用于微机械器件和微电子机械系统的关键技术：微机械技术

微机械技术是研究，生产微机械器件和微电子机械诉关键技术，熟练掌握并不容易。本文总结了三个单位为时数年在微机械技术方面的研究成果，重点介绍我们首创的三项技术，即自对准的准三维加工技术，硅三维结构的无掩模腐蚀技术和硅／硅低温直接键合技术，也提到我们开展过的其他几项微机械技术以及所制作的几种微机械器件的参数或结果。     

国家微分析中心

国家微电子材料与元器件微分析中心(简称：国家微分析中心)是复旦大学材料科学系主要的科研机构之一，1991年由国家计委立项成立。国家微分析中心长期以来从事微电子领域的微分析工作，承担并完成了“八五”和“九五”期间国家计委“微分析技术及其应用”等重大攻关任务，为我国特别是上海     

CMOS兼容的微机械P/N多晶硅热电堆红外探测器

提出一种采用正面开口进行湿法腐蚀释放热电堆的结构,通过利用高精度光刻、LPCVD(low -pressure chemical vapor deposition)薄膜生长、IBE(ion beam etching)干法刻蚀、TMAH ((CH3)4NOH)腐蚀等微机械加工技术,设计并制作了CMOS兼容的微机械多晶硅热电堆红外探测器.实验得到的器件成品率达到90%以上,响应率为12.5 V/W,探测率1×107 cmHz1/2/W,为进一步大规模红外面阵研究奠定了基础.     

一种新型的微机械可变式光衰减器

介绍了一种新型的连续可变式微机械单模光衰减器的设计与制作。该光衰减器采用电磁型微驱动器驱动一个铁镍合金衰减片，使其插入两根准直的单模光纤的间隙中，依靠精密地调节衰减片切入光路中的位置而实现对传输光功率的连续衰减。采用硅微细加工技术成功地制作出了这种光衰减器，并对微驱动器的性能进行了理论分析。测试结果表明，当传输的光波长为1550nm时，该衰减器的平均插入损耗为2.5dB，衰减范围为2.5-45dB，回波损耗为40dB。     

一种新型腔体式共面波导型微机械射频开关

提出了一种新型的腔体式共面波导型微机械射频开关的结构,可动的金属/电介质的复合膜结构的共面波导既可作射频开关,同时也构成微波信号的传输路径。在普通电阻率(4-8Ω·cm)的硅片上,采用表面微机械加工技术制作出体积大小为:1000μm×600μm×300μm的射频开关,驱动电压为35V,在射频信号频率为50MHz到10GHz的范围内,该开关的插入损耗低于2dB,隔离度高于40dB。     

微机械三维加速度传感器结构及原理分析

体积小、频响宽、造价低的微机械三维加速度传感器能够适应一些领域三维加速度测试的需要,并已开展了广泛的研究.本文综合国内外研究情况,介绍了几种微机械三维加速度传感器的结构,包括单质量块-弹性梁结构、双质量块六梁结构、四质量块结构、梳齿式结构,并对每种结构传感器的工作原理进行了分析.     

铝硅双金属驱动膜片形变方向控制及其结构参数的优化

对三种典型的铝硅双金属驱动膜片结构进行了有限元分析，结果表明，铝硅双金属驱动膜片的结构参数与驱动膜片的弯曲变形方向，中心最大挠度和有效形变体积具有紧密的联系，通过不同的结构设计可以控制驱动膜片结构的弯曲变形方向，另外，通过结构参数优化，可使驱动膜片的中心最大挠度和有效形变体积达到最大值，驱动膜片的性能得到显著提高。     

新型基于离子注入技术的用于微池芯片的微加热器(英文)

为了降低微型聚合酶链式反应(PCR)芯片的功耗,设计了一种嵌入硅基内部的微加热器.该加热器由采用离子注入技术制作的加热电阻并行排列构成.利用设计的热循环控制系统,对微加热器进行了热循环特性研究,包括功耗、不同加热功率下的温升速率以及样液对芯片温度及功耗的影响.实验结果表明,当加热功率为1.6 W时平均温升速率可达4.7℃/s,90℃时芯片功耗仅为0.67 W.最后获得了PCR循环试验曲线.因此,该加热器可以有效降低芯片的功耗,更好地满足微型PCR芯片的要求.     

