现在微机电体系现已远远逾越了“机”和“电”的概念, 将处理热、光、磁、化学、生物等结构和器材经过微电子工艺及其他一些微加工工艺制作在芯片上, 并经过与电路的集成乃至彼此间的集成来构筑杂乱微型体系.
1 导言
在曩昔的40多年里, 集成电路的集成度和功用一向在依照摩尔定律不断地前进, 但CMOS晶体管的规范缩小终将遇到物理极限. 研讨人员一方面在活跃寻觅新的代替器材和电路结构, 另一方面将目光投到整个体系的规范缩小和功用前进上. 传统含义上的SoC (体系芯片), 输入和输出都是电信号, 只能处理信息技能中的信号处理部分, 无法直接完结对外部实在国际的信息获取和对外部国际发生效果. 因而仅仅是一个较完善的微型电子体系罢了, 并不是一个真实含义上具有完好功用的、独立的微型体系.
1988年美国加州大学伯克利分校的Tai等成功地用微电子平面加工技能研发出了直径仅有100微米左右硅微机械马达, 使人们看到了将可动机械结构与电路集成在一个芯片内, 构成完好的微型机电体系的或许. 微机电体系——MEMS (micro electro mechanical systems)的概念应运而生, 并敏捷成为国际上研讨的热门. 1993 年, 美国ADI公司选用该技能地将微型可动结构与大规模电路集成在单芯片内, 构成用于轿车防撞气囊操控的微型加速度计, MEMS 技能的特色和优势真实地体现了出来.
现在微机电体系现已远远逾越了“机”和“电”的概念, 将处理热、光、磁、化学、生物等结构和器材经过微电子工艺及其他一些微加工工艺制作在芯片上, 并经过与电路的集成乃至彼此间的集成来构筑杂乱微型体系. 所以, 更精确地说, 今日的MEMS包含感知外界信息(力、热、光、生、磁、化等)的传感器和操控外界信息的执行器, 以及进行信号处理和操控的电路.
当微机电体系的特征规范缩小到100纳米以下时, 又被称为纳机电体系(NEMS, nano electro mechanical system). 因为规范更小及纳米结构所导致的新效应, NEMS 器材能够供给许多MEMS器材所不能供给的特性和功用, 例如超高频率、低能耗、高灵敏度、对外表质量和吸附性史无前例的操控才能等. 以NEMS谐振器为例, 与MEMS谐振器比较, NEMS谐振器运用了纳米中心结构的规范效应使器材功用获得了明显前进, 经过谐振结构的等份额缩小, 器材频率明显前进, 乃至能够到达GHz, 因而能够组成高频电路里的振荡器和滤波器. 纳米悬臂梁其质量能够小至10−18g, 以其为灵敏单元的质量传感器已能检测绑定在结构上的DNA分子, 乃至还能检测到少量原子的影响. 为了论说便利, 鄙人文中, 除了特别阐明, 咱们将用微机电体系(MEMS)来泛指微纳机电体系(MEMS/NEMS).
经过20多年的开展, 国际上MEMS已全面走向运用, 年销售额到达100多亿美元, 许多的MEMS器材被用在智能手机、游戏机和轿车等方面, 已成为咱们日常日子的一部分. 因为MEMS是在CMOS IC的根底上开展而来的, 所以人们习气性地用IC的思想考虑MEMS的问题. 许多年来人们一向在寻求象IC中的CPU和存储器相同的Killer ApplicaTIon, 发生一个新的腾跃, 乃至带来比IC 更大的商场. 但是, 这一方针至今没有完结, 而且也没有一个公认的未来的或许器材或体系跃入人们的视界. 压力传感器、加速度计、陀螺、微麦克风、FBAR等MEMS器材尽管销售量都早已过亿, 但因为其自身价格都不高, 都无法担任起这一任务, MEMS的全体商场远无法与IC比较拟. 但是, 从这一寻觅进程傍边, 人们也意识到, MEMS 的多样性和浸透性正是它差异于IC的明显特性. MEMS现已进入到各个范畴和职业, 而且在不同程度上改动着其现状和开展走势. 与其说这些器材和体系是MEMS产品, 不如说它们是地点范畴和职业的新一代产品. MEMS 研讨的状况也是如此, 开端的MEMS器材研讨往往是以微电子或机械布景的人为主体, 与相关的研讨者协作进行; 而近年来, 跟着MEMS技能日益老练, MEMS技能现已成为强有力的研讨东西. 不同范畴的研讨者依据自己的需求和主意, 运用MEMS技能研发所需的新式器材和体系. 事实上, 这恰恰阐明晰MEMS的强壮生命力和光亮的开展远景. 它不会因为加工技能和一些器材的老练而失掉研讨上的开展动力, 而是会跟着其他范畴的不断开展而继续前进.
