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合肥工业大学MEMS考试复习资料完全版.doc

发布时间：2022-06-05 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：3.36M 资料格式：doc 举报 版权申诉
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    第一章 绪论 1. 微电子工业与 MEMS 的关系(网上搜索) 切题： 微电子工业与 MEMS 的关系主要有以下几点： 1) 对于 MEMS 的发展而言，微电子工业集成电路技术是起始点。比如 XXX->YYY。集成电路产业按 照摩尔定律一直发展到今天，推动着信息社会的迅速发展。MEMS 是由集成电路技术发展而来的。 它经过了大约 20 年的萌芽阶段，在萌芽时期，主要是开展一些有关 MEMS 的零散研究。 2) 集成电路是用微电子技术制造控制芯片，以控制宏观非电子系统的运作。而 MEMS 用批量化的微 电子技术制造出微纳尺寸的微观非电子系统，实现集成电路这个电子系统和非电子系统的一体化 集成，从根本上解决信息系统的微型化问题，实现许多以前无法实现的功能。 3) 今天的 MEMS 的发展与 40 年前的集成电路类似，MEMS 对未来的社会发展的推动已经逐步显现， 它也是 21 世纪初一个新的产业增长点。 不切题: 1) 微系统是从微传感器发展而来的，已有几次突破性的进展。70 年代微机械压力传感器产品问世， 2) 80 年代末研制出硅静电微马达，90 年代喷墨打印头，硬盘读写头、硅加速度计和数字微镜器件等 相继规模化生产，充分展示了微系统技术及其微系统的巨大应用前景。 3) 电子器件小型化和多功能集成是微加工技术的推动力。 2. 几种主要的商业化 MEMS 器件及其优点(列举两到三种) 概括： 1) MEMS 压力传感器 优点：具有较高的测量精度、较低的功耗和极低的成本。 2) 喷墨打印头 优点：廉价，性能好，可以提供高品质的彩色打印。（高分辨率，高对比度） 3) 数字光处理器(DLP) 优点：与 LCD 投影相比，DLP 具有更高的像素填充因子，更高的亮度、灰 度和对比度，光利用效率高，对比度和色彩平衡的长期稳定性好。 4) 集成惯性传感器（高灵敏度，低噪声，低使用成本，满足了汽车市场使用的需要） 5) 加速度传感器（16 对地震监测的超高灵敏度，高可靠性与长期稳定性） 具体： (1) MEMS 热喷墨头 喷墨打印机的原理如下：（点 3） 硅的 MEMS 加工技术使得喷墨打印技术成为可能，并且具有很好优势。MEMS 技术可以加工出尺 寸非常小，排布非常密集的喷嘴阵列，这对于实现高分辨率和高对比对打印非常重要；另外，喷墨 空腔可以制造得非常小，使得里面的墨水能够迅速升温/降温，使得喷墨打印获得较高的打印速度。 (2) MEMS 压力传感器（39） 硅压阻式压力传感器是一种薄膜原件，是采用高精密半导体电阻应变片组成惠斯顿电桥作为力电变 换测量电路的，具有较高的测量精度、较低的功耗，极低的成本。惠斯顿电桥的压阻式传感器，如 无压力变化，其输出为零，几乎不耗电。
