微电子机械加工系统(MEMS)技术基础PDF电子书下载

1静电场数值计算有限元方法 1

1.1静电场中重要定律和方程 1

1.1.1欧姆定律 1

1.1.2奥-高定律 1

1.1.3静电场中的泊松（poisson）方程 2

1.1.4高斯定理 2

1.1.5格林定理 3

1.1.6静电场能量 3

1.2变分原理与泛函 4

1.2.1变分原理与泛函 5

1.2.2场域中存在电荷时泛函L（φ） 6

1.3静电场有限元法的计算过程 7

1.3.1场域的剖分与函数的近似表示 7

1.3.2泛函的计算过程 9

1.3.3综合方程的系数矩阵形式 12

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 15

1.4.1概述 15

1.4.2原理 17

1.4.3计算结果 20

2应力场数值计算有限元方法 23

2.1有限元应力分析概述 23

2.1.1原理 23

2.1.2 FEA的输入信息 24

2.1.3应力分析的输出信息 24

2.1.4图形输出 25

2.1.5总评 25

2.1.6 ANSYS的分析例子 26

2.2 ANSYS软件在硅岛膜电容式MEMS压力传感器设计中的应用 28

2.2.1 ANSYS力学分析步骤 28

2.2.2问题的提出 29

2.2.3 ANSYS分析 30

2.3 MEMS弹性膜的二维有限元应力计算原理 31

2.3.1弹性膜的有限元剖分 31

2.3.2虚功原理的应用 36

2.3.3单元刚度方程与整体刚度方程 38

2.3.4整体刚度方程的求解 42

2.3.5弹性膜应力分布有限元法计算结果 46

2.4压力传感器三维有限元法应力计算简介 48

2.4.1单元的选择与形变自由度 48

2.4.2用结点位移表示单元中任何一点位移 50

2.4.3单元刚度矩阵 52

2.4.4总体刚度方程 56

2.4.5计算结果 57

2.5高温压力传感器热模拟 58

2.5.1概述 58

2.5.2 AIN、SiO2、A12O3作为绝缘层时的比较 59

2.5.3散热层不同厚度时衬底温度的比较 62

2.5.4散热层不同厚度时电阻中心点温度的比较 63

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 64

2.6.1概述 64

2.6.2由格林定理推导正应力的周向分布规律 66

2.6.3力的平衡条件 67

2.6.4利用力矩平衡条件决定A值 69

2.6.5计算结果 72

2.7 MEMS单晶元件各向异性正应变的计算 75

2.7.1概述 75

2.7.2在单轴应力下，进行X射线衍射实验测量 76

2.7.3正应力作用下晶面正应变机理 78

2.7.4不同晶向正应变与正应力间的关系 83

3硅MEMS元件的化学腐蚀微机械加工 85

3.1概况 85

3.2湿化学腐蚀 86

3.2.1电化学腐蚀机理 89

3.2.2影响腐蚀速率的因素 91

3.2.3阳极腐蚀法 96

3.2.4凸角腐蚀及其补偿 98

3.2.5无掩膜KOH腐蚀技术 101

3.2.6各向异性腐蚀过程计算机模拟 101

3.2.7腐蚀过程的几何分析 102

3.2.8二维腐蚀过程计算机模拟 107

3.2.9三维腐蚀过程计算机模拟 108

3.3微电子机械元件的压力腔腐蚀工艺 109

3.3.1常用腐蚀液及其特性 109

3.3.2硅杯压力腔口掩膜尺寸设计 111

3.3.3适合腐蚀法制备弹性膜的外延结构 115

3.3.4 KOH各向异性腐蚀制作近似圆形膜技术 116

3.3.5各向异性腐蚀设备 117

3.3.6简易双面对准技术 118

3.4表面微机械加工——牺牲层技术 120

3.5等离子体刻蚀技术在微细图形加工中的应用 122

3.6微细电化学加工技术 124

3.6.1微细电铸 126

3.6.2微细电解加工 126

4 MEMS系统的封装 128

4.1 MEMS系统的封装意义及要求 128

4.1.1封装的作用与意义 128

4.1.2 MEMS封装设计中需要考虑的重要问题 128

4.1.3封装结构及封装材料 129

4.1.4接口问题 129

4.1.5封装外壳设计 130

4.1.6热设计 130

4.1.7封装过程引起的可靠性问题 130

4.1.8封装成本 130

4.2焊球栅阵列倒装芯片封装技术 131

4.3 MEMS中芯片封接方法 133

4.3.1黏结 133

4.3.2共晶键合 134

4.3.3阳极键合 136

4.3.4冷焊 138

4.3.5钎焊 139

4.3.6硅—硅直接键合 139

4.3.7玻璃密封 140

4.4硅片与硅片低温直接键合 143

4.4.1各种硅—硅直接键合法 143

4.4.2硅—硅酸钠—硅低温直接键合过程 144

4.4.3影响键合质量的因素 145

4.4.4质量检测方法 146

4.5封接材料的性质 146

5微电子机械元件的引线 149

5.1 MEMS元件的引线键合 149

5.1.1引线的作用 149

5.1.2对键合引线材料的要求 149

5.1.3 MEMS元件中应用的引线键合工艺 151

5.2 MEMS系统压力传感器的引线键合工艺 152

5.2.1超声键合设备 152

5.3引线的可靠性与可键合性 154

5.3.1材料间键合接触时的冶金学效应 154

5.3.2各种材料的键合接触 156

5.4压力传感器的键合工艺及效果 157

5.4.1芯片电路及引线 157

5.4.2压力传感器键合工艺步骤 159

6 MEMS元件的制作 161

6.1硅膜电容型压力传感器 161

6.1.1电容变化量与流体压力的关系 161

6.1.2测定方法 165

6.2压电型压力传感器 166

6.2.1压电材料和压电效应 166

6.2.2压电方程与压电系数 170

6.2.3表面电荷的计算 175

6.2.4压电型压力传感器的电荷测量 179

6.2.5压电型压力传感器的结构及其特点 181

6.3 MEMS微型阀和微型泵的制作 182

6.3.1微型阀 182

6.3.2微型泵 185

6.4基于压电原理的MEMS微驱动器 186

6.4.1压电纳米驱动器 186

6.4.2压电喷墨头 188

6.5气体传感器阵列中微加热器的制作 189

6.5.1利用扩散电阻作加热器 189

6.5.2微型热板式加热器（MHP） 190

6.5.3绝缘层之间的金属Pt膜或多晶Si膜作加热器 190

6.6微型燃烧器的制作 191

参考文献 193