微电子机械加工系统（MEMS）技术基础

1静电场数值计算有限元方法

1.1静电场中重要定律和方程

1.1.1欧姆定律

1.1.2奥-高定律

1.1.3静电场中的泊松(poisson)方程

1.1.4高斯定理

1.1.5格林定理

1.1.6静电场能量

1.2变分原理与泛函

1.2.1变分原理与泛函

1.2.2场域中存在电荷时泛函L(φ)

1.3静电场有限元法的计算过程

1.3.1场域的剖分与函数的近似表示

1.3.2泛函的计算过程

1.3.3综合方程的系数矩阵形式

1.4静电场有限元数值计算在电流场电势分析中的应用实例

1.4.1概述

1.4.2原理

1.4.3计算结果

2应力场数值计算有限元方法

2.1有限元应力分析概述

2.1.1原理

2.1.2FEA的输入信息

2.1.3应力分析的输出信息

2.1.4图形输出

2.1.5总评

2.1.6ANSYS的分析例子

2.2ANSYS软件在硅岛膜电容式MEMS压力传感器设计中的应用

2.2.1ANSYS力学分析步骤

2.2.2问题的提出

2.2.3ANSYS分析

2.3MEMS弹性膜的二维有限元应力计算原理

2.3.1弹性膜的有限元剖分

2.3.2虚功原理的应用

2.3.3单元刚度方程与整体刚度方程

2.3.4整体刚度方程的求解

2.3.5弹性膜应力分布有限元法计算结果

2.4压力传感器三维有限元法应力计算简介

2.4.1单元的选择与形变自由度

2.4.2用结点位移表示单元中任何一点位移

2.4.3单元刚度矩阵

2.4.4总体刚度方程

2.4.5计算结果

2.5高温压力传感器热模拟

2.5.1概述

2.5.2AIN、Si02、A1203作为绝缘层时的比较

2.5.3散热层不同厚度时衬底温度的比较

2.5.4散热层不同厚度时电阻中心点温度的比较

2.6受径向力圆环中正应力的周向分布规律及其应力计算的分析解法

2.6.1概述

2.6.2由格林定理推导正应力的周向分布规律

2.6.3力的平衡条件

2.6.4利用力矩平衡条件决定A值

2.6.5计算结果

2.7MEMS单晶元件各向异性正应变的计算

2.7.1概述

2.7.2在单轴应力下，进行X射线衍射实验测量

2.7.3正应力作用下晶面正应变机理

2.7.4不同晶向正应变与正应力间的关系

3硅MEMS元件的化学腐蚀微机械加工

3.1概况

3.2湿化学腐蚀

3.2.1电化学腐蚀机理

3.2.2影响腐蚀速率的因素

3.2.3阳极腐蚀法

3.2.4凸角腐蚀及其补偿

3.2.5无掩膜KOH腐蚀技术

3.2.6各向异性腐蚀过程计算机模拟

3.2.7腐蚀过程的几何分析

3.2.8二维腐蚀过程计算机模拟

3.2.9三维腐蚀过程计算机模拟

3.3微电子机械元件的压力腔腐蚀工艺

3.3.1常用腐蚀液及其特性

3.3.2硅杯压力腔口掩膜尺寸设计

3.3.3适合腐蚀法制备弹性膜的外延结构

3.3.4KOH各向异性腐蚀制作近似圆形膜技术

3.3.5各向异性腐蚀设备

3.3.6简易双面对准技术

3.4表面微机械加工牺牲层技术

3.5等离子体刻蚀技术在微细图形加工中的应用

3.6微细电化学加工技术

3.6.1微细电铸

3.6.2微细电解加工

4MEMS系统的封装

4.1MEMS系统的封装意义及要求

4.1.1封装的作用与意义

4.1.2MEMS封装设计中需要考虑的重要问题

4.1.3封装结构及封装材料

4.1.4接口问题

4.1.5封装外壳设计

4.1.6热设计

4.1.7封装过程引起的可靠性问题

4.1.8封装成本

4.2焊球栅阵列倒装芯片封装技术

4.3MEMS中芯片封接方法

4.3.1黏结

4.3.2共晶键合

4.3.3阳极键合

4.3.4冷焊

4.3.5钎焊

4.3.6硅-硅直接键合

4.3.7玻璃密封

4.4硅片与硅片低温直接键合

4.4.1各种硅-硅直接键合法

4.4.2硅-硅酸钠-硅低温直接键合过程

4.4.3影响键合质量的因素

4.4.4质量检测方法

4.5封接材料的性质

5微电子机械元件的引线

5.1MEMS元件的引线键合

5.1.1引线的作用

5.1.2对键合引线材料的要求

5.1.3MEMS元件中应用的引线键合工艺

5.2MEMS系统压力传感器的引线键合工艺

5.2.1超声键合设备

5.3引线的可靠性与可键合性

5.3.1材料间键合接触时的冶金学效应

5.3.2各种材料的键合接触

5.4压力传感器的键合工艺及效果

5.4.1芯片电路及引线

5.4.2压力传感器键合工艺步骤

6MEMS元件的制作

6.1硅膜电容型压力传感器

6.1.1电容变化量与流体压力的关系

6.1.2测定方法

6.2压电型压力传感器

6.2.1压电材料和压电效应

6.2.2压电方程与压电系数

6.2.3表面电荷的计算

6.2.4压电型压力传感器的电荷测量

6.2.5压电型压力传感器的结构及其特点

6.3MEMS微型阀和微型泵的制作

6.3.1微型阀

6.3.2微型泵

6.4基于压电原理的MEMS微驱动器

6.4.1压电纳米驱动器

6.4.2压电喷墨头

6.5气体传感器阵列中微加热器的制作

6.5.1利用扩散电阻作加热器

6.5.2微型热板式加热器(MHP)

6.5.3绝缘层之间的金属Pt膜或多晶Si膜作加热器

6.6微型燃烧器的制作

参考文献

　　本书着重于MEMS元件设计中的有限元静电场和电流场，温度场，MEMS元件各向同性应力场和各向异性应变分析及压电效应介绍。本书重点还放在MEMS元件制造，包括硅片腐蚀加工和硅片键合，封装和引线。编者在上述各方面曾作过许多研究，完成多项科研任务，有一定的经验和收获。　　MEMS技术是21世纪发展的重大技术，涉及国防、航天、医疗等领域。本书以各种微型阀、微型泵、微型马达、压电元器件的制造为目的，阐述其功能，所依据的物理原理及定律。本书还详细介绍了电学，热学和力学有限元方法的要领，相关软件的使用及硅片的加工处理方法。阅读本书，可以为MEMS元件的设计和制造打下较好的基础，从而可以灵活应用所学知识。　　本书可供国防、航天、医疗等专业的技术人员阅读，也可供大专院校有关专业师生参考。