与微制造优秀课件.pptx
- 【下载声明】
1. 本站全部试题类文档,若标题没写含答案,则无答案;标题注明含答案的文档,主观题也可能无答案。请谨慎下单,一旦售出,不予退换。
2. 本站全部PPT文档均不含视频和音频,PPT中出现的音频或视频标识(或文字)仅表示流程,实际无音频或视频文件。请谨慎下单,一旦售出,不予退换。
3. 本页资料《与微制造优秀课件.pptx》由用户(晟晟文业)主动上传,其收益全归该用户。163文库仅提供信息存储空间,仅对该用户上传内容的表现方式做保护处理,对上传内容本身不做任何修改或编辑。 若此文所含内容侵犯了您的版权或隐私,请立即通知163文库(点击联系客服),我们立即给予删除!
4. 请根据预览情况,自愿下载本文。本站不保证下载资源的准确性、安全性和完整性, 同时也不承担用户因使用这些下载资源对自己和他人造成任何形式的伤害或损失。
5. 本站所有资源如无特殊说明,都需要本地电脑安装OFFICE2007及以上版本和PDF阅读器,压缩文件请下载最新的WinRAR软件解压。
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 制造 优秀 课件
- 资源描述:
-
1、2023-1-114.1MEMS与微制造2023-1-12六英寸的飞机2023-1-1344克的小飞机2023-1-14六英寸直升机(HR-1)_12023-1-15微型涡喷发动机_12023-1-16微型涡喷发动机_22023-1-17大小:55 10mm2023-1-184.1MEMS与微制造MEMS是Micro Electro Mechanical Systems的缩写。即微 机电系统,它是在微电子技术的基础上发展起来的,融合了硅微加工、LIGA技术和精密机械加工等多种微加工技术,并应用现代信息技术构成的微型系统。它包括感知和控制外界信息(力、热、光、生、磁、化等)的传感器和执行器,以及
2、进行信号处理和控制的电路。美国:MEMSMicroElectroMehanical System欧洲:Micro System日本:Micro Machine其它:Micro&ano 技术2023-1-19SystemSystemXMicroX?ControlElectronicsMicroelectronics2023-1-110微机电系统MEMSMEMS发展历史回顾压力传感器:54年:Si、Ge压阻效应66年:机械研磨做硅腔70年:各向同性腐蚀硅腔76年:KOH 腐蚀,MEMS加工手段80年代:集成式压力传感器目前:新机理压力传感器1947年:发明晶体管-技术基础19世纪的照相制版技术,诞
3、生了光制造技术。2023-1-111发展的历史19世纪的照相制版技术,诞生了光制造技术。20 世纪60 年代,加利福尼亚和贝尔实验室开发出微型硅压力传感器,70 年代开发出硅片色谱仪、微型继电器。7080 年代利用微机械技术制作出多种微小尺寸的机械零部件。1988 年uc2Muller 小组制作了硅静电马达,1989 年NSF 召开研讨会,提出了“微电子技术应用于电(子)机系统”。自此,MEMS 成为一个世界性的学术用语,MEMS 技术的研究开发日益成为国际上的一个热点。目前,在美、日、欧三地轮回每年举行一次,名为IEEE 国际微机电系统年会。2023-1-112微机电系统MEMS82年:美国
4、U.C.Bekeley,表面牺牲层技术 微型静电马达成功 MEMS进入新纪元2023-1-113微机电系统MEMS 九十年代初九十年代初ADIADI的气囊加速度计实现产业化的气囊加速度计实现产业化2023-1-114微机电系统MEMS90年代中:ICP的出现促进体硅工艺的快速发展2023-1-115微机电系统MEMS九十年代末九十年代末SandiaSandia实验实验室室5 5层多晶硅技术代表最层多晶硅技术代表最高水平高水平2023-1-116微机电系统MEMS2000年底/:MEMSSi宣布研制成功与标准CMOS兼容的加速度计新动向2023-1-117一般地说,MEMS具有以下几个非约束性的
