《MEMS與微制造》課件

《MEMS與微制造》課程簡(jiǎn)介本課程將深入探討微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）和微制造技術(shù)。MEMS是微米級(jí)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(shí)代21世紀(jì)以來2微機(jī)電系統(tǒng)時(shí)代20世紀(jì)80年代至今3微機(jī)械加工時(shí)代20世紀(jì)70年代4集成電路時(shí)代20世紀(jì)50年代MEMS技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了四個(gè)階段，從集成電路時(shí)代開始，經(jīng)過微機(jī)械加工時(shí)代、微機(jī)電系統(tǒng)時(shí)代，最終發(fā)展到納米技術(shù)時(shí)代。每個(gè)階段都伴隨著技術(shù)的突破和應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)展。MEMS技術(shù)的基本概念微機(jī)電系統(tǒng)MEMS是指將微電子技術(shù)與機(jī)械加工技術(shù)相結(jié)合，在微米尺度上制造機(jī)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(gè)功能模塊，實(shí)現(xiàn)微型化的系統(tǒng)集成。多學(xué)科交叉MEMS技術(shù)涉及微電子、材料科學(xué)、機(jī)械工程、物理、化學(xué)等多個(gè)學(xué)科，是一個(gè)多學(xué)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(jí)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(hào)。執(zhí)行器執(zhí)行器根據(jù)電信號(hào)，執(zhí)行特定動(dòng)作，例如移動(dòng)或控制。電路電路用于處理傳感器信號(hào)，控制執(zhí)行器，并與外部系統(tǒng)進(jìn)行通信。MEMS器件的基本工作原理慣性測(cè)量MEMS加速度傳感器利用微機(jī)械結(jié)構(gòu)測(cè)量加速度，應(yīng)用于智能手機(jī)、汽車等領(lǐng)域。壓力感應(yīng)MEMS壓力傳感器通過測(cè)量壓力變化引起的微機(jī)械結(jié)構(gòu)形變，應(yīng)用于氣壓計(jì)、血壓計(jì)等。聲學(xué)感知MEMS麥克風(fēng)利用微機(jī)械結(jié)構(gòu)感知聲波振動(dòng)，應(yīng)用于智能手機(jī)、語音識(shí)別等領(lǐng)域。微流控技術(shù)MEMS微流控技術(shù)利用微機(jī)械結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)精密液體控制，應(yīng)用于藥物研發(fā)、生物檢測(cè)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(jī)械性能、化學(xué)穩(wěn)定性和電學(xué)性能，而且易于加工。多晶硅多晶硅的機(jī)械強(qiáng)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(dòng)元件。氮化硅氮化硅具有優(yōu)異的耐高溫性和化學(xué)穩(wěn)定性，適合用于制造MEMS器件的保護(hù)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(duì)材料進(jìn)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(xué)氣相沉積(CVD)CVD利用化學(xué)反應(yīng)在基底上沉積薄膜，例如等離子體增強(qiáng)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(xué)沉積電化學(xué)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(jī)光刻機(jī)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(gè)步驟都對(duì)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(xué)溶液濕法腐蝕使用化學(xué)溶液來去除不需要的材料?；瘜W(xué)物質(zhì)會(huì)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(jìn)行，光刻工藝將光刻膠圖案轉(zhuǎn)移到材料表面。化學(xué)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(xué)溶液的濃度、溫度和蝕刻時(shí)間。適當(dāng)?shù)目刂茖?duì)于獲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(duì)簡(jiǎn)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(jì)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(duì)材料進(jìn)行刻蝕的技術(shù)。它通常在真空環(huán)境中進(jìn)行，利用帶電的離子轟擊材料表面，使材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)或物理濺射，從而達(dá)到刻蝕的目的。優(yōu)勢(shì)高精度和高分辨率對(duì)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(chǎng)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(xué)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(dǎo)電性、表面硬度和潤(rùn)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(huì)影響鍍層的質(zhì)量。優(yōu)勢(shì)電鍍技術(shù)成本相對(duì)較低，可以實(shí)現(xiàn)高精度和高均勻性的鍍層，并且能夠在復(fù)雜形狀的工件表面進(jìn)行鍍覆。MEMS器件的封裝技術(shù)保護(hù)封裝可以保護(hù)MEMS器件免受環(huán)境影響，例如灰塵、濕氣和溫度變化。這對(duì)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(diǎn)，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(jìn)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(jí)封裝（CSP）、倒裝芯片封裝（Flip-Chip）和系統(tǒng)級(jí)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(cè)物體表面的壓力的傳感器，可以測(cè)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(dòng)化等。加速度傳感器加速度傳感器是一種檢測(cè)物體加速度的傳感器，可以測(cè)量物體在各個(gè)方向上的加速度，例如運(yùn)動(dòng)、傾斜、振動(dòng)等。加速度傳感器在智能手機(jī)、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(cè)物體旋轉(zhuǎn)速度和角度的傳感器，可以測(cè)量物體在各個(gè)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(dǎo)航系統(tǒng)、無人機(jī)、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(chǎng)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(cè)等。壓力傳感器絕對(duì)壓力傳感器絕對(duì)壓力傳感器測(cè)量的是絕對(duì)壓力，即相對(duì)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(duì)壓力傳感器相對(duì)壓力傳感器測(cè)量的是相對(duì)壓力，即相對(duì)于環(huán)境壓力的壓力。