微电子机械系统(MEMS)器件中的普通物理学原理

简要介绍了微电子机械系统,一个新兴的高新技术领域,并以微机械陀螺和加速度计结构为例说明了物理学基本原理在MEMS器件中的应用。

微电子机械MEMS陀螺仪的原理和测试方法研究

作者从原理出发,结合实际开发的产品,由浅入深,提供了微电容检测和Q值测试方案,以及如何实现自动化测试。测试不仅能够检查裸芯片的性能是否符合要求,提前筛除不合格的产品,还能监视工艺的变化而可能导致的参数变化。

采用锯齿肋壁强化硅基MEMS微通道相变换热

为提升微通道相变换热器综合性能,包括同时实现降低沸腾起始过热度、提高传热系数和抑制沸腾传热不稳定性,提出了一种具有锯齿形肋壁的硅基微电子机械系统(MEMS)微通道结构,并对常规并联微通道与锯齿肋壁微通道开展了对比实验研究。结果表明,锯齿肋壁的齿根处提供了众多有效核化穴,实现了2℃低过热度下的沸腾启动,较常规并联微通道的沸腾起始过热度降低了18℃。由于大量锯齿形核化穴的存在,提高了通道内的气泡核化密度,使得锯齿肋壁微通道中心线处的平均换热系数较常规并联微通道最大提高了约85.5%。同时,较多的气化核心使得过热液层的能量从多个气液相变界面进行潜热释放,气泡生长膨胀速度减缓,抑制了沸腾传热不稳定性。锯齿肋壁的变截面结构对通道内液体产生毛细吸附效应,使得通道内倾向于形成环状流高效薄液膜对流蒸发传热模式,这也是锯齿肋壁强化传热的主要机制之一。

微电子机械系统的发展与希望

本文着重介绍了微电子机械系统的一些最新研究成果及目前技术、工艺、市场的现状.

基于MEMS技术的三维集成K波段四通道T/R微系统

为满足有源相控阵雷达小型化需求,基于微电子机械系统(MEMS)多层3D封装技术研制了一种超小尺寸K波段四通道T/R微系统。该器件结合高精度晶圆、微凸点、重布线层(RDL)、硅通孔(TSV)等先进封装技术,将功能芯片和硅片进行纵向堆叠,实现了异质异构的三维集成,具有限幅、低噪声放大、功率放大、5 bit数控衰减、6 bit数控移相、串并转换等功能。器件尺寸仅为10.3 mm×10.3 mm×3.88 mm,质量为1.1 g,体积、质量均减小至传统砖式模块的1/10。实测噪声系数3.29 dB,接收增益19.22 dB,发射输出功率22 dBm,功率一致性优于±0.6 dB。实测结果与仿真结果吻合,为T/R前端的小型化研究提供了参考。

基于硅基MEMS工艺的Ka波段四通道短砖式三维集成T/R微系统

基于硅基微电子机械系统(MEMS)工艺设计了一种Ka波段四通道短砖式三维集成T/R微系统,实现四通道收发及功率合成功能。器件每个通道具备6 bit数控移相、5 bit数控衰减、电源调制等功能。该T/R微系统由两层硅基MEMS模块堆叠而成,每层硅基模块内部异构集成多个单片微波集成电路(MMIC),内部采用硅通孔(TSV)实现垂直互连,层间采用植球互连,器件尺寸为18 mm×19.5 mm×3 mm。经测试,在33~37 GHz频段内,器件单通道饱和发射功率大于30 dBm,接收增益约为35 dB,噪声系数小于4.6 dB。器件兼顾高性能和高集成度,可应用于雷达相控阵系统。

基于MEMS技术的三维集成射频收发微系统

基于电学互连的贯穿硅通孔(TSV)和高精度圆片级键合等MEMS加工技术,提出了一种硅基射频收发微系统的三维集成结构设计方案,在硅基衬底上将MEMS滤波器、MMIC芯片和控制芯片在垂直方向上集成为单个系统级封装芯片,开发了一套可应用于制备三维集成射频收发微系统的MEMS加工工艺流程。通过基于MEMS技术的三维集成工艺,成功制备了三维集成C波段射频收发微系统芯片样品,芯片样品尺寸为14 mm×11 mm×1.4 mm,测试结果表明,制作的三维集成C波段射频收发微系统样品技术指标符合设计预期,实现了在硅基衬底上有源器件和无源器件的三维集成,验证了所开发工艺的可行性。

微机械(MEMS)技术

微电子机械系统即MEMS(Micro-electromechanical Sys-tems)是纳米电子学的的重要领域是半导体工业中的微细加工技术与机械工业中的做机械加工技术相嫁接即微电子学与微机械学相互融合的产物微机械(Micro machine)就是MEMS的代名词,是迄今最高级的机-电一体化产品。现在。