MEMS的这一特色也决议了其研讨上的百家争鸣, 因而很难对其开展前沿进行概述. 本文将依据本专辑的主题, 立足于微纳机电体系与集成电路的穿插, 挑选具有代表性的几个开展前沿——MEMS与CMOS IC的集成、NEMS器材在IC 中的运用以及生物医疗运用的柔性MEMS芯片进行评论.
2 MEMS与CMOS IC的集成
与CMOS IC集成化一向是MEMS研讨范畴中的热门问题, 完结电路与结构的彻底集成能够前进微机械器材的功用, 下降加工、封装的本钱, 因而具有十分重要的实用价值. 因而, MEMS与CMOS IC集成化在学术和产业化方面的研讨脚步一天也没用中止过. 但是, 尽管MEMS是在IC的根底上开展起来的, 但二者的集成却充满了应战. 首要, 在技能层面上, MEMS的三维可动结构需求用特别的工艺技能或工艺进程完结, 电子器材与机械结构的功用需求不同的工艺处理进行优化, 这些加工办法或工艺进程不行防止地存在不兼容或抵触的当地. 例如关于外表献身层工艺, 工艺之间的温度兼容性问题: 构成和优化微机械结构的LPCVD多晶硅和退火等高温工艺会对电子器材的金属、电阻和聚合物等发生晦气影响; 反过来, 任安在可动微加工构成之后的工艺都或许对这些结构构成严峻的损坏. 其次, 在产业化层面上, 集成化是否真的能够下降本钱, 前进产品的竞争力一向存在争议. 将IC与MEMS加工在同一个芯片上, 当然能够减小芯片的总面积, 节约一次封装, 但这些所带来的本钱优势却或许被以下的负面效应所抵消:
1) 一般来说, CMOS的掩膜版数和加工进程都远多于MEMS工艺, 一个好的集成工艺或许只需求添加很少的光刻等工艺进程就能够将MEMS集成在芯片上, 但这依然会构成成品率的明显下降. 这会使集成芯片的成品率低于两片封装式产品的成品率.
2) MEMS器材往往特征规范要求不高, 但所占用的面积却远大于IC的面积. 选用加工昂扬的先进的IC出产线(如45 nm工艺) 去加工大面积MEMS器材明显会前进单位面积的本钱.
3) MEMS所涉及到的品种广泛, 加工工艺也形形色色, 难以找到普适的集成处理计划. 每一个单步的工艺的改动都或许对整个工艺发生牵一建议全身的影响. 工艺开发本钱昂扬.
4) 从产品研发的视点来看, 两片式计划能够别离规划和加工MEMS器材与处理电路, 乃至运用已有IC芯片, 而集成式计划则需求一同规划和加工. 后者的研发周期明显要长, 本钱也会更高.
5) 因为技能上的兼容性问题, 集成式芯片中的MEMS器材和IC在功用方面一般需求折衷考虑, 这会必定程度上抵消集成所带来的功用优势.
因为这些原因, 尽管集成化研讨进行的如火如荼, 这么多年来商场上真实的单片集成芯片只要TI的DLP (数字光学处理器)、ADI的集成加速度计和陀螺、SiTIme的集成化硅振荡器, 以及一些集成压阻压力传感器等少量产品. 大都的压力传感器、加速度计、陀螺、麦克风都依然选用MEMS器材和处理电路分隔办法. 国际上一向处于领先位置的纯MEMS代工厂Silex Microsystems、Teledyne Dalsa和Tronics等也一向供给独自的MEMS加工服务, 集成产品绝大大都由IDM 形式完结.
