MEMS传感器教学教案.ppt

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1、第11章MEMS传感器11.1MEMS传感器及特点11.2MEMS传感器加工技术11.3微传感器的应用习题思考世界上最先进的MEMS加工设备是哪个国家生产的。如果我们引进这样的设备建立实验室，学习和生产的意义是什么？(从工艺方面考虑)应如何维护MEMS加工设备的工作环境？MEMS概念MEMS（MicroElectricMechanicalSystem）：即微电子机械系统。用微电子技术和微机械技术制造的微敏感器件与微执行器的总和。MEMS技术的应用：大屏幕彩电高分辨率(2048×1152)投影显示屏DMD；微型卫星、纳米卫星；DNA反应室；外科手术微米镊对

2、血球及DNA操作技术等MEMS传感器（微传感器）：用MEMS技术制作的传感器；微传感器：体积小，敏感元件尺寸0.1~100μm，其结构工艺、设计等许多特殊的现象和规律；常见微电子器件：运算放大器；逻辑门电路；微处理器等；微电技术：使信号处理芯片复杂程度上升和价格的下降；11.1MEMS传感器及特点传感器+处理器+执行器测控系统测控系统基本组成目前测控系统的特点：处理器性价比较高；传感器和执行器发展滞后；微传感器三个层次的含义：1）单一敏感元件，尺寸小。采用精密加工、微电技术及MEMS技术加工；2）集成传感器，将微小敏感元件、信号处理、数据处理装置封装在一

3、块芯片上；3）微型测控系统。包括微传感器、微执行器，可以独立工作。也可由多个微传感器组成传感网络或通过其它网络实现异地联网；体积小，重量轻。利用MEMS技术：微传感器封装后尺寸为毫米量级，或更小；重量一般都在几克~几十克。如压力微传感器已经可以小到放在注射针头内，送进血管测量血液流动情况；或装载到飞机或发动机叶片表面，用来测量气体的流速和压力；能耗低很多场合，传感器及配套的测量系统都是利用电池供电的。因此传感器能耗大小，在某种程度上决定了整个仪器系统可供连续使用的时间。微传感器优点性能好微传感器在几何尺寸上的微型化，在保持原有敏感特性的同时，提高了温度稳

4、定性，不易受到外界温度干扰。敏感元件的自谐振频率提高，工作频带加宽，敏感区间变小，空间解析度提高。易于批量生产，成本低微传感器的敏感元件一般是利用硅微加工工艺制造的，这种工艺的一个显著特点就是适合于批量生产。大批量生产使得微传感器单件的生产成本大大降低。便于集成化和多功能化。微传感器能感知与转换两种以上不同的物理或化学参量；例如，在同一硅片上制作应变计和温度敏感元件，制成同时测量压力和温度的多功能微传感器，将处理电路也制作在同一硅片上，还可以实现温度补偿。将检测几种不同气体的敏感元件用厚膜制造工艺制作在同一基片上，制成检测多种气体的多功能微传感器。现在已

5、经开发出可同时检测钠、钾和氢离子的微传感器阵列，用于检测血液中的钠、钾和氢离子的浓度，对诊断心血管疾病有重大意义。该微传感器尺寸为2.5nm×0.5nm，可直接用导管送到心脏内测量。提高传感器的智能化水平。智能传感器是测量技术、半导体技术、计算技术、信息处理技术、微电子学和材料科学互相结合的综合密集技术。与一般传感器相比，智能传感器具有自补偿能力、自校准功能、自诊断功能、寻址处理能力、双向通信功能、信息存储、记忆和数字量输出功能。MEMS技术在传感器方面的应用，大大提高了传感器的智能化水平。利用MEMS技术可以将信号调节电路、信号处理电路(甚至包含微处理

6、器)、接口电路等与传感器封装成一体，组成微传感器系统。图中显示了微加工技术的进步对微传感器、微传感器系统乃至射频通信技术的影响。11.2MEMS传感器加工技术体微加工技术利用蚀刻工艺对块状硅进行准三维结构的微加工，主包括蚀刻和停止蚀刻两项关键技术。表面微加工技术采用光刻等手段，使得硅片等表面淀积或生长而成的多层薄膜分别具有一定的图形，然后去除某些不需要的薄膜层，从而形成三维结构。键合技术固相键合技术就是不用液态粘结剂而将两块固体材料键合在一起，且键合过程中材料始终处于固相状态。（包括阳极键合与直接键合）光刻电铸注塑技术（LIGA）一种基于X射线光刻技术的

7、MEMS加工技术。主要包括X光深度同步辐射光刻，电铸制模和注模复制三个工艺步骤。11.3几种典型微传感器的原理和应用1、电热堆组成热电堆的两种金属材料分别为铂(厚1m)及锌锑合金(厚1m)。热端置于帕利灵(parylene)薄膜(厚约25.4m)上。帕利灵薄膜作为热绝缘层，将热端与冷端隔开。热电堆结构示意图2、螺旋式热电偶采用N型多晶硅与铝热电偶。这种结构的优点在于利用有限的矩形面积容纳了尽可能长而窄的结构，提高了热阻，增强了输出信号强度。由于热电偶的结构很窄，可利用各向同性的干法反应离子刻蚀(RIE)技术，实现对硅基底的加工。由于全部加工工艺与C

8、MOS工艺兼容，因此可将信号放大电路集成在同一芯片上。1-为加工的空腔；2-介电