基于MEMS工艺的微热加速度计和微热陀螺仪的制备

微热加速度计和微热陀螺仪两者传感芯片结构相似,并且制备工艺完全兼容,在同一块绝缘体上硅(SOI)基板上运用同一工艺流程同时制备出了微热陀螺仪传感芯片和微热加速度计传感芯片。为了准确地创建微尺度的图案和结构,设计了四块光刻掩模版来制作该微热加速度计芯片和微热陀螺仪芯片,分别对应于接触孔开口、热敏电阻、互连布线和背面空腔。轻掺杂硅热敏电阻的可控电阻温度系数(TCR)大于传统金属丝,因此选择p型硅作为热敏电阻材料。TCR由硅片的掺杂浓度决定,使用了三种不同掺杂浓度的硅片进行对比实验,从而选定硅片的掺杂浓度为1×10^(17)cm^(-3),对应的TCR为3500×10^(-6)/℃。选择SOI作为衬底材料,显著增强了微热陀螺仪和微热加速度计的耐高温性,并且提高了其灵敏度。在电感耦合等离子体-反应离子刻蚀(ICP-RIE)和氢氟酸(HF)蒸气工艺过程中,通过光刻胶和聚酰亚胺层成功保护了非常薄和易碎的热敏电阻,在4英寸(1英寸=2.54 cm)SOI基板上一次最多可以成功制备出180个微热陀螺仪传感芯片和108个微热加速度计传感芯片,制备的微热加速度计传感芯片尺寸为2 mm×2 mm×0.4 mm,微热陀螺仪传感芯片尺寸为5.8 mm×5.8 mm×0.4 mm。分别对制备的微热加速度计和微热陀螺仪进行了测试,微热陀螺仪x轴灵敏度为0.107 mV/(°/s),y轴灵敏度为0.102 mV/(°/s),微热加速度计灵敏度为13 mV/g。通过一次工艺流程制备出两种热流体惯性传感器,极大地缩短了制备时间,降低了制备成本,成功实现了高精度的批量生产。

第一项由我国主导制定的微机电系统(MEMS)国际标准IEC 62047-25:2016正式发布

2016年8月25日,IEC正式发布了由我国主导制定的第一项微机电系统（MEMS）领域国际标准,标志着我国MEMS领域国际标准化工作实现了零的突破。1微机电系统及加工技术MEMS是指关键（部件）特征尺寸在亚微米至亚毫米之间,能独立完成机电光等功能的系统（GB/T 26111）,也可称作微电子机械系统、微系统、微机械等。因具有微型化、智能化、多功能、高集成度和适于大批量生产等特点,使得MEMS在民用和军工方面都显现出了巨大的应用潜力,

MEMS微陀螺仪研究进展

回顾了MEMS微陀螺仪的研究进展,简单介绍了MEMS微陀螺仪的市场应用。微陀螺仪是MEMS器件中非常重要的一类器件。它的运用已经从单纯的航空领域逐渐转向汽车、消费电子行业等低端市场,这意味着微陀螺仪除了传统意义上的高精度高稳定性的要求,也可以向低精度商品化发展。传统的振动式陀螺,由于原理的局限性和加工技术的限制,很难达到战术级和惯性级的要求。导航级集成微陀螺(NGIMG)项目建议使用其他途径,以减少器件的可移动部件和降低工艺难度,从而提高其精度和抗干扰能力。各种设计方法近年来层出不穷,其中悬浮转子式微陀螺是目前精度最高的陀螺仪,微集成光学式陀螺也将在未来一段时间拥有巨大的研究潜力和发展空间。

基于MEMS技术的微型流量传感器的研究进展

流量测量是工业生产和科研工作的重要的检测参数.近年来,随着对微电子机械系统(MEMS)的深入研究和取得的进展,传统的工业和流体力学研究的流量传感器向高集成度,微型化,高精度,高可靠性方向发展,同时生命科学的发展大大促进了用于微流体,生物学、医学、卫生、食物等学科研究新型微型流量传感器的研究开发,微型流量传感器已成为MEMS的重要研究方向.本文对基于MEMS技术的流量传感器技术的原理、分类作了简要介绍,归纳和评述了各种基于MEMS技术的流量传感器(热式型,差压型,升力型,流体振动型,科里奥利型及仿生型微型流量传感器等)的生产工艺和应用特点,并对基于MEMS技术的微型流量传感器的校正方法做了总结归纳.介绍了国内在微型流量传感器方面的研制工作.最后总结归纳出基于MEMS技术的流量传感器发展不同阶段并阐述了各个阶段的发展特点,并对基于MEMS技术的流量传感器新的发展趋势进行了展望.

