人体无毒、无刺激性,能够安全排出体外。扩展视野:全小肠段真彩色图像清晰微观，突破了小肠检查的盲区，大大提高了消化道疾病诊断检出率。方便自如:患者无须麻醉、无须住院，行动自由，不耽误正常的工作和生活。6/18/202421这个一次性胰岛素注射泵融合了Debiotech的胰岛素输注系统技术和ST的微射流MEMS芯片的量产能力。纳米泵的尺寸只有现有胰岛素泵的四分之一.微射流技术还能更好地控制胰岛素液的注射量，更精确地模仿胰岛自然分泌胰岛素的过程，同时还能检测泵可能发生的故障，更好地保护患者的安全。成本非常低廉。胰岛素注射泵疗法或者连续皮下注射胰岛素（CSII）可以替代一天必须输注几次的单次胰岛素注射法，这种疗法越来越被人们看好。按照CSII治疗方法，糖尿病患者连接一个可编程的注射泵，注射泵与一个贮液器相连，胰岛素就从这个贮液器输注到人体皮下组织内，在一天的输液过程中，可根据病人的情况设定液量。微射流微射流MEMS技技术应用于糖尿病治用于糖尿病治疗.6/18/202422仿学中的应用（仿生纤毛）地下水流微地下水流微传感器感器6/18/202423MEMS器件根据其特性分成微器件根据其特性分成微传感器、微感器、微执行器、微行器、微结构器件、微机械光学器件等。构器件、微机械光学器件等。微微传感器感器机械机械类化学化学类磁学磁学类生物生物类力学力学力矩力矩位置位置速度速度加速度加速度流量流量角速度角速度(陀螺陀螺)气体成分气体成分湿度湿度PH值离子离子浓度度6/18/202424微微执行器行器马达达齿轮扬声器声器开关开关微微结构器件构器件薄膜薄膜探探针弹簧簧微梁微梁微腔微腔沟道沟道微微轴锥体体微光学器件微光学器件微微镜阵列列微光微光扫描器描器微微斩光器光器光光编码器器微光微光阀微干涉微干涉仪微光开关微光开关微透微透镜6/18/202425大机械制造小机械，小机械制造微机械日本日本为代表代表LIGA工艺Lithograpie(光刻)、Galvanoformung(电铸)Abformung(塑铸)德国德国为代表代表硅微机械加工工艺：体硅工艺和表面牺牲层工艺美国美国为代表代表MEMSMEMSMEMSMEMS制造工制造工制造工制造工艺艺6/18/202426Materials硅基材料硅基材料 单晶硅，多晶硅，非晶硅，二氧化硅，氮化硅，碳化硅，晶硅，多晶硅，非晶硅，二氧化硅，氮化硅，碳化硅，SOI(Silicon On Insulator)SOI(Silicon On Insulator)。聚合物材料聚合物材料 光刻胶，光刻胶，聚二甲硅氧聚二甲硅氧烷其他材料其他材料 砷化砷化镓，石英，玻璃，石英，玻璃，钻石，金属。石，金属。6/18/202427Technologies物理气相淀物理气相淀积(PhysicalVapourDeposition)化学气相淀化学气相淀积(ChemicalVapourDeposition)电镀（Electroplating）旋旋转铸模模（SpinCasting）溶胶溶胶-凝胶凝胶（SolGelDeposition）光刻光刻(Photolithography)刻刻蚀:干法刻干法刻蚀（DRIE,ICP）和湿法腐蚀键合技合技术6/18/202428物理气相淀物理气相淀积(PVD)p物理气相淀物理气相淀积是利用某种物理是利用某种物理过程，例如蒸程，例如蒸发或或溅射射过程来程来实现物物质转移，即把原子或分子由源移，即把原子或分子由源转移到移到衬底表面上，从而淀底表面上，从而淀积形成薄膜，整个形成薄膜，整个过程不涉及化学反程不涉及化学反应，常用的有，常用的有真空蒸真空蒸发和和溅射射。真空蒸真空蒸发是在真空室中，吧所要蒸是在真空室中，吧所要蒸发的金属加的金属加热到相当高的温度，使其原子或分子到相当高的温度，使其原子或分子获得足得足够高的能高的能量，脱离金属材料表面的束量，脱离金属材料表面的束缚而蒸而蒸发到真空中，从而淀到真空中，从而淀积在硅晶原片表面形成一薄的膜。在硅晶原片表面形成一薄的膜。优点点：较高的淀高的淀积速率，薄膜速率，薄膜纯度高，厚度控制精确，生度高，厚度控制精确，生长机理机理简单缺点缺点：台：台阶覆盖能力差，工覆盖能力差，工艺重复性不好，淀重复性不好，淀积多元化合金薄膜多元化合金薄膜时组分分难以控制以控制溅射射是利用是利用带有有电荷的离子在荷的离子在电场中加速后具有一定中加速后具有一定动能的特点那个，将离子引向被能的特点那个，将离子引向被溅射物射物质，轰击被被溅射物射物质使其原子或分子逸出从而淀使其原子或分子逸出从而淀积到硅晶到硅晶圆片上形成薄膜。