    (3) MEMS 加速度传感器 有加速度时，质量块发生滑动，可动叉指电极与固定叉指电极的距离发生改变，改变总的电容值， 从而经过换算测出加速度 有灵敏度高，噪声低的特点 3. 热墨喷头的结构(组成)和工作原理 结构组成：喷墨嘴、电阻加热条、墨汁腔（14） 热喷墨技术其工作原理：（1）通过喷墨打印头（喷墨室的硅基底）上的电加热元件（通常是热电阻）， 在 3 微秒内急速加热到 300 摄氏度 ，使喷嘴底部的液态油墨汽化并形成气泡，该蒸汽膜将墨水和加 热元件隔离，避免将喷嘴内全部墨水加热。（2）加热信号消失后，加热陶瓷表面开始降温，但残留余 热仍促使气泡在 8 微秒内迅速膨胀到最大，由此产生的压力压迫一定量的墨滴克服表面张力快速挤压 出喷嘴。随着温度继续下降，气泡开始呈收缩状态。喷嘴前端的墨滴因挤压而喷出，后端因墨水的收 缩使墨滴开始分离，气泡消失后墨水滴与喷嘴内的墨水就完全分开，从而完成一个喷墨的过程。 4. 比例尺度定律的定义 有些在宏观尺度下非常显著的物理效应，当器件尺寸变小以后，性能可能会变得很差。与之相反，有 些对宏观器件可忽略的物理效应，在微观尺寸范围内会突然变得很突出，这称之为比例尺度定律。 严格的比例尺度定律的分析是基于一个物件的特征尺寸 L，即这个物件的其他尺寸都可以用 L 表示。然 后将所要研究是否被该特征尺寸影响的特性表示为 L 的表达式。通过表达式来研究该特性是否会被物
    体尺寸所影响。例如悬臂梁的弹性常数 k=Ewt3/4L3 与 L 正相关 其他例子有：(1) 动物在给定距离移动, 单位重量所做的功 随其质量的增加而下降(步数大减)：(2) 面积、 体积比，新陈代谢率 5. MEMS 传感器与执行器件设计应该考虑的因素 传感器是指用来探测和监测物理、化学现象的器件，它可以转换不同领域的激励信号，并把它们 转换成电信号；敏感可以定义为能量转换过程中产生的感知 传感器的重要特性： 1）灵敏度，输出信号与输入信号的比值 2）线性度，输出信号随着输入信号的变化成比例地变化 3）响应特性，表示测量精度（或分辨率或测量极限） ，表示传感器能测量出的最小信号的大小，通常受噪声限值 4）信噪比，表示信号幅值与噪声幅值的比值 5）动态范围，可测得的最高信号水平和最低信号水平之间的比值 6）带宽，传感器很难响应频率非常高的信号，有效的频率范围称为带宽 7）漂移，由于材料的机械或者电学特性会随着时间发生变化，传感器的响应特性会发生 漂移，漂移较大的传感器无法测量缓慢变化的信号 8）传感器的可靠性，传感器的性能会随着环境条件，比如温度湿度等，和时间推移发生 变化 9）串扰和干扰，用来测量某一变量的传感器可能对另外一些变量也敏感，在使用中应尽 量将交叉敏感降到最小 10）开发成本和时间，降低开发成本和时间对于传感器的商业化应用相当重要 执行器是用来产生机械运动，力和扭矩的器件；执行可以定义为能量转换过程产生的运动 执行器的相关指标： 1）扭矩和力的输出能力，执行器必须要为所执行的驱动任务提供足够大的力或扭矩 2）行程，在一定的条件和功耗下，执行器能产生直线位移或者角位移的量 3）动态响应速度和带宽，执行器必须能够提供足够快的响应，通常执行器的本征谐振 频率应大于系统的最大震动频率 4）材料来源及加工难易程度，有助于减少 MEMS 执行器的成本 5）功耗和功率效率，由于很多微执行器都将用于小的移动平台，这类系统的总功率通 常都很有限，所以低功耗执行器就变得很重要 6）位移与驱动的线性度，好的线性度让微执行器的控制变得更加容易 7）交叉灵敏度和环境稳定性 8）芯片占用面积 6. MEMS 本质特征（3M） 1) 小型化 器件长度尺寸 1cm-1um 小型化能带来很多卓越的性能提升。如喷墨嘴小型化后喷墨速度上升，喷墨精度即分辨率提高 但同时小型化也会带来很多问题。比例尺度定律表明 XXX。所以器件缩小后性能可能会变得很差