这种态势跟着集成电路代工巨子台积电高调进入MEMS代工业而面对巨大改变, CMOS与IC集成加工或许会变成干流的MEMS产品加工办法. 台积电开端决议从事MEMS代工是在2008年, 但得益于雄厚的技能与财力的根底, 营收和排名都得到迅猛前进. 据闻名咨询公司IHS iSuppli剖析陈述, 2011年台积电相关经营收入到达5300万美元, 与2010年比较陡增201%, 超越纯MEMS代工厂Silex Microsystems跃升为第一位. 尽管营收与其集成电路比较还很少, 但增长速度却十分惊人. 由自身特色所决议, 台积电进入MEMS代工业伊始就定坐落MEMS与IC的兼容与集成加工, 并在职业界广泛宣扬这次战略. 现在台积电的首要代工目标涵盖了3轴陀螺仪、加速度计、MEMS麦克风、压力传感器、片上试验室和喷墨打印头号许多MEMS产品, 但其最首要的事务营收来自于InvenSense的陀螺仪和惯性丈量单元(IMU) 以及模仿器材公司(ADI) 的麦克风, 这两种器材均是以集成办法制作的. 另一闻名集成电路代工企业联电(UMC)也继台积电之后完结了CMOS MEMS的量产.
作为MEMS的首要产品之一, 硅麦克风的商场一向被楼氏(Knowles)所独占, 其产品选用两片办法. 2011年8月博世收买了MEMS麦克风厂商AkusTIca, 大力推动单片集成式硅麦克风的研发与出产力度, 与ADI的集成麦克风一道, 向楼氏建议有力的应战.
由此能够看出, MEMS与IC集成的脚步在曩昔两年内大大提速了, 相应的MEMS代工业也随之敏捷增长, 这为无晶圆厂(fabless)形式MEMS规划公司供给了史无前例的关键.
以下将简述几种典型的MEMS与IC集成工艺.
20世纪90年代初ADI公司开宣布具有里程碑含义的集成加工工艺——iMEMS工艺, 该工艺将IC加工与MEMS加工穿插进行(hybrid-CMOS). 电路选用BiCMOS工艺制作, 用多晶硅制作机械结构, 电路和机械结构部分经过N+层来完结. 这种工艺尽管比较有利于工艺的优化, 但专门性很强, 不简略被规范化和被其他加工厂仿制. 别的, 因为这种工艺选用的多晶硅结构层较薄(2um), 导致信号弱, 结构面积大. 从2004年开端, ADI 公司全面选用集成SOI MEMS工艺来代替iMEMS工艺进行惯性MEMS加工. 因为SOI MEMS工艺与外表工艺有很大的近似性, 因而它与CMOS的集成也具有共同的优势. 图1(a)是该工艺计划的示意图. CMOS电路和电路之间经过深槽回填进行阻隔. 阻隔槽填充一般选用LPCVD多晶硅, 要做CMOS电路的金属化之前完结, 而最终的结构刻蚀和开释在CMOS电路之后完结, 能够认为是hybrid-CMOS集成. 因为SOI材猜中的硅层(40~100um)远远大于多晶硅层的厚度(2um), 因而器材的灵敏度添加, 芯片规范却大大缩小. 一起, 因为简化了工艺, 尽管资料上添加的费用, 但全体本钱却下降了. 图1(b)显现了用这种工艺加工出的集成双轴加速计adxl311相片.
图1 (a)集成SOI MEMS工艺示意图和 (b)用该工艺加工出的双轴加速计adxl311相片
北京大学的闫桂珍等开宣布了一种单片体硅加工工艺, 其剖面结构如图2(a)所示, 从工艺到结构上都与集成SOI MEMS相似. 但该工艺选用的是一般硅片, 在本钱上具有很大优势, 结构厚度也比较灵敏.
图2 北京大学开宣布的体硅单片集成技能
从加工本钱和实用化考虑考虑, Post-CMOS——即在CMOS电路加工完结之后再进行MEMS加工是最优的计划, 这样CMOS电路部分的加工能够在规范的集成电路代工厂完结, 最大极限地下降规划本钱和前进成品率. 因而Post-CMOS技能一向是集成化研讨的热门.
加州大学伯克利分校开宣布一种Post-CMOS技能, 选用多晶锗硅(Poly-SixGe1−x)代替多晶硅作结构资料. 多晶锗硅的成长温度小于450℃, 因而能够用铝来作互连资料完结Post-CMOS MEMS集成. 这种工艺能够把MEMS结构直接加工在CMOS器材的上方, 因而也能够有效地节约芯片面积. 比利时的IMEC 也投入了很大的精力开发这种技能, 选用PECVD代替LPCVD工艺成长多晶锗硅, 然后进一步下降成长温度, 前进淀积速率. 这种工艺现已开端被用于产业化.