片上形成薄膜。这个个过程就像用石程就像用石头用力扔向用力扔向泥泥浆中，会中，会溅出出许多泥点落在身上一多泥点落在身上一样。优点点：淀：淀积薄膜与薄膜与衬底附着性好，淀底附着性好，淀积多元化合金薄膜多元化合金薄膜时组分容易控制，分容易控制，较高的薄膜高的薄膜溅射射质量，高量，高纯靶材，高靶材，高纯气体气体。6/18/202429化学气相淀化学气相淀积(CVD)指把含有构成薄膜元素的指把含有构成薄膜元素的两种或两种以上的气两种或两种以上的气态原材料原材料导入到一个反入到一个反应室内，然后他室内，然后他们相互相互之之间发生化学反生化学反应，形成一种新的材料，沉，形成一种新的材料，沉积到晶片表面上。淀到晶片表面上。淀积氮化硅膜氮化硅膜(Si3N4)就是一就是一个很好的例子，它是由硅个很好的例子，它是由硅烷和氮反和氮反应形成的。几乎可以淀形成的。几乎可以淀积集成集成电路工路工艺中所需要的各种薄中所需要的各种薄膜，例如膜，例如掺杂或不或不掺杂的的SiO2、多晶硅、非晶硅、氮化硅、金属、多晶硅、非晶硅、氮化硅、金属(钨、钼)等等目前常用的有常目前常用的有常压化学气相淀化学气相淀积(APCVD)、低、低压化学气相淀化学气相淀积(LPCVD)以及等离子体增以及等离子体增强化学气相淀化学气相淀积(PECVD)有淀有淀积温度低、薄膜成分和厚度易于控制、均匀性和重复性好、台温度低、薄膜成分和厚度易于控制、均匀性和重复性好、台阶覆盖覆盖优良、适用范良、适用范围广、广、设备简单等一系列等一系列优点。点。相相对于与于与PVD相比，其相比，其优点：点：结晶性和理想配比都比晶性和理想配比都比较好，薄膜成分和膜厚容易控制，淀好，薄膜成分和膜厚容易控制，淀积温度低，台温度低，台阶覆盖性好。覆盖性好。6/18/202430真空真空镀膜膜仪6/18/202431磁控磁控溅射射电子在电场的作用下加速飞向基片的过程中与氩原子发生碰撞，电离出大量的氩离子和电子，电子飞向基片。氩离子在电场的作用下加速轰击靶材，溅射出大量的靶材原子，呈中性的靶原子（或分子）沉积在基片上成膜。二次电子在加速飞向基片的过程中受到磁场洛仑磁力的影响，被束缚在靠近靶面的等离子体区域内，该区域内等离子体密度很高，二次电子在磁场的作用下围绕靶面作圆周运动，该电子的运动路径很长，在运动过程中不断的与氩原子发生碰撞电离出大量的氩离子轰击靶材，经过多次碰撞后电子的能量逐渐降低，摆脱磁力线的束缚，远离靶材，最终沉积在基片上6/18/202432电子束蒸子束蒸镀6/18/202433光刻光刻工艺流程（1）涂胶，（）涂胶，（2）前烘）前烘掩模版掩模版紫外光紫外光（3）曝光）曝光（4）显影，（影，（5）坚膜膜（6）刻）刻蚀，（，（7）去胶）去胶6/18/202434曝光方法：接触式曝光（曝光方法：接触式曝光（Contact PrintingContact Printing），接近式曝光（），接近式曝光（Proximity PrintingProximity Printing），投影式曝），投影式曝光（光（Projection PrintingProjection Printing）。）。正胶和正胶和负胶的比胶的比较：负性光刻采用性光刻采用负性光刻胶，曝光后光刻胶会因交性光刻胶，曝光后光刻胶会因交联而硬化，不溶于溶而硬化，不溶于溶剂，将想，将想产生的生的图形置于掩形置于掩模板上不透明的区域，模板上不透明的区域，则最最终在光刻胶上形成的在光刻胶上形成的图形与掩模板上的相反，形与掩模板上的相反，负性光刻是最早用在半性光刻是最早用在半导体工体工艺中的。中的。正性光刻采用正性光刻胶，基本特征，曝光后的光刻胶正性光刻采用正性光刻胶，基本特征，曝光后的光刻胶经过用中化学反用中化学反应，反，反应后，在后，在显影液中影液中软化并溶解，而不曝光的区域上的光刻胶化并溶解，而不曝光的区域上的光刻胶则保留在硅片上，作保留在硅片上，作为后后续工工艺保保护层，这种方法复制种方法复制到硅片表面上的到硅片表面上的图形与掩模板上的相同。形与掩模板上的相同。6/18/202435LIGA技技术LIGA技技术是利用是利用X光射光射线光刻，通光刻，通过电铸成形和成形和铸塑形成深塑形成深层微微结构方法。可以加工各种金属、塑构方法。可以加工各种金属、塑料和陶瓷等材料，深度刻达料和陶瓷等材料，深度刻达1000微米。微米。LIGA工艺对设备的要求较高，生产费用较昂贵。6/18/202436湿法化学腐湿法化学腐蚀硅的晶体硅的晶体结构构图1.