    2) 微电子集成 MEMS 最独特的特点之一就是单片集成。即可以将机械处理器/执行器与处理电路/控制电路同时 集成在同一块芯片上，而传统的系统集成芯片只具有处理/控制电路。 微电子集成是实现大面积、高密度传感器和执行器阵列寻址的唯一方法。如对数字光处理器，只 有通过 CMOS 逻辑电路控制，才能寻址其上如此之多的微镜。 3) 高精度的批量制造 源于微细加工和半导体工艺的 MEMS 加工技术，可以高精度大批量的制造用传统机械加工技术难 以制造的结构。并且 MEMS 加工技术具有重复、高效、低成本的特点。制造金字塔形状的孔腔就 是一个例子。 4) 智能化（附） 7. MEMS 换能器工作的能量域 传感器是 XXX，执行器是 XXX。 传感器和执行器统称为换能器，换能器可实现一种能量到另一种能量的转换。主要的能量域有 6 个：1） 电能（E），电压 电流 电流密度 电容等 2）机械能（Mec），压力 速度 流速等 3）化学能（C）， 化学浓度 反应速率 PH 等 4）辐射能（R），电磁波（红外线 紫外线） 高能粒子射线等 5）磁能（Mag），磁场强度，方向 6）热能（T），温度 热容 相变 第二章 微制造导论 8. MEMS 基于微电子硅基工艺的理由 1) MEMS 器件的特征尺寸过小，用传统的机械加工材料和技术很难加工或者根本无法加工 2) 微电子工艺(1)已经建立了成熟的工艺技术, (2)在技术和生产上成本比较低廉, (3)在工艺控制和质 量管理上也有良好的基础，所以 MEMS 器件首先在硅圆片上发展起来。 9. 传统制造与微制造的主要区别，如材料、处理、工艺等 1) 硅是 MEMS 和集成电路的主要衬底材料，机械特性较脆，不能用机械切割工具成形； 2) MEMS 和集成电路制作在平面晶片上；材料的平坦化不仅方便自动化圆片工艺，并且在光刻图形 转移的时候，可以得到较高的均匀性和分辨率。最后，圆片的平整度也保证了整个圆片表面有相 同的晶向（可以一扯相同晶向的重要性） 3) MEMS 芯片或元件一般很小，现有的机器人设备很难夹住、有效处理和装配它们。 10.MEMS 所特有或新兴的工艺及其优点 1) 体微机械加工：体微机械加工工艺包括选择性的去除体(硅衬底)材料形成特定的三维结构或机 械元件，如梁和薄膜。还可以与圆片键合以形成更复杂的三维结构。压力传感器的制作就用到 了体加工。（给出上面压力传感器的图） 2) 表面微机械加工：通过去除薄膜结构下的支撑层来获得可动的机械单元，而不是在衬底下面加 工去形成薄膜。这层间隔层称为牺牲层。悬臂梁就是用表面微机械加工制造的（书 P40 图） 11.DRIE、LPCVD、LIGA、牺牲层腐蚀工艺(名词解释) DRIE： RIE：用可以与靶材反应的离子去轰击靶材，并在表面将其腐蚀，可以有效平整表面并且进行
    钝化，如氢等离子体刻蚀钝化工艺可以钝化掉碳化硅表面的悬挂键。深反应离子刻蚀与 RIE 的区别主 要在于刻蚀深度，通常 RIE 的刻蚀深度为 10um，刻蚀速率为 1um/min，而 DRIE 可以达到 600um， 刻蚀速率通常为 20um/min。DRIE 用于在衬底表面形成各向异性的图案，比如形成硅柱-DRIE 会在柱 子侧壁形成钝化层以保护其不被过度刻蚀，但在底部反弹的粒子也可能轰击掉钝化层，这一系列反应 导致了硅柱侧壁形成了小起伏。 LPCVD：CVD 是使用一种或数种物质的气体以某种方式激活后，在衬底发生化学反应，并淀积出所需 固体薄膜的生长技术。如硅片的氧化硅外延层生长。而 LPCVD 就是在低压下进行的 CVD，降低气压 有助于形成更加均一的表面，并且更重要的是可以避免与大气反应 LIGA：光刻/电镀/成型工艺，先用深层 X 射线对厚 PMMA 进行光刻，显影。