CMOS MEMS工艺是由美国卡耐基－梅隆大学开发的一种彻底的Post CMOS集成工艺, 根本工艺流程如图3(a)所示. 它选用CMOS电路中的互连金属及金属间的介质作为机械结构, 所以CMOS电路加工完结后只需几步各向异性和各向同性的干法刻蚀就能够完结器材的加工. 这种工艺的一个特色是一切的工艺进程都是单面加工, 所以能够很简略的移植到根据不同规范衬底的工艺线上, 能够添加挑选加工服务商的自在度. 这种工艺的首要缺陷是机械结构的厚度有限, 而且有较大的剩余应力. 为了战胜CMOS MEMS工艺中的问题, Xie等又开发了一种结合深刻蚀工艺的DRIE CMOS MEMS工艺, 如图3(b)所示. 改善后的工艺运用单晶硅作为机械结构, 能够完结深邃宽比结构, 前进器材的功用. 但因为它的电学阻隔需求一步各向同性刻蚀, 对工艺的操控精度要求比较高, 而且部分结构仍需薄膜结构衔接, 使器材功用遭到必定的约束.
图3 (a) CMOS MEMS工艺根本流程图; (b)与体硅工艺结合的CMOS MEMS工艺
近年来, 台湾清华大学等研讨安排, 依托台积电的CMOS工艺, 在CMOS MEMS工艺方面进行了许多研讨作业. Li等运用台积电的0.18um 1P6M(一层多晶硅6层金属) CMOS工艺成功完结了集成谐振器的加工, 功用明显优于0.35um工艺加工效果. 图4是结构的剖面图和SEM相片选用90nm和40nm渠道进行CMOS MEMS加工的测验也现已开端. 跟着研讨的老练. CMOS MEMS有或许成为台积电MEMS主打工艺之一, 十分值得注重.
图4 (a) CMOS MEMS工艺完结的集成谐振器; (b)器材的SEM图片
作为现在的的首要营收来历, 台积电为InvenSense加工陀螺和IMU所选用的实践是一种混合集成工艺. 如图5(a)所示, CMOS电路和MEMS结构别离加工在一个晶圆上. MEMS 地点的晶圆一起起到封帽的效果, CMOS在相应的区域刻蚀出一个腔体. 两个圆片经过金硅共熔合金的办法完结键合, 构成陀螺所需的真空腔体, 一起完结圆片级封装. 图5(b)是三维结构示意图. 该工艺在减小寄生效应和封装规范的一起, 也减轻了前面提到的一些集成方面的缺陷.
图5 InvenSense集成工艺
值得一提的是, 中科院上海微体系所的Li等发明晰一种单面集成的集成压力传感器工艺. 工艺选用(111)晶向硅片, 运用TMAH湿法腐蚀的晶向挑选性, 经过横向腐蚀在硅片外表下面构成空腔, 再运用LPCVD多晶硅关闭空腔, 构成压力传感器结构. 这种办法经过单面工艺完结超小结构的压力传感器, 然后完结低本钱加工. 该工艺与CMOS工艺兼容, 能够完结与IC的集成. 办法的一个美中不足是CMOS一般选用(100)衬底, 因而需求支撑(111)衬底的双极代工厂进行加工.
经过TSV (硅通孔) 技能完结CMOS、MEMS以及光电子电路等多种体系的三维混合集成也是近年来值得注重的热门(图6). 限于篇幅, 这儿不做过多论说.
图6 TSV技能完结CMOS、MEMS以及光电子电路三维混合集成示意图
3 NEMS器材在IC 中的运用
近几年, MEMS 与纳米技能交融的脚步在加速. 一方面新的纳米资料与纳米加工技能越来越多地在MEMS技能中得到运用, 促进了微机电体系功用前进和新器材的呈现, 另一方面微纳机电体系技能也供给了新的纳米级三维加工手法, 催生了比如NEMS继电器、存储器等新式的IC 器材. 这儿首要论说后者.
在CMOS器材特征规范遵从摩尔定律按份额缩小的进程中, 面对着许多技能上和理论上的应战,其间之一是功率密度极限. 为了在晶体管密度添加的状况下坚持功率密度不变, 需求下降电源电压VDD以减小开态电流. 但事实上下降开态电流将延伸操作推迟, 添加功耗. 处理这一问题的一个办法是下降阈值电压, 但这又会添加亚阈值漏电. 因为CMOS器材总是存在亚阈值漏电(亚阈值摆幅60mV/Decade), 这一对立是难以战胜的. 处理这一对立的一个途径是开发具有更峻峭亚阈值摆幅的新式电子器材如隧穿MOS、IMOSFETs、纳米线MOSFET等, 而NEMS继电器则供给了另一条或许的途径.