基于MEMS的硅基PZT薄膜微力传感芯片

为了测量毫克级的微小力，设计并制造了一种硅基PZT薄膜悬臂式微力传感芯片。采用溶胶-凝胶（Sol-Gel）方法在Pt／Ti／SiO2／Si衬底上成功制备了厚度不同（300-800nm）的锆钛酸铅（Pb（ZrxTi1-x）O3）薄膜，薄膜表面均匀，无裂纹。通过测试和分析，研究了PZT薄膜的制备工艺参数和压电、铁电、阻抗特性。采用微机械加工手段制作了长度为1000μm、500μm、250μm的硅基PZT薄膜微型悬臂结构。当在悬臂的自由端沿着厚度方向施加毫克级的微小力时，微型悬臂就会在厚度方向发生弯曲和振动，通过测量在压电材料表面电极上的电荷量，并通过计算可得到微型悬臂所受的集中力的大小，实现微力的测量。该文还对微力传感芯片的工作方式进行了研究，初步设计了传感器系统模型。

基于MEMS的矩形微同轴技术研究现状

矩形微同轴技术已成为射频微电子机械系统(RF MEMS)的一个重要发展方向。矩形微同轴的电性能相比于传统的传输结构(如微带、共面波导等)在毫米波宽带领域具有巨大优势。从结构、性能等方面对矩形微同轴进行了简要分析。回顾了矩形微同轴技术在其发展的不同阶段出现的体硅刻蚀技术、EFABTM和PolyStrataTM技术,并对矩形微同轴的结构、加工工艺及射频性能等方面进行了简要分析。介绍了矩形微同轴技术在不同RF MEMS中的应用,并对获得的特性进行了讨论。矩形微同轴技术应用于高度集成的RF MEMS是发展的必然趋势,必将对传统射频电路的设计、制备及系统集成产生巨大影响。

MEMS微针研究

MEMS微针是目前的一个研究热点,是实现无痛给药、抽血和生化检验集成化的关键。本文探讨了MEMS微针的研究进展,给出了MEMS微针的研究结果,讨论了MEMS微针在实际中应用还应解决的关键问题。

微尺度热科学及其在MEMS中的应用

主要介绍了微尺度热科学最新研究成果及其在MEMS中的应用。微电子机械系统(MEMS)的高速发展为微尺度物理现象及其内在机理的研究提供了机遇和挑战。微尺度热科学是微尺度物理学的一个重要分支 ,包括微尺度传热学、微尺度动力学和微尺度热测量学等。一般来说 ,微尺度热现象的尺度效应可以归结为热流密度大和热惯性小这两个特点 ,在MEMS器件中有广泛的应用。尽管近年来微尺度热科学取得了快速的发展 ,但仍处于不断发展的阶段 ;完整的理论体系还没有建立 ;微尺度下成熟的实验方法还在摸索中 ,实验数据处在原始积累阶段 ;大规模计算条件的实现和分子水平的数值模拟方法为问题的解决提供了另一条途径。

基于MEMS的微泵研究进展

主要介绍了基于MEMS的微泵 10年来的研究成果和研究现状。微泵是微电子机械系统(MEMS)中重要的执行器件 ,在系统中占有很重要的地位。微泵可以分为有阀泵和无阀泵两大类 ,一般来说 ,有阀泵的制造工艺和应用技术比较成熟 ,但存在加工尺寸限制和使用寿命的问题 ;无阀泵的原理新颖 ,结构相对简单 ,更适合微型化发展 ,是目前研究的热点。

MEMS微发火器件研究现状

首先分析了国内外关于微电子机械系统(MEMS)微发火器件的研究报道;接着从与MEMS微加工工艺兼容性、发火输出、安全性等角度对比了装药型微发火器件、爆炸箔基微发火器件、多孔硅基微发火器件、含能金属薄膜基微发火器件和半导体桥基微发火器件的特点、研究现状和前沿方向,发现含能金属基和半导体桥基微发火器件两者前景最好,其中含能金属基微发火器件因具有发火输出大、与MEMS工艺兼容性好的优点受到广泛关注,而半导体桥基微发火器件因换能传热效率高、微加工兼容性高受到认可;最后指出改善微发火器件换能传热效率、降低器件无用能量散失和提高发火器件所加载的含能材料能量密度是微发火器件研究的主要方面。

MEMS器件中微气泡执行器气泡动力学研究

采用标准MEMS工艺,设计并制造了一种微芯片来研究微通道中微气泡执行器的气泡动力学行为。在矩形硅微通道内,结合同步的温度响应曲线和高速可视化实验系统研究了各可控参数（热流密度、脉冲频率和主流流速）对微气泡执行器（40μm×20μm）的核化温度、温升速率、气泡生长延迟时间差及气泡形态等气泡动力学行为的影响。结果表明,随着热流的增大,气泡核化的时间前移,最大气泡的直径增大;脉冲频率越高,温升速度越快,最大气泡的直径越小;主流流速越高,气泡生长延迟时间差越长,且低流速下由于小气泡的出现将导致膜温响应曲线出现锯齿状波动;在实验的工况下,气泡的核化温度受可控参数的影响不大,均保持在120℃左右。