硅晶体结构硅晶体中主要晶面6/18/202437各向异性腐各向异性腐蚀溶溶剂（1）KOH-H2O溶液溶液（2）KOH+IPA溶液溶液（3）乙二胺）乙二胺-邻苯二酚和水的混合液（苯二酚和水的混合液（EPW）6/18/202438（4）TMAH（四甲基（四甲基氢氧化氧化铵）SiO2在硅片在硅片100面上的各向异性腐面上的各向异性腐蚀在硅片在硅片110面上的各向异性腐面上的各向异性腐蚀6/18/202439(110)(111)(110)(110)(111)硅的各向异性腐硅的各向异性腐蚀(a)(b)6/18/202440干法刻蚀反应离子刻蚀（RIE）深反应离子刻蚀(DRIE)耦合等离子体刻蚀(ICP)6/18/202441反反应离子刻离子刻蚀（RIE）等离子体刻等离子体刻蚀与湿法刻与湿法刻蚀相比，明相比，明显优点就是点就是等离子可以容易地开始和等离子可以容易地开始和结束，而且等离子束，而且等离子对硅片上温度的微小硅片上温度的微小变化不是那么敏感。化不是那么敏感。6/18/2024426/18/2024436/18/2024446/18/202445MEMS 螺旋形电感和多层电感6/18/202446固相固相键合技合技术 两块固态材料之间不用任何粘合剂，而是通过化学键合物理作用将它们紧密地结合在一起的方法。在MEMS制造工艺中，经常要对微结构进行支撑和保护，也可实现机械结构之间或机械结构与集成电路之间的电学连接。现在常用的是硅-硅直接键合和硅-玻璃的静电键合。6/18/2024476/18/202448速度和流速微速度和流速微传感器感器这种微种微传感器利用微感器利用微桥共振共振频率率的的变化来化来检测流量，流量，这种种检测方方法的法的优点是灵敏度高、响点是灵敏度高、响应快和快和重复性好。重复性好。各向异性刻各向异性刻蚀的共振微的共振微桥式流量微式流量微传感器感器6/18/202449加速度微加速度微传感器感器悬臂梁式硅微加速度臂梁式硅微加速度计结构示意构示意图 悬臂梁式臂梁式电容加速度容加速度计结构示意构示意图 6/18/202450力、力、压力和力和应变微微传感器感器电阻阻应变式微式微压力力传感器感器结构示意构示意图 6/18/202451昆虫型微机器人昆虫型微机器人日日本本精精工工-Epson公公司司1999年年3月月宣宣布布已已开开发出出世世界界上上最最小小的的昆昆虫虫型型机机器器人人，如如左左图所所示示。该机机器器人人是是瓢瓢虫虫形形，银制制外外壳壳，体体积为1cm3，内内装装石石英英手手表表用用超超小小型型电动机机，两两只只眼眼睛睛是是光光学学传感感器器，速速度度最最高高为15mm/s，充，充电3min，可走，可走4min。2007年年，日日本本研研究究人人员展展示示了了一一种种超超小小医医用用机机器器人人的的原原始始模模型型，外外形形如如同同甲甲壳壳虫虫，如如右右图所所示示。这种种直直径径1cm、长为2cm、重、重仅为5g的机器人可以到达人体内患病的机器人可以到达人体内患病处。6/18/202452“飞行行蝇”微微飞行器行器 美美国国加加州州大大学学伯伯克克利利(Berkeley)分分校校于于2001年年研研制制成成功功一一只只非非常常微微小小的的扑扑冀冀式式微微飞行行器器，取取名名为“飞行行蝇”，如如图所所示示。这种种微微飞行行器器的的体体积极极小小，高高度度不不到到3cm，质量量只只有有100g，但但能能在在100m高高的的空空中中飞行行20min。苍蝇是是动物物界界中中的的飞行行能能手手，能能在在0.03秒秒的的瞬瞬间迅迅速速起起飞，在在310-5s内内改改变方方向向，最最高高飞行行速速度度为40km/s，是是所所有有飞虫虫中中飞行行最最稳定定、机机动性性能能最最佳佳的的。“飞行行蝇”微微飞行行器器就就是是利利用用仿仿生生原原理理制制造造出出的世界上第一只能的世界上第一只能飞的的“机器机器蝇”。6/18/202453中国的微小中国的微小卫星星清清华大大学学、哈哈尔滨工工业大大学学等等单位位都都在在进行行微微小小卫星星的的研研究究工工作作。图是是清清华大大学学和和英英国国SurreySurrey大大学学合合作作研研制制的的清清华-号号微微型型实验卫星星，质量量约50kg50kg，已已于于20002000年年成成功功发射射。20042004年年4 4月月2323日日哈哈尔滨工工业大大学学研研制制的的203kg203kg实验一一号号小小型型卫星星成成功功发射射，工工作作情情况况良良好好，清清华大大学学研研制制的的第第二二颗微型微型卫星也同星也同时用同一火箭用同一火箭发射成功。射成功。6/18/202454谢谢！谢谢！