MEMS继电器的作业原理如图7所示. 这是一个三端微继电器示意图, 器材最中心的结构是一个带有触点的导电悬臂梁, 其下面有一个驱动电极(相当于MOSFET的栅极). 当驱动电极上不加电压或电压很小的时分, 悬臂梁自在端的触点与下面的电极(相当于MOSFET的漏极) 之间存在空气空隙, 在漏极与悬臂梁的固定端 (相当于MOSFET的源极) 之间没有电流经过, 开关处于断开状况. 当栅极所加的电压超越必定值之后 (吸合电压, 相当于MOSFET的阈值电压), 悬臂梁被静电力下拉, 触摸点与下面的电极触摸, 源与漏被电学导通, 开关处于敞开状况. 此刻减小栅电压, 当小于某一个值(要小于吸合电压),悬臂梁因为机械康复力向上弹起, 触摸点脱离漏极, 回到断开状况. 与半导体MOS器材比较, MEMS继电器在断开状况下, 因为触点与漏极之间存在物理空隙, 简直不存在静态亚阈值漏电; 在敞开状况下, 触摸电阻和串联电阻一般也远小于MOS器材的导通电阻. 因而, MEMS 继电器具有超高的开关电流比, 其功耗也很小. 当继电器的特征规范在微米规范时(即MEMS继电器),其占用面积很大, 其驱动电压很高(几十伏乃至上百伏), 开关速度很慢(在微秒量级). 但当其特征规范(包含空隙)减小到纳米规范时(即NEMS继电器),其机械响应速度会大大前进, 开关速度能够到到达纳秒量级, 驱动电压也会明显下降, 具有了成为电子器材单元的条件. 此外, 与MOS器材比较, NEMS继电器对外界温度、辐射和电磁场不灵敏, 因而关于太空、国防等范畴会有其特别的价值. 选用NEMS继电器代替CMOS器材构成逻辑核算单元, 从而完结大规模运算, 实践上是从电子核算办法向传统机械核算办法的一种回归.
图7 MEMS继电器的作业原理
阻碍NEMS继电器在集成电路中实践运用的最大瓶颈问题是其触摸牢靠性问题. 当器材规范按份额缩小的时分, 不只电学量发生明显改变, 各种力的比照联系也跟着规范发生明显改变. 外表张力、毛细效果力、范德瓦尔斯力、分子间效果力等面积和距离相关的力与体积力比较在纳米规范下变得尤为明显. 在MEMS器材中, 当两个结构彼此触摸的时分, 假如弹性回复力无法战胜范德瓦尔斯力等结构间彼此招引的力, 就会发生所谓的粘附效应使器材失效. 关于NEMS继电器, 这个问题变得更为明显. 一方面, 在纳米规范范德瓦尔斯力等外表力与弹性力比较更处于优势位置; 另一方面, 为了满意低驱动电压的要求, 又需求尽量减小悬臂梁的刚度, 进一步增大了粘附的危险. 触摸点失效是影响NENS继电器牢靠性另一大要素. 触摸点失效一向是MEMS继电器运用的瓶颈问题, NEMS 继电器因为点更小、触摸力更低、回复力更小而使问题变得更为严峻. 文献中所报导的用于IC的NEMS器材大大都是验证概念, 处理规范和集成的问题, 许多器材乃至只能完结个位数的触摸操作. 近几年牢靠性问题得到了很高的注重, 也取得了一些突破性的开展, 但现在所报导的最高开关次数1010, 依然与电路中实践运用的要求(>1016)相去甚远.
NEMS继电器运用所面对的另一个重要问题是互连和封装. 与CMOS集成电路相同, 高密度纳米级器材要想构成杂乱的电路, 有必要经过多层互连来完结, 有些集成电路的互连线乃至现已超越10层. 与CMOS器材不同, NEMS继电器是三维可动结构, 其后续的淀积和刻蚀都无法简略完结. 一起, 因为机械响应速度和触摸牢靠性的要求, NEMS继电器需求进行气密性封装.
尽管面对上述许多应战, 因为NEMS继电器独有的长处, 其研讨依然得到了广泛的注重, 并取得了长足的开展. 这些研讨中不光选用了纳米光刻和刻蚀等先进纳米加工工艺, 还有许多器材选用了碳纳米管、石墨烯等新式资料. 以下将介绍几种典型的器材.