此類傳感器常用于工業(yè)自動(dòng)化、汽車和家用電器等領(lǐng)域。差壓傳感器差壓傳感器測(cè)量的是兩個(gè)壓力之間的差值。此類傳感器通常用于液位測(cè)量、流量測(cè)量和氣體泄漏檢測(cè)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(yùn)動(dòng)來測(cè)量加速度，通過測(cè)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(jì)加速度傳感器通常由一個(gè)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(chǎng)景加速度傳感器廣泛應(yīng)用于汽車安全系統(tǒng)、智能手機(jī)、游戲控制器、工業(yè)自動(dòng)化等領(lǐng)域。測(cè)量方向加速度傳感器可以測(cè)量三個(gè)方向的加速度，包括X軸、Y軸和Z軸，能夠檢測(cè)物體在空間中的運(yùn)動(dòng)。陀螺儀定義陀螺儀是一種用于測(cè)量角速度或角度的傳感器。它由一個(gè)旋轉(zhuǎn)的質(zhì)量組成，旋轉(zhuǎn)質(zhì)量的角動(dòng)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(dòng)量守恒原理，當(dāng)陀螺儀受到外力矩作用時(shí)，其旋轉(zhuǎn)軸的方向會(huì)發(fā)生改變，這種變化可以被用來測(cè)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(dǎo)航系統(tǒng)、電子穩(wěn)定系統(tǒng)、游戲控制器、虛擬現(xiàn)實(shí)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(cè)量溫度的傳感器。它的工作原理是基于半導(dǎo)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(dāng)兩種金屬的接點(diǎn)處溫度發(fā)生變化時(shí)，會(huì)在回路中產(chǎn)生熱電勢(shì)，從而測(cè)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(hào)處理電路集成在同一個(gè)芯片上，能夠提供更精確、更穩(wěn)定的溫度測(cè)量結(jié)果。濕度傳感器原理濕度傳感器通過測(cè)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(duì)濕度的敏感性來實(shí)現(xiàn)測(cè)量。例如，電容式濕度傳感器使用對(duì)濕度敏感的材料，隨著濕度變化，材料的電容值也會(huì)發(fā)生改變。類型電容式電阻式重量式光學(xué)式MEMS執(zhí)行器的種類微馬達(dá)微馬達(dá)是MEMS執(zhí)行器的一種，其尺寸微小，可用于驅(qū)動(dòng)微型設(shè)備。微馬達(dá)通常由電磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)，并用于各種應(yīng)用，包括醫(yī)療器械和微型機(jī)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(chǎng)驅(qū)動(dòng)，并用于各種應(yīng)用，包括藥物輸送和化學(xué)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(chǎng)驅(qū)動(dòng)，并用于各種應(yīng)用，包括微流體系統(tǒng)和化學(xué)分析。微馬達(dá)定義微馬達(dá)是一種微型電機(jī)，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(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。工作原理微馬達(dá)的轉(zhuǎn)子通常由磁性材料制成，通過外部磁場(chǎng)或電磁場(chǎng)的相互作用產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，從而驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。應(yīng)用微馬達(dá)在各種領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用，例如微型機(jī)器人、微流控芯片、生物醫(yī)學(xué)設(shè)備等。優(yōu)勢(shì)微馬達(dá)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(jī)械結(jié)構(gòu)，通過電磁力、氣壓或其他驅(qū)動(dòng)方式，將流體從一個(gè)地方輸送到另一個(gè)地方。工作原理微泵通常通過推動(dòng)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(chǎng)驅(qū)動(dòng)微型隔膜或振動(dòng)，從而推動(dòng)流體移動(dòng)。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(dá)到微米級(jí)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(hào)來控制執(zhí)行器的運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)流體的控制。應(yīng)用微閥在微流體系統(tǒng)、生物醫(yī)藥、化學(xué)分析和微型機(jī)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(jī)器人，可用于進(jìn)行微創(chuàng)手術(shù)，減少手術(shù)創(chuàng)傷，加快患者恢復(fù)。2診斷和監(jiān)測(cè)MEMS傳感器可用于制造各種醫(yī)療診斷和監(jiān)測(cè)設(shè)備，如血糖儀、血壓計(jì)、心電圖儀等，幫助患者進(jìn)行疾病診斷和健康監(jiān)測(cè)。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(shí)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(jìn)細(xì)胞生長(zhǎng)和組織再生，為患者提供更有效的治療方案。MEMS在消費(fèi)電子領(lǐng)域的應(yīng)用智能手機(jī)MEMS傳感器被廣泛應(yīng)用于智能手機(jī)中，例如加速計(jì)、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(yàn)。可穿戴設(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(cè)心率、運(yùn)動(dòng)軌跡等數(shù)據(jù)，提升健康管理水平。游戲機(jī)MEMS傳感器在游戲機(jī)中應(yīng)用廣泛，例如體感操控、虛擬現(xiàn)實(shí)等，為玩家提供更沉浸式的游戲體驗(yàn)。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(yàn)。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(duì)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(dòng)化生產(chǎn)MEMS技術(shù)在工業(yè)自動(dòng)化中發(fā)揮著關(guān)鍵作用，推動(dòng)了智能制造和工業(yè)4.0的發(fā)展。智能監(jiān)測(cè)MEMS傳感器可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)工業(yè)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障并進(jìn)行預(yù)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(dǎo)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(jìn)系統(tǒng)，提高衛(wèi)星的機(jī)動(dòng)能力。飛行器MEMS傳感器可以用于飛機(jī)的導(dǎo)航，姿態(tài)控制，氣壓測(cè)量，