MEMS制造工艺在线视频

同学们好

前面我们已经学习了

制备集成电路需要的微纳加工技术

而且也讲了一个CMOS集成实例

在前面的课程里面

工艺的讲解重点是落脚在集成电路上面

希望同学们通过前面的学习

对于集成电路的加工有一个很清晰的理解

今天我们要学习另外一大类器件

也需要通过微纳加工的手段来实现

这类器件叫做微机电系统

微机电系统英文叫Micro Electro Mechanical System

简称MEMS

随着这类器件的尺寸越做越小

也有将Micro改为Nano

那就称为NEMS

中文就变成纳机电系统

MEMS和NEMS是属于统一类的

只是NEMS NEMS制造工艺里面

涉及到纳米尺度

而MEMS MEMS的制造工艺里面是微米尺度

前面课程讲到的用于制造集成电路的

各种各样的单步工艺

都是可以用于制备MEMS器件的

我们今天的课程重点讲一些

独特的用于MEMS的制造工艺

那么这一章的内容我们要分成四个小节

分别是

我们先讨论一下什么是MEMS

第二个我们讨论一下体型微纳加工技术

第三个我们学习一下表面微纳加工技术

最后我们给两个典型的

MEMS器件的制备工艺案例分析

好 首先是第一节 什么是MEMS

让我们先看一看MEMS器件的一些图片

这张图是美国布朗大学制备的MEMS马达

这张图显示的是美国Case Western大学

制备的基于碳化硅材料的高温压力传感器

这个传感器可以在400℃工作

最下边这张图

显示的是由我们学校

清华大学微电研究所

所设计和制造的硅麦克风

所以从这个图也可以看到

这个硅麦克风是非常非常小的

它比一毛钱的硬币还要少得多

看完这些图片

那究竟什么是MEMS

MEMS的全拼是

Micro-Electro-Mechanical System

翻译成中文就是微机电系统

指尺寸在几个毫米乃至更小的一种装置

它的内部结构一般在微米甚至纳米量级

是具有机械或者电信号控制功能的系统

MEMS主要有微型机构

微型传感器 微型执行器

和相应的处理电路几个部分组成

它是在融合了多种微细加工技术的前提下

而且应用了现代信息技术的最新成果

在这个基础上面

发展起来一种高科技的前沿学科

微机电系统涉及到电子工程 材料工程

机械工程 医学及生物工程

等多种学科和工程技术

为智能系统 消费电子 可穿戴设备

智能家居 系统生物技术与微流控技术

等领域开阔了广阔的用途

常见产品包括MEMS加速度计

MEMS麦克风

微马达 微泵 微振子

还有MEMS的压力传感器

MEMS的陀螺仪

MEMS的湿度传感器等各种各样的集成产品

微机电系统的特点

一是微型化

MEMS一般体积很小 重量很轻

耗能也比较低

第二个特点是以硅为主要材料

机械 电器性能都很优良

第三个是批量生产

因为我们用微纳加工技术

当我们用硅片 一片硅片上面

可以做很多MEMS器件

所以用这种硅微纳加工技术

在一片硅片上可以同时制造成百上千个

微型机电装置和完整的MEMS器件

所以批量生产也可以大大地降低我们的成本

最后是集成化

它可以把不同功能 不同敏感

传感方向或执行功能的

多个传感器或执行器集成于一体

这样就形成一个微传感器阵列

微执行器阵列

甚至把多种功能的器件集成在一起

形成一个复杂的微系统

这是MEMS的一个特点

微机电系统是从微传感器发展而来的

已有的几次突破性进展

一个是70年代微机械压力传感器产品问世

在市场上广泛得到应用

第二个就是80年代末研制出来

硅静电微马达

另外一个标志性的进展就是

90年代喷墨打印机头

硬盘的读写头 硅加速计和数字微镜器件

这些都是基于MEMS技术的

在过去的5-10年

由于大家每个人都用的智能手机的推广

使得微机电系统

得到广阔的应用和飞速的发展

那么MEMS器件可以有多小呢

它们可能是一个米粒大小 也可能更小

比如说汽车上面

像每个汽车上面都有一个气囊的

一个部署系统

它里面有一个惯性传感器

它的主要功能就是检测汽车的加速度

如果发生碰撞事故的时候

汽车将会有一个很大的负的加速度

把速度降下来

如果负加速度超过阈值

那么我们的传感器就发出一个信号

控制安全气囊弹出

从而保证了驾驶员的生命安全

那么这张图显示的是一个

只有米粒大的微型汽车

其实我们生活中

还有许许多多MEMS的器件

包括手机里面的加速度传感器 麦克风

三轴的陀螺仪等等

所以MEMS器件它是无处不在的

它的尺寸都十分微小 而功能却丝毫不差

现在都在使用智能手机 对不对

那么你的智能手机里有多少MEMS芯片

我们来拿iPhone为例子

iPhone 6 Plus里面它包括

我们这边有一张图 大家可以看到

它包括了加速计 陀螺仪

电子罗盘 指纹传感器

距离与环境光传感器

MEMS麦克风和气体气压传感器

多达七八种

MEMS芯片在一个iPhone6里面

已经集成了很多很多MEMS芯片

它是一个传感器 传感更多的东西

传感压力 传感环境光 传感温度等等

正是因为这些芯片 你打电话的时候

iPhone6会知道你的手机离你的脸有多远

才知道你走多少步了

才知道你手机是一个垂直的方向

还是水平的方向呢

所以大家可以看到

现在MEMS芯片有了一个非常广阔的应用

前面我们提到的MEMS主要有微型传感器

微型执行器和相应的处理电路几个部分组成

MEMS的微传感器是指

采用微电子和微机械加工技术

制造出来的新型传感器

它是一种微型的检测装置

能感受到被检测量的信息

并能将感受到的信息按一定的规律

变换成为电信号或其他所需要的形式信息输出

来满足信息的传输 处理 存储

显示 记录和控制等等要求

这张图显示的就是一个微型压力传感器

大家可以看到 传统的压力传感器

经过MEMS技术微型化之后

它的大小 尺寸大小大大减小

尺寸小了很多 MEMS微执行器

是指将控制信号和能量转换为

可控运动和功率输出的器件

也就是在MEMS系统里面 在控制信号下

可以对环境做功的器件

比如我们这个图的微马达

就是这样一个微执行器

我们可以将MEMS系统和人做一个对比

以此来加深我们我们对MEMS系统的理解

MEMS系统里面的微传感器就相当于人的神经

用于感应特定的信号 比如压力信号

加速度信号等等

然后将其转化为电信号便于处理

那么这个处理电路就相当于人的大脑

人的大脑接受传感器传来的信号进行分析

然后将控制信号发到执行器上面

这里的执行器就相当于人的肌肉

有处理电路 就是大脑传过来的控制信号

来做出相应的动作出来

所以说MEMS系统是一个可以感知特定信号

并根本这个信号做出特定响应的

一个微型的机电系统

它在电子 在医疗 在汽车 在航天

等等很多领域都有非常广泛的应用

这一节的课程重点解释

什么是微机电系统MEMS

相信大家通过今天的学习

可以很好地回答这个问题

谢谢大家