韩国的Jang等以TiN为结构资料, 用CMOS兼容的加工工艺, 研发出梁厚35nm,空气空隙为15nm的NEMS继电器, 其关态漏电流简直为0, 亚阈值摆幅小于3mV/Decade, 驱动电压为20V左右, 在空气中完结了几百次的开关. 图8(a)是这种继电器的示意图, (b)是SEM相片.
图8 TiN NEMS继电器
图9是美国凯斯西储大学的Lee在Science杂志上报导的用SiC资料制作的反相器示意图和器材部分相片. 其最小结构规范为150nm,而最小距离为20nm. 其关态作业电流小于10 fA (丈量仪器的噪声值).这个器材最重要的特色是不只能够在室温下作业, 还能够在高达500℃的温度下作业. 在室温下开关次数到达210亿次, 在500℃的温度下也到达了20亿次以上, 是现在报导的最高值.
图9 用SiC资料制作的反相器示意图
英国剑桥大学的Jang等用笔直成长的碳纳米管作为结构资料, 用歪斜淀积和光刻完结碳纳米管部分金属化, 制备了如图10(a)所示的笔直方向NEMS继电器. 该器材的长处是驱动电压比较低(<4.5 V, 见图10(b)).
图10 碳纳米管笔直NEMS继电器
和其他碳纳米管器材相似, 用碳纳米管加工NEMS继电器的一个首要缺陷是难以定位及构成圆片级加工. Hayamizu 等报导了一种在圆片级构成碳纳米管薄膜, 从而加工器材的办法. 他们运用这种办法, 成功地在圆片上加工出NEMS继电器阵列, 并取得了相对较好的一致性. 尽管其驱动电压还比较高, 加工成品率也有待于前进, 但现已展现出进行大规模加工器材和电路的或许性.
石墨烯是近年来炙手可热的一种纳米资料, 也有许多研讨者运用石墨烯杰出的导电性和机械功用构成NEMS继电器. 中科院物理所的张广宇研讨组运用多层石墨烯作为机械桥膜制备了NEMS继电器. 其开关比为104, 开关寿命为500屡次.
除了继电器之外, 用NEMS技能也能够构成存储器. 英国剑桥大学的Jang等开展了他们的碳纳米管开关技能, 加工出根据开关电容的纳米存储器. 图11(a)是器材结构示意图. 器材的源和漏上各成长一根笔直的碳纳米管, 其间源极的碳纳米管上掩盖氮化硅作为介质层, 再掩盖Cr作为电极层. 源极接位线、漏极接字线. 如图11(b)所示, 在存储器的写入进程, 在要写入的单元1的位线上加正向偏压, 漏极的碳纳米管将因为静电效果力与源极触摸, 当驱动偏压时, 正电荷将保留在源极. 此刻单元1被写入“1”,而单元2坚持为“0”. 如图11(c)所示, 在读的时分, 一切位线被施加与写入电压相同的偏压. 单元1因为正电荷的彼此排挤效果不能触摸, 因而没有电流流过. 而单元2的碳纳米管发生触摸, 发生电流, 完结存储单元状况的区别. 在读出后, 需求对单元进行复位.
图11 笔直碳纳米管存储器
美国Rice大学的Li等研发出一种简略的两头NEMS存储器材. 如图12(a)和(b)所示, 该器材的中心部分是悬空的薄层石墨纳米带. 当在石墨纳米带两头加载电压扫描的时分, 会呈现特别的双稳态现象. 如图12(c)所示, 当电压从0 V扫描到10 V的时分, 器材从低阻态跳变到高阻状况. 再次从0 V扫描时, 则会呈现出高阻状况, 向10 V扫描时会呈现两次跳变. 而从10 V向0 V方向扫描时, 器材则从高阻向低阻跳变. 运用这种现象能够完结双稳态存储器材, 而且完结1000次以上的读—写—擦除操作. 研讨标明这种现象是由石墨纳米带内部微结构所构成的NEMS开关效应引起的. 具体现象和解说请读者自己参看文献.
图12 两头石墨纳米带存储器材
4 生物医疗运用的柔性MEMS芯片
硅基集成电路一向在微电子范畴占有肯定操控位置, 相同, 硅基微加工因为老练、加工才能强、能与电路集成而一向是MEMS干流加工工艺. 近年来, 以柔性的塑料和薄金属作为衬底的柔性电子开端呈现并逐步鼓起. 柔性电子以其共同的柔性/延展性以及高效、低本钱制作工艺, 在柔性显现器、有机发光二极管(OLED)、印刷RFID、薄膜太阳能电池板、电子纸、电子皮肤、人工肌肉等方面显现出广泛运用远景.