应用于高热流冷却的微通道实验装置的研究

本文详细介绍了微通道热沉实验装置的发展状态。建成了一个具有多功能、低不确定度、高精度温度控制的实验装置 ,用于模拟微通道热沉的实际热流状态和分析其热传导特性。最终测试实验借助于HP5 5 2 9A动态校准仪在恒温室中完成。测试结果表明 ,这个装置不仅有高的冷却效果 ,而且能满足微电子机械和纳米技术所需要的高精度温度的要求。     

一种新型无阀微泵的研究

研究了一种适用于微流体系统的新型无阀微泵.以单晶硅片为材料并采用微机电系统(MEMS)技术制备微泵的泵腔以及扩散口和喷口,选用弹性模量较小的聚二甲基硅氧烷(PDMS)作为泵膜,利用扁平振动马达作为驱动部件,研制出一个尺寸为12 mm×12 mm× 6 mm的无阀微泵.分别对微泵的振动频率和输出流量进行了测试,结果显示:...     

MEMS中多孔硅绝热技术

主要介绍了多孔硅的制备方法(化学法、电化学法及原电池法等)、多孔硅导热系数测试的几种常用手段(温度传感器法、显微拉曼散射法及光声法等)、导热系数的理论模型及影响因素．此外,采用不同方法制备了多孔硅样品,分析了其表面形貌并用显微拉曼光谱法测定了导热系数．结果发现,化学法制备的多孔硅孔径尺寸大于微米量级,而利用大孔硅电化学和原电池法得到的样品孔径尺寸小(约20nm),属于介孔硅．由于腐蚀条件的不同,多孔硅的孔隙率和厚度也不同,多孔硅的导热系数随孔隙率和厚度的增大而迅速减小．     

大位移MEMS静电梳齿驱动器的设计及制作

文章提出了一种大位移低驱动电压的MEMS静电梳齿驱动器,对器件进行了设计、模拟、制作以及测试.梳齿驱动器的侧向不稳定性即侧向吸合现象限制了梳齿驱动器的最大驱动位移,发现侧向稳定因子S,随支撑梁刚度比ky/kx以及梳齿间隙g的增加而增加,随梳齿交叠长度的增加而减小;而驱动器的驱动电压随梳齿间隙的增加而升高.在以上研究的基础上,提出了一种采用小间隙无初始交叠、长度线性递增梳齿结构和高纵/横向刚度比的预弯曲支撑梁结构的梳齿驱动器.器件测试结果表明,驱动电压71V时,可以达到100μm的驱动位移,进一步测试表明,驱动器的基模共振频率为573Hz,Q值为35.88.     

单轴微机械热对流加速度计温度场分析

为优化微机械热对流加速度计的结构布置和加工流程,提高其测量精度和灵敏度,采用了成本低廉、技术成熟的"牺牲层"技术和Si-SiO2SiO2-Si键合技术设计制作了六面体腔型式的微机械热对流加速度计模型,并通过对这种结构的模型进行温度场分析。当微机械热对流加速度计具有最高的灵敏度时,热敏元件与加热元件的最佳距离区间为[430μm,440μm]。     

不同衬底条件对MEMS压阻传感器性能的影响

为了研究不同衬底条件对MEMS压阻传感器性能的影响,采用3种掺杂条件的衬底进行实验测试．在各步骤热过程后,对3种衬底条件下压阻区、引出区和保护框的方块电阻进行了测量和分析．通过对各部分方块电阻的测量可以看出,对于压阻区（P^-区）,A#和B#的方块电阻在开始注入扩散时相差很小,而由于注入杂质在高温下进一步扩散,衬底掺杂浓度对扩散后杂质分布的影响加大,方块电阻在后续的热过程中差别增大．通过比较不同衬底条件下各个热过程后的压阻数据,发现在3种掺杂条件中,20～40Ω·cm的衬底最符合预期压阻的设计．此结论已用于指导实际产品生产．     