5、特征:(1)尺寸在毫米到微米范围之内,区别于一般宏(Macro),即传统的、大于1 厘米尺度的“机械”,但并非进入物理上的微观层次;(2)基于(但不限于)硅微加工(Silicon Microfabrication)技术制造;(3)与微电子芯片类同,可大批量、低成本生产,性能价格比传统“机械”制造技术大幅提高;(4)MEMS中的“机械”不限于狭义的机械力学中的机械,它代表一切具有能量转化、传输等功能的效应,包括力、热、声、光、磁,乃至化学、生物能等;(5)MEMS的目标是微“机械”与I C 集成的微系统有智能的微系统。用以上特征衡量,用微电子技术(但不限于此)制造的微小机构、器件、部件和系统等都
6、属于MEMS范围,微机械和微系统只是MEMS发展的不同层次,有关的科学技术都可统称为MEMS技术。2023-1-118在微机械中通常使用硅作为功能材料,这是由于硅材料具有下列的特点:(1)它比铝轻,比不锈钢的拉伸强度高,硬度高,弹性好,抗疲劳;(2)在许多环境下,不生锈,不溶解,耐高温;(3)可借用现有的集成电路加工设备及工艺技术,很容易制作出微米程度的微构造,从而大大降低MEMS的研制费。(4)利用集成电路技术在可能把微机械同微处理器、传感器等电路巧妙地集成到一块硅片上;(5)利用光刻技术和自动生产线可廉价大量生产;(6)硅资源很丰富,市场上有大量的高纯度硅片出售。2023-1-119对微构
7、造而言,由硅制作的膜片、梁或弹簧呈现很好的弹性且无塑性变形,其机械强度和可靠性比同样形状和尺寸的金属微结构更为优异。2023-1-1204.1.1MEMS的含义微型机械(Micro machine,日本惯用词)或称微型机电系统(Micro Electro-Mechanical Systems,美国惯用词)或微型系统(Micro systems,欧洲惯用词)。它是指可以批量制作的集微型机构、微型传感器、微型执行器以及信号处理和控制电路、甚至外围接口、通信电路和电源等一体的微型器件或系统,其特征尺寸范围为1nm10mm.2023-1-121图4-2MEMS与外部世界的相互作用示意图2023-1-1
8、22图4-2 表示了一个完整MEMS 的构成内容和相互关系。从表面看,这个框图与传统的自动控制系统没有明显区别,但与传统的系统相比,微型传感器的使用将系统的体积明显缩小。在小型化过程中,MEMS系统经历了分立传感器小型化后出现的单板系统、传感器芯片与集成电路芯片封装在一起的多模块(MCM)系统和传感器与集成电路制作在一个芯片上的单芯片系统。在MEMS 中:微传感器是将外部的力、热、声、光、化学等信息转化为电信号,并传给处理电路;处理电路对信号进行放大、转换、计算等处理,并对微执行器发出指令;微执行器根据指令对外部发生动作。2023-1-123Figure 2.(a)A MEMS silicon
9、 motor together with a strand of human hair,and(b)the legs of a spider mite standing on gears from a micro-engine.2023-1-1244.1.2MEMS的特征MEMS的制作主要基于两大技术:IC技术和微机械加工技术。与传统的微电子和机械加工技术相比,MEMS技术具有以下几个显著的特点:(1)微型化MEMS技术已经达到微米乃至亚微米量级,利用MEMS技术制作的器件具有体积小、耗能低、惯性小、频率高、响应时间短等特点,可携带性得以提高。(2)集成化微型化利于集成化,把不同功能、不同敏感