生物微机电体系(BioMEMS)近年来现已成为生命科学研讨的有力东西, 并成为MEMS范畴研讨的前沿和热门. 用于细胞操作、DNA扩增检测等的各种微结构不断被开宣布来, 极大地促进了生命科学研讨在细胞、分子水平的开展. 关于许多可扔掉型或小批量生物MEMS器材, 硅基微加工技能的本钱相对过高, 相关资料的生物兼容性、在液体环境中的长时间牢靠性仍有待处理, 硅资料的脆性和不通明性也影响了其运用范围. 近年来生物MEMS工艺的热门逐步搬运到低本钱、高生物兼容性的聚合物微加工上. 关于生物医疗运用的植入型器材和体表器材, 因为要与形状杂乱的器官或皮肤外表贴兼并防止安排损害, 柔性衬底显现出其不行代替的优势. 这种生物医疗运用的柔性芯片是微电子、MEMS、资料以及生物医学等多种科学技能穿插的代表性产品.
人工视网膜芯片是植入式芯片一个典型的比如. 据国家权威部门计算, 我国现有瞎子约500万, 到2020年预期瞎子总数将添加4倍. 在许多瞎子患者中, 有近四分之一的患者是因为视网膜病变构成的, 而这种病变现在为止没有任何药物或手术的办法能够修正. 选用MEMS技能人工视网膜芯片使康复视网膜退化等眼疾患者视觉成为或许. 人工视网膜芯片是一种在眼内植入的微电极阵列, 经过芯片上光电二极管或人为外在施加的办法将眼外印象转化为微电极上的作业电流, 继而对患者视网膜上剩余的正常神经细胞进行影响, 构成人工视觉(见图13). 硅微加工完结的芯片基底刚性较大, 难以与视网膜几许结构相匹配, 简略发生移位, 引起人工视觉功用的下降, 乃至彻底损失, 更为严峻的是, 芯片相对视网膜运动时, 会对邻近正常细胞构成不行逆的生理损坏, 导致严峻的术后并发症; 而现在所选用的辅佐固定安排在植入进程中会带来较大的手术伤口, 损坏患者剩余视网膜细胞, 严峻地影响到人工视网膜芯片自身的作业功用. 此外, 硅资料的生物兼容性较差, 并不能够满意实用化人工视网膜芯片的需求. 因而人工视网膜芯片的衬底资料需求是柔性聚合物, 如聚酰亚胺(PI)和聚对二甲苯(Parylene)等. 与PI比较, Parylene能够用化学气相淀积的办法室温下在各种形状的外表上构成均匀、通明、细密无针孔、无应力的薄膜, 且薄膜的厚度能精确地操控到50纳米~100微米, 机械功用优秀, 十分适合在杂乱的MEMS结构上成长或构成三维MEMS结构, 一起, Parylene资料具有很好的生物兼容性, 是一种得到美国FDA认证的、能够在体内长时间植入运用的生物医用资料, 是植入式MEMS器材的抱负资料.
图13 人工视网膜原理示意图
图14是美国加州理工大学的Tai与美国南加州大学的Humayun研讨组协作开发的视网膜芯片. 该芯片以Parylene为柔性衬底资料, Pt 作为电极, Au 作为电极衔接. 为了完结与眼球的严密贴合, 还选用升温模压的办法将芯片做成弧状. Second Sight 公司在2002年对6名全盲RP患者进行了带有16个微电极的视网膜芯片的临床植入试验, 患者能够“看到”物体的移动, 并对物体进行定位, 乃至能够辨认一些简略物体, 植入的芯片到现在为止依然能够正常作业. 北京大学的Wang等研发了带有三维针尖的柔性视网膜芯片, 与平面电极比较, 三维针尖电极具有更小的电化学阻抗, 并能够更好地与安排贴合(图15).
图14 Parylene衬底人工视网膜芯片
图15 三维针尖的柔性视网膜芯片
眼睛方面的另一个重要运用是可佩带型眼压计. 青光眼是引起视网膜等眼病的首要要素, 国际范围内有七千万以上的青光眼患者. 引起青光眼的病因是眼压过高, 现在的眼压丈量有必要在医院经过特别仪器来完结, 无法完结日常监测, 晦气于对青光眼的医治和护理. 瑞士日内瓦大学的Leonardi等提出将压力传感器制作在相似于隐性眼镜的柔性衬底上, 构成可佩带的眼压计, 完结眼压的实时监控. 这种器材进一步开展成无线信号传输办法, 并现已成功完结产业化(图16).