再在得到的图形中电镀 金属填补空腔，并去掉光刻胶。得到的金属结构可以作为精细金属部件或者作为模具为后期注模做准 备（41） 牺牲层腐蚀工艺：首先淀积和图形化牺牲层，接着在牺牲层之上淀积结构层。之后选择性地去除牺牲 层以释放顶部的结构层。这种工艺称为牺牲层腐蚀工艺。（40） 12.列举 DRIE(深反应离子刻蚀)可实现的三种 MEMS 结构 微针、梳指状结构、刻硅槽 13.牺牲层腐蚀的基本原理和特点，常用的结构层和牺牲层材料的选择与组合 基本原理及特点 271:在制造时，首先在硅片上沉积一层牺牲层。通过光刻确定牺牲层的外形并使其图 形化，随后沉积并图形化结构层。牺牲层材料应为结构层提供支撑，这种支撑必须具备机械上的坚固 性和化学上的可靠性。牺牲层在工艺过程中应当起可靠空间定位作用。牺牲层后来被选择地去除以释 放压在上面的结构层。如果牺牲层腐蚀是在化学溶液中进行，那么这些液体必须除去才能制成最终的 结构。
    最常采用的材料组合是多晶硅（用作结构层）和磷硅玻璃（简称 PSG，用作牺牲层）。磷硅玻璃能够 承受多晶硅层的沉积。采用等离子腐蚀法可以使多晶硅图形化，这种方法对磷硅玻璃和氧化物的腐蚀 速率较低。采用氢氟酸溶液除去磷硅玻璃的氧化物，纯氢氟酸溶液对于磷硅玻璃有很高的钻蚀腐蚀速 率但对于硅的腐蚀速率却很小。 14.MEMS 工艺中需考虑哪些因素（在教材中，只需要列举 2 至 3 个） 1) 材料的淀积速率和刻蚀速率 2) 淀积速率和刻蚀速率在圆片上的均匀性。 3) 过刻蚀的敏感度。如果工艺对过刻蚀过于敏感，很可能需要精确控制时间，增加工艺的不均匀性 4) 刻蚀的选择性。指要刻蚀的材料的刻蚀速率是否远高于其他材料的刻蚀速率，否则可能出现交叉 刻蚀 5) 温度兼容性。过高的温度可能使一些材料发生化学变化 6) 全部加工工艺时间和工序数。 7) 环境的洁净度要求。 8) 淀积和刻蚀的分布。各种淀积和刻蚀可能形成不同的分布（42） 15.画出一种 MEMS 器件(微加工压力传感器)的工艺流程图，要求至少包含三种单项工艺 具体加工的应用——压力传感器（39） 主要步骤： 1) 清洗裸片 2) 高温炉形成二氧化硅保护膜 3) 淀积薄光刻胶，软烘 4) 光刻胶曝光，显影，形成图形 5) 硬烘 6) 除胶 7) 各向异性湿法腐蚀底部的玻璃 8) 键合另一硅片（一般是玻璃和 Si 的阳极键合） 9) 减薄圆片顶部，形成薄膜(化学机械抛光) 10) 完成掺杂区（离子注入或者扩散） 第四章 静电敏感与执行原理 16.静电敏感与执行的基本原理 静电型换能器的基本依据来自电容器。电容器一般定义为可以存储相反电荷的两个导体，它既可用作 传感器，也可用作执行器。当电容器的相对位置发生变化的时候，其电容值也发生变化，这就是静电 传感器的机理（压力传感器+图）；当电容器上电的时候，两个极板带上不同电荷，产生静电吸引力（通
    常很少用静电排斥力来设计执行器），这就是静电执行器的基本原理（静电驱动微马达+86） 17.静电敏感与执行的主要优点与缺点 1）结构简单 易于实现 仅需两个导电表面，无需专门的功能材料，易于实现。 2）低功耗 静电执行依赖于电压差而并非电流，虽高频时会产生偏置电压的位移电流，有一定的功耗，但低频时 不存在电流，有很高的能效。 3）响应快 转换速度由电容充放电时间常数决定，对于良导体，这一时间极短，故静电敏感与执行可获得较高的 动态响应。 4）缺点是所需电压高 高电压会带来很多问题，比如需要复杂的高压电路，材料是否能够承受如此高压，和在导体与绝缘体 连接处会产生电荷积累的问题。