10、方向和制动方向的传感器、执行器集成于一体,形成传感器阵列,甚至可以与IC 一起集成为更复杂的微系统。2023-1-125(3)以硅为基本材料主要有晶体硅和氮化硅等。力学特性良好,具有高灵敏性,强度、硬度和弹性模量与铁相当,密度同铝,仅为钢的三分之一,热传导率接近铜和钨。(4)生产成本低在一个硅片上可同时制作出成千上万的微型部件或MEMS,制作成本大幅度下降,有利于批量生产。4.1.2MEMS的特征2023-1-1264.1.3MEMS的研究领域微电子机械系统(MEMS)技术基于微电子和微机械的有机集成,涉及微电子学、微机械学、微材料学、微摩擦学、微电磁学、微光学、微动力学、微流体力学、微热力学
11、、自动控制、物理、化学及生物医学等多个学科的研究领域,集约了各学科前沿领域研究的新技术、新成果,和纳米科学技术(NST)一起被列为21 世纪关键技术之首。概括起来,MEMS研究可以分为理论基础、技术基础以及应用领域3个主要组成部分。2023-1-1271.基础理论在微观领域,许多物理现象同宏观领域相悖,这可由尺寸效应来解释。尺寸效应:当物体的尺寸L改变时,种种的物理量比例于而变化的现象。例,蒲公英的种子或灰尘的下落;潜水艇的反作用的惯性力的推动。热交换和化学反应煮萝卜,铁粉的燃烧。微机械常用材料、微构造的机械特征、微构造的振动特性、微构造的热特性、微机械的驱动原理等。nL2023-1-1282
12、.技术基础(1)微系统设计技术;计算机辅助设计(CAD)是微系统设计的主要工具。(2)微细加工技术;是微机电系统技术的核心技术。(3)微机械材料;包括用于敏感元件和致动元件的功能的材料、结构材料,具有良好电气、机械性能,适应微型加工要求的材料。(4)微系统测量技术;涉及材料的缺陷、电气机械性能、微结构、微系统参数和性能测试。在测量的基础上,建立数学、力学模型(5)微系统的集成和控制。包括系统设计、微传感器和微执行器与控制、通信电路以及微能源的集成等。2023-1-1293.应用领域微传感器、微致动器是构成微机电系统的基础。1.微传感器 微传感器是MEMS最重要的组成部分。1962年第一个硅微型
13、压力传感器后,微传感器得到了迅速的发展,同时MEMS技术的应用又使传感器的性能提高了几个数量级。如今,微传感器主要包括以下几种:面阵触觉传感器、谐振力敏传感器、微型加速度传感器以及真空微电子传感器等。已经研究或形成的器件主要有:力、加速度、速度、位移、pH值、微陀螺、触觉传感器等。其中,微压力传感器是利用机械结构的固有频率在外力作用下其频率发生变化来检测外力的,它将被用在未来机器人的人造皮肤上,使机器人具有敏锐的触觉,机器人的四肢将变得和人的四肢一样灵巧。微型加速度传感器采用电阻热激振、压阻电桥同步枪测的方法来获得信号输出。汽车安全气囊的核心部件就是微型加速度传感器,另外,未来机器人的运动平衡
14、系统也将用到这种传感器,使其运动像人一样稳健和灵活。2023-1-130传感器n位置传感器 電位計電位計 直線式電位計 2023-1-131传感器(續)n位置传感器 電位計電位計 轉動式電位計 2023-1-132传感器(續)n位置传感器 編碼器編碼器 直線式編碼器 2023-1-133n位置传感器 編碼器編碼器 轉動式編碼器 传感器(續)2023-1-134n溫度传感器 熱敏電阻熱敏電阻 橋式溫度感測電路 传感器(續)3133112RRVRVRRVRVRTRoutrefoutref2023-1-135n溫度传感器 半導體溫度感測器半導體溫度感測器 電流型之積體電路溫度感測電路 传感器(續)2