图16 用于完结眼压的实时监控的"隐性眼镜"芯片
在柔性芯片方面做出最杰出效果的是美国UIUC的Roger教授. 2006 年他在Science杂志上提出了运用PDMS和硅复合结构构成可弹性电子的概念. 如图17(a)所示, 在SOI片的有源硅薄膜上刻出条带, 之后键合在预拉伸的PDMS基底上. 腐蚀掉SOI的氧化层, 硅微条带从SOI基片上开释下来与PDMS结合. 此刻PDMS因为弹性回复力缩短, 因为硅条带满足薄, 具有很好的弹性, 会遭到大的压应力发生委曲构成波浪形图17(b). 之后他们又开展了这种技能, 对PDMS进行二维拉伸, 并将硅刻成岛状, 之间用金线进行互连, 构成如图17(c)所示的形状. 这种PDMS和硅复合结构能够进行大范围的紧缩、拉伸和歪曲, 因为电路和MEMS结构能够事先在硅岛上, 因而完结了所谓的可弹性电子. 这种可弹性电子能够用来构成柔性显现器、仿人眼照相机、触觉传感器、灵活蒙皮等多种器材和体系, 有广泛的运用远景.
图17 可弹性的PDMS和硅复合结构
最近, Roger所领导的团队, 又进一步把这种结构从PDMS搬运到更简略变形、更简略与皮肤贴合聚酯(polyster)资料上, 并集成了更多的电子元件和传感器, 提出了表皮电子的概念. 如图18(a)所示, 芯片上集成了天线、无线能传输线圈、应变传感器、RF线圈、RF二极管、温度传感器、ECG/EMG传感器等金属和硅器材. 芯片能够运用相似暂时搬运纹身的办法搬运到人的皮肤外表, 并与皮肤严密贴合(图18(b)). 经过射频传输能量和信号, 该芯片能够实时监测人的体温、ECG、EMG等生理信息. 选用可溶性蚕丝蛋白薄膜为资料, 该研讨组还完结了柔性电极阵列记载大脑皮层信号.
图18 (a)集成多种元件的柔性表皮芯片; (b)与皮肤严密贴兼并随之变形
石墨烯资料作为二维资料具有很好的里边形变特性, 具有杰出的导电性, 并能够作为半导体电路资料和传感资料. 此外, 当石墨烯层很薄的时分, 也具有很好的透光性, 因而石墨烯也是柔性芯片的抱负资料. 韩国的Kim等报导了一种能够把大面积石墨烯薄膜搬运到柔性衬底上, 构成可弹性通明导电薄膜的办法. 薄膜电阻会随应变发生改变, 去掉曲折负载之后, 电阻值也随之康复. 因而这种结构能够用作力传感器.
5 结语
经过多年的开展, 微纳机电体系的根本工艺和理论的研讨已日渐老练, 而其多样化和浸透性的特色体现的越来越杰出, MEMS现已进入到各个范畴和职业, 而且在不同程度上改动着其现状和开展走势. 一起, MEMS也跟着这些范畴的不断开展而继续前进. 本文偏重评论和MEMS与IC 的浸透与交融. 尽管MEMS是在IC的根底上开展起来的, 但二者的集成却充满了应战. 因为台积电在MEMS代工业中的强势介入, 使微纳机电体系与CMOS集成电路的集成脚步大大加速, 也为无晶圆厂形式MEMS规划公司供给了史无前例的关键. 在与纳米交融方面, 一方面新的纳米资料与纳米加工技能越来越多地在微纳机电技能中得到运用, 促进了微机电体系功用前进和新器材的呈现, 另一方面微纳机电体系技能也供给了新的纳米级三维加工手法, 催生了比如NEMS继电器、存储器等新式的IC 器材. 与生物技能的结合是微纳机电技能的新的增长点, 柔性衬底电极和电路是其间的典型代表, 植入式器材和表皮电子等方面体现出无可代替的优势.
因为MEMS技能的这种激烈的穿插性, 立异性的微纳机电体系研讨现已很难从单个团队、单个学科来完结. MEMS的根底研讨有必要经过多个学科的穿插和交融来完结. 针对生物检测对生命科学研讨和临床医学确诊需求, 研讨新式生物微机电技能应该引起满足的注重. 另一方面, 因为MEMS从本质上讲是运用性很强的研讨范畴, 因而, 未来应该支撑与MEMS运用相关的研讨作业, 大力推动MEMS的产业化, 构成相应的制作才能.
