MEMS光学器件 - MEMS技术简介

MEMS是一种通常在硅晶圆上以IC工艺制备的微电机系统,微机械结构的制备工艺包括光刻、离子束刻蚀、化学腐蚀、晶片键合等,同时在机械结构上制备了电极,以便通过电子技术进行控制。

生活中的MEMS器件

第一个可转动的MEMS马达于1988年诞生于加州大学伯克利分校,如图1所示[1];之后于1989年,美国桑迪亚国家实验室研制了第一个横向梳齿驱动器,微机械结构可以在垂直于表面的方向移动[2]

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图1 加州大学伯克利分校研制的第一个可转动的MEMS马达[1]

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图2 美国桑迪亚国家实验室研制的第一个横向梳齿驱动器[2]

经过30年的发展,MEMS器件已经渗透于我们的生活之中。转屏是智能手机中的一项基本功能,如图3所示,这项功能是通过MEMS陀螺仪来实现的。图4展示了传统机械陀螺仪与MEMS陀螺仪的对比,后者比前者小得多,因而得以在智能手机和平板电脑中广泛应用[3-4]。如图5所示,出于安全考虑,气囊是汽车中的必备装备,它们会在发生撞车时自动充气膨胀,保护乘客的安全。安全气囊对撞车事件的迅速检测得益于其中的MEMS器件,图6展示了MEMS加速度计的芯片结构[5]。用于传感检测的MEMS芯片和用于控制的IC芯片通常混合集成在一个壳体里面[6]。此外,MEMS技术在生活中的其他应用包括MEMS麦克风、MEMS投影仪、MEMS压力传感器,等等。

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MEMS陀螺仪在智能手机中的应用—转屏功能

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图4 传统的机械陀螺仪(左)与MEMS陀螺仪(右)[3-4]

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图5 汽车中的安全气囊(内有MEMS器件)

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图6 MEMS加速度计的芯片(左)和封装形式(右)[5-6]

MEMS技术的的特有工艺

MEMS器件与IC芯片的制备工艺非常相似,但MEMS器件有两个重要特征:高深宽比的微结构和悬臂结构,因此需要一些特有的工艺来制备。

第一项特有工艺是用于制备高深宽比结构的LIGA技术,LIGA是X射线光刻技术的德语简称,于1982年由德国卡尔斯鲁厄核研究中心开发出来。LIGA技术的工艺步骤如图7所示,包括对基片上光刻胶的X射线光刻、光刻胶显影、在光刻胶结构上的金属电铸、从光刻胶结构中剥模、以结构材料充模(图7中的结构材料是聚合物)和脱模,从而制备出最终的微机械结构[7]

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图7 LIGA技术的工艺步骤[7]

第二项特有工艺是制备悬臂结构表面微加工技术,该技术于1980年代由加州大学伯克利分校的研究人员开发出来。表面微加工技术的工艺步骤如图8所示,第一步是对带有牺牲层的基片涂覆光刻胶并进行光刻,然后依次对光刻胶和牺牲层进行显影操作。第三步是沉积结构层的材料,然后在第四步,通过光刻将微结构的图形投影于结构层之上的光刻胶。第五步通过刻蚀工艺制备出结构层,然后通过化学腐蚀工艺释放结构层之下的牺牲层,得到最终的悬臂式微结构[8]

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图8 表面微加工技术的工艺步骤[8]

MEMS器件的驱动机制

MEMS是一种微电机系统,在制备微机械结构之后,需要以电子技术进行驱动。典型的驱动机制如图9所示,包括静电引力、电磁力、电致伸缩和热电偶。

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图9 MEMS器件的驱动机制

在图9(a)中,悬臂梁底部和基底上部均制备了电极,当两个电极加载偏压时,产生静电吸引,悬臂梁变形,从而实现电信号对机械动作的控制。在图9(b)中,悬臂梁底部和基底上部均制备了电磁线圈,当线圈中通电流时,产生电磁力使悬臂梁发生形变。电磁力可以是引力或者斥力,取决于所通电流的方向。在9(c)中,悬臂梁以磁致伸缩材料制备,当悬臂梁的两端加载电压时会产生伸缩效应。在9(d)中,悬臂梁为双层结构,两层以不同热膨胀系数的金属材料制备。当悬臂梁通电流时,因热电偶效应,将会弯向热膨胀系数较小的材料一侧。

参考文献
[1] Long-Sheng Fan, Yu-Chong Tai, and R.S. Muller, IC-processed Electrostatic Micro-motors, Technical Digest., International Electron Devices Meeting, 11-14 Dec. 1988
[2] W. C. Tang, T. H. Nguyen, M. W. Judy, and R. T. Howe, Electrostatic Comb Drive of Lateral Polysilicon Resonators,” Sens. Actuators A, vol.21–23, pp. 328–331, 1990
[3] John J. Uicker, Gordon R. Pennock, and Joseph E. Shigley, Theory of Machines and Mechanisms, Third Edition, Chapter 23, Oxford University Press, Inc. 2003
[4] J. Bernstein, S. Cho, A. T. King, A. Kourepenis, P. Maciel, and M. Weinberg, A Micromachined Comb-Drive Tuning Fork Rate Gyroscope, Proceedings IEEE Micro Electro Mechanical Systems, Feb. 1993
[5] Hongwei Qu, Deyou Fang, Huikai Xie, A Monolithic CMOS-MEMS 3-Axis Accelerometer With a Low-Noise, Low-Power Dual-Chopper Amplifier, IEEE Sensors Journal, 8(9): 1511-1518, 2008
[6] Andreas C. Fischer, Fredrik Forsberg, Martin Lapisa, Simon J. Bleiker, Göran Stemme, Niclas Roxhed & Frank Niklaus, Integrating MEMS and ICs, Microsystems & Nanoengineering vol.1, Article number: 15005, 2015
[7] Julien Giboz, Thierry Copponnex, Patrice Mélé, Microinjection Molding of Thermoplastic Polymers: A Review, Journal of Micromechanics and Microengineering 17(6): R96, 2007
[8] S. Fatikow and U. Rembold, Microsystems Technology and Microrobotics, Springer, New York, 1997

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