15、143lnIIqKTVVVBEBET2023-1-136n力量传感器 典型之力量量測通常以4個應變規(strain gage)貼於如圖所示之待測物件上。力量传感器 传感器(續)2023-1-137n力量传感器 力量传感器等效電路 传感器(續)LLGVRRVRRRRRRRRRRRRVVrefrefrefout222023-1-138n光度传感器 最常用之光度感測元件為光電晶體,輸出電流IC與入射光之能量成正比,而入射光之能量又可以LED之光電流IP來表示,量測IC即可求出光之照度。传感器(續)光電晶體等效電路 2023-1-1392.微致动器电子式能量转换器之一,其功能是将电能转换成物理量。微致
16、动器主要种类有:微机电、微开关、微谐振器、微阀门和微泵等。微执行器的驱动力主要有静电、压力、电磁和热。如以静电作为动力的微执行器,用静电间的吸引力,改变极间的电压就可以推动某一板做机械运动。进一步将微型执行器分布成阵列,系列化可以做很多事,如物体的搬运、定位等。2003 年MEMS 会议上,瑞士的L.Dellman 报道了一种用于手表的微型机械加工压电弹力电机,力距高达1N.m,而功率仅10W。2023-1-140物理量物理量致致动动器器 运动电动机溫度电阻应变压电致动器力量电动机光灯泡影像激光打印机压力压电材料射线同步加速器电波电波发射器常用物理量与致动器之对照表 2023-1-141202
17、3-1-142n步進馬達 當CC激能時,轉子順時針轉15,若DD接著激能,則轉子再順時針轉15。致動器(續)四相單極步進馬達 2023-1-1434.1.4MEMS的设计技术微机电系统的设计加工与传统的设计加工不同,传统的设计加工思路是从零件到装配最后到系统,是自下而上的方法;微机电系统是采用微电子和微机械加工技术将所有的零件、电路和系统在通盘考虑下几乎同时制造出来,零件和系统是紧密结合在一起的,是一种自上而下的方法。微系统的设计技术主要是设计方法的研究,其中计算机辅助设计(CAD)是微系统设计的主要工具。2023-1-144 Unfortunately,to date there is a
18、lack of adequate advanced software based design tools to fully model,analyse and simulate MEMS microstructures as well as integrated MEMS/IC devices.This has acted as a barrier to the development of MEMS devices and systems.One of the most successful and commercially availablesoftware design tools t
19、oday is MEMCAD,a package fro Microcosm Technologies in North Carolina,USA.2023-1-145MEMS的迅猛发展对其测试系统提出了很高的要求,MEMS器件除了电子系统外,还包含了非电子系统。对MEMS除了进行相关的电子学测试外,还应包括微机械结构和形貌测试,微机械力学与动态特性测试,微机械系统中热学特性测试,微机械光学特性测试等。因此,MEMS的测试要比集成电路测试更为复杂。MEMS测试系统对精密光学制造,高精度的光电传感器,精密机械的加工,精细控制,微弱信号的变换与检测等提出了很高的要求。目前,MEMS测试技术的研究在
20、国际上已引起了高度重视,针对不同的MEMS器件和应用目的,已经研制开发出一些有实用价值的测试仪器,如美国Sandian国家实验室研究的MEMS器件可靠性测试系统,麻省理工学院的Freeman教授领导研究的基于计算机视觉的MEMS测试系统。4.1.5MEMS的测量技术2023-1-1464.1.5MEMS的测量技术涉及几何量、力学量、电磁量、光学量和声学量的检测。1.MEMS用材料性能测试;包括MEMS用结构与功能材料性能的测试,应研究的方向包括:评估方法怀标准,功能材料专项性能测试技术,关键功能材料性能测试仪器与手段。2.MEMS产品加工过程参数测试;包括相关的电路测试技术研究,三维结构形貌与