通常在数字显微镜下实现±7.5°的倾角就需要 25V 电压，这高出了通 常 CMOS 工艺的 5V 电压很多。 18.简述静电微马达的工作原理和制作工艺流程（86） （组成：静电微马达由转子以及一组固定电极组成，转子放置于固定在衬底的轴承上，固定电极称为 定子，位于转子外围。定子成组施加同步偏置电压，比如可以将四个电极分为一组。） 工作原理：首先对一组定子电极施加偏置电压（由电极旁边的箭头符号可以判断电极在电压偏置下所 处的状态），该组中任一给定定子与其相邻的转子齿轮之间会产生面内电场，并在它们之间产生静电 引力，从而使齿轮与定子对准。在上百伏电压的作用下，产生的扭矩在皮牛顿米(pN·m)的量级，这足 以克服磨擦。转子小角度运动后，此时电压偏置转移到下一组定子电极上，在相同运动方向引起另一 次的小角度位移。通过分组连续激励定子电极，转子可以实现持续的运动。 工艺流程：271
    19.Pull-in 电压与吸合距离的估算（不考计算题） 讲述吸合距离如何得到： Pull-in 电压：在某一特定偏置电压作用下，机械回复力曲线与静电力曲线相交于一个切点，该切 点处机械回复力与静电力平衡。静电力常数（由交点处梯度给出）的大小等于机械力常数。弹簧 的等效力常数为零，也就是极端柔软。这一特殊条件通常应该小心处理。满足这一条件的偏置电 压称为 pull-in 电压（Up） 吸合距离的估算：PPT160~173，书 p79~p83 Fe=1/2 C U2 d-1 ; Fm=-km x 20.平行板电容器的主要应用类型有哪几类 1) 惯性传感器：利用惯性力 F=ma 改变间距，可以测量加速度 2) 压力传感器：利用压力改变间距 3) 流量传感器 4) 触觉传感器 5) 平行板执行器：应用最多的是沿垂直于电极的法线线性运动或转动的执行器 21.电容式压力传感器的工作方式有哪些 电容式压力传感器有两种工作模式，一种为非接触式方式，另一种为接触式方式。 由于电容反比于极板间距，所以电容器件具有固有的非线性。 非接触式压力传感器在测量范围内两极板不相互接触，依靠极板间距的变化来获得电容值的变化量， 电容的变化量与极板间距成反比，因此非接触式压力传感器线性度较差； 接触式压力传感器用来提高电容式压力传感器的线性度，并提供过载保护。它采用了不同的传感器原 理，两极板在测量范围内相互接触，之间由介质层隔离，通过接触面积的变化获得不同的电容变化量， 当极板接触后，电容值随压力成线形变化，通过优化设计，使得传感器的线性度和灵敏度都得到相应 提高。 22.电容式压力传感器与电路集成的主要方式有哪两种？ 目前出现的集成绝对压力传感器的主要类型为： (1)CMOS 工艺与表面牺牲层工艺相结合（非接触式薄膜压力传感器）。 一般 IC 工艺和表面牺牲层工艺相结合的集成方式会采用电路工艺先加工的集成模式，因为怕若传感器 先被加工，后续的 CMOS 工艺条件会破坏传感器的构造或使其丧失性能。比如高温或者后续材料积淀 会破坏悬空的机械结构。 这种制造方法用表面加工工艺打断 CMOS 工艺。CMOS 工艺分成了两部分，前 CMOS 工艺和后 CMOS 工艺：先进行普通 CMOS 工艺，再进行传感器加工工艺，最后完成 CMOS 工艺上的引线和钝化。 这种工艺主要用在需要产生空腔，即需要用到表面牺牲层工艺的地方 (2)CMOS 工艺，微机械体加工工艺以及硅－玻璃阳极键合相结合 工艺的混合。（上面提到的那种：绝
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