The stress analysis of Si MEMS devices by micro-Raman technique

In this paper, the micro-Raman technique was used to measure the residual stress and its variation in Si MEMS devices and carried out on two platforms. Firstly, it was observed that there is a good correlation between the wafer's centre deflection and Raman shift. Secondly, using diaphragms fabricated from a SOI wafer, it was observed that a thinner diaphragm results in more Raman shift and vice versa. After a thin metal film layer (Cr/Au) is sputtered onto the diaphragm, it was observed that the Raman shift is more significant as the metal layer represents an amplification effect. These results show that the micro-Raman technique is a powerful method to investigate the residual stress of Si MEMS devices, especially how the stress changes during the fabrication process. All these could help select and optimize the fabrication parameters during the device manufacturing process.     

压电驱动MEMS光学扫描镜的研制

为实现高速大角度光学扫描,研制了一种新型压电陶瓷驱动MEMS光学扫描镜．将两块压电陶瓷分别放置在扫描镜背面两侧作为驱动,通过简单的扭转梁结构把两块压电陶瓷沿相反方向上下振动转换成镜片的扭转振动．采用MEMS体硅工艺及微装配技术,制备出器件样品．经测试,大气压下,研制出的扫描镜扫描谐振频率可达21．9kHz,施加200V交流电,谐振态的光学扫描角度为21．8°．测试数据表明该器件适用于激光打印、务形码扫描及微型激光投影显示等领域．     

新型双向加载MEMS微执行器动力学分析

传统横向单向加载MEMS静电微执行器存在位移过小或驱动电压过大等问题.本文提出一种纵横双向加载的新型硅基静电执行器模型.基于拉格朗日-麦克斯韦方程建立了微执行器动力方程,分析了边缘漏电场对静电力的影响,基于龙格-库塔算法将所有轴向载荷等效为轴向集中载荷,并分别仿真得到了变形与驱动电压、调节电压和轴向挤压量之间的关系,结果表明当驱动电压仅为16 V时,位移高达10.861μm,远大于目前传统横向加载单向变形微执行器的位移量.通过微型制造工艺加工了微执行器,利用高频信号采集了横向极板间的电压变化量,验证了仿真结果.     

应用于MEMS的PZT铁电薄膜

薄膜制备工艺的发展使铁电薄膜很好的应用于MEMS, 使两者集成成为可能. 本文将详细论述铁电薄膜的优良性能, 及其与MEMS集成的关键工艺--图形化. 最后, 举例论述了PZT铁电薄膜在MEMS中的应用.     

微系统用超声微电机的研究现状和发展趋势

 微电机是微机电系统(MEMS)的核心，超声微电机是一个新的发展方向．这几年发展十分迅速． 首先对比分析超声微电机与电磁型微电机和静电微电机的区别，对国内外现有的几种超声微电机及其发展趋势进行了介绍和分析，指出目前超声微电机发展存在研究定位不明和关键技术尚未完全解决两大问题。并提出了今后超声微电机发展的研究定位和必须解决的一些关键技术，其应用重点是军民两用，特别是军工． 最后，指出市场牵引和工程实现是超声微电机取得突破的关键因素的同时，政府、产业和研究单位各方面的重视和形成合力则是推进我国超声微电机研究和产业化的关键．     

MEMS显微干涉测量系统中相位提取算法的选择与分析

描述了一种基于相移显微干涉术的MEMS测试方法,达到了纳米级分辨力．从理论上分析了4种常用相移算法对测量过程主要噪声（相移器的移相误差和探测器的非线性响应误差）的抑制作用,并选定了适合本系统的Hariharan算法．通过对经过美国国家标准研究院（NIST）认证的一个台阶高度的测量,验证了各种算法的测量精度,说明Hariharan算法对噪声有更强的抑制作用,其测量重复性在亚纳米量级．