21、尺寸测试技术,微观机械特性测试技术,表面膜结构与性能测试技术。3.MEMS芯片基本功能测试。包括芯片级微机械动态船尾测试技术、微机械光学测试技术、微机械力学特性测试技术、微机械结构分析技术等专用测试技术。2023-1-1474.1.6MEMS的加工传统的制造业依赖大量的关键机械设备和有关的工艺,这些设备和工艺已有几十年甚至上百年的历史了。例如铸造、锻造、车削、磨削、钻孔和电镀等均是一个综合的制造环境所必不可少的。这些设备和工艺与大量的其它物理和化学手段及工艺均用作制造环境的基础,它们在半导体产业中均具有其相应的替代技术。光学光刻,耦合等离子刻蚀,金属的溅射涂覆,金属的等离子体增强化学汽相淀积和
22、介质隔离以及在掺杂工艺中的离子注入和衬底处理,现都已成为集成电路制造中的常规工艺。基于电子束制版和光学投影光刻及电子束直写光刻这种基本的图形加工技术现已成为先进的纳米尺寸作图技术的主要角色。上述的这些设备和技术以及一些还未流行的设备的工艺目前正被用于MEMS的纳米技术制造,且成为微时代的微机械加工设备,2023-1-148离子束4.刻蚀(形成沟槽)5.沉积(形成电路)6.剥膜(去除光致抗蚀剂)3.显影、烘片(形成窗口)窗口2.曝光(投影或扫描)掩膜电子束电子束光刻大规模集成电路加工过程光刻加工(电子束光刻大规模集成电路)1.涂胶(光致抗蚀剂)氧化膜光致抗蚀剂基片2023-1-149从工艺上讲,
23、MEMS的制造技术分为部件及子系统制造工艺和封装工艺,前者包括半导体工艺、集成光学工艺、厚薄膜工艺、微机械加工工艺等;后者包括硅加工技术、激光加工技术、粘接、共熔接合、玻璃封装、静电键合、压焊、倒装焊、带式自动焊、多芯片组件工艺等。MEMS与微电子系统比较,区别在于其包含有微传感器、微执行器、微作用器、微机械器件等的子系统,相对静态微器件的系统而言,MEMS的加工技术难度要高。MEMS加工技术是在硅平面技术的基础上发展起来的,虽然历史不长,但发展很快,已成为当今最重要的新技术之一。从目前应用来看,其加工技术主要可分为硅基微机械加工技术和非硅基微机械加工技术。2023-1-150 制作MEMS的
24、技术主要有三种。第一种是以日本为代表的利用传统机械加工手段,即利用大机器制造出小机器,再利用小机器制造出微机器的方法;第二种是以美国为代表的利用化学腐蚀或集成电路工艺技术对硅材料进行加工,形成硅基MEMS器件;第三种是以德国为代表的LIGA(LIGA是德文Lithograpie光刻、Galvanoformung电铸和Abformung塑铸三个词的缩写)技术,它是利用X射线光刻技术,通过电铸成型和铸塑形成深层微结构的方法。2023-1-151 第二种方法与传统IC工艺兼容,可以实现微机械和微电子的系统集成,而且该方法适合于批量生产,已经成为目前MEMS的主流技术。由于利用LIGA技术可以加工各种
25、金属、塑料和陶瓷等材料,而且利用该技术可以得到高深宽比的精细结构,它的加工深度可以达到几百微米,因此LIGA技术也是一种比较重要的MEMS加工技术。2023-1-152 硅微机械加工工艺有很多种,传统上往往将其分为体硅加工(bulk micromachining)工艺和表面硅加工(surface micromachinig)工艺两种。前者一般是对体硅进行三维加工,以衬底单晶硅片作为机械结构;后者则利用集成电路工艺相似的平面加工手段,以硅(单晶或多晶)薄膜作为机械结构。然而,由于当前硅微机械加工工艺飞速发展,不断有新的工艺方法出现,许多工艺方法可以同时用于体加工和平面加工,有些方法则兼具体加工和
展开阅读全文