微机电系统
机械电子工程学院专业选修课程
Micro-Electro-Mechanical-System(MEMS)
微机电系统
第7章 MEMS的应用与检测
- MEMS的应用
- MEMS的集成平台化
- MEMS的封装
- MEMS的检测
第一部分 MEMS的应用
现状——
已形成可用性产品，主要是微传感器、微执行器等器件级产品
应用——
- 光信号处理、生物医学、机器人、汽车、航空、航天、军事和日用电器等领域
- 已得到广泛的应用，并有巨大潜在的应用前景和经济效益
- 功能上可以开发出许多以往无法实现的产品；
- 微型化替代以前人类无法完成的某些工作
- 可能象微电子一样，引发一场新的技术革命
作用——
武器制导和个人导航芯片上的惯性导航组合
超小型、超低功率无线通信（RF MEMS）的机电信号处理
军备跟踪、环境监控、安全勘测的无人值导分布式传感器系统
小型分析仪器、推进和燃烧控制的集成微流量系统
武器安全、保险和引信
有条件保养的嵌入式传感器和执行器
高密度、低功耗的大规模数据存储器件
敌友识别系统、显示和光纤开关的集成微光学机械器件
飞机分布式空气动力学控制和自适应光学的主动、共形表面
一、MEMS在军事上的应用
MEMS系统的代表——微型无人驾驶飞机
特点——小、轻、廉价、功能强
低空侦察、通信
近敌电子干扰
携高能炸药攻击敌雷达和通信中枢
战场毁伤评估和生化武器的探测
城市作战，侦察、探测、查找敌对分子、窃听
边境巡逻、毒品禁运
通信中继
环境研究
自然灾害的监视与支援
大型牧场和城区监视等
作用
MEMS系统的代表——微型无人驾驶飞机
军事意义
- 减少人员伤亡
- 完成一些士兵难以进行的侦察任务
- 提高武器作战的消费比、降低军费开支
- 已成为信息战的重要组成部分
代表产品：美国，翼展12.7cm，重量50g，推力0.127N，飞行速度57-114km/h，飞行距离60-120km，25g甲烷/h
- 分布式战场微型传感器网络
- 探测人员、车辆运动信息，查明敌人军队部署调动
- 布撒、收集信息方式
MEMS系统的代表——微型军用机器人
移动式微型机器人
昆虫微型机器人
固定式微型机器人
从携带到控制，从体外到体内，欺骗性更大
日本东京大学蟑螂机器人
以色列微型飞行军事机器人——2007年
6个分系统：传感器系统、信息处理与自主导航系统、通信系统、机动系统、破坏系统、驱动电源
- 工作原理
陀螺仪测量姿态和转动的角速度，保持对加速度对准的方向进行跟踪；加速度计测量加速度的变化
- 典型用途
提供运动物体姿态、位置和速度的信息，各种航空航天平台及飞行器的制导系统
- 作为微执行器的特点
微型惯性测量组合MIMU
（Intertial Measurement Uint-IMU）
美国德雷珀实验室，尺寸2cm×2cm×0.5cm，质量约5g，陀螺的漂移不稳定性10°/h，加速度计精度为250μg
- 代表产品
寿命、可靠性高（无转动的部件）
成本
体积和重量
- 要求
- 大量程、高g值——测量量程在几万g到十几万g
- 很好的抗过载能力——硅材料内部缺陷少
- 侵彻武器概念与作用
- 典型产品
微型加速度传感器在侵彻武器引信中的应用
美国在90年代初期开始研究硬目标灵巧引信（ETSF）
美国ENDEVCO公司，90年代，20万g，压阻式加速度微传感器，7270A
二、MEMS在汽车上的应用
传感器对汽车的作用：
汽车是传感器第二大市场，每台车40到上百个传感器
汽车发展趋势（智能化）需要更多传感器，特别是安全方面
MEMS传感器在汽车应用中的优势：成本、性能、可靠、轻
应用位置：
安全气囊、ABS制动、测速、防撞、发动机燃烧状态、减振等
主要应用产品：MEMS加速度传感器、 MEMS压力传感器
- 主要用途
- 发动机控制和传动系统。例如：流量绝对压力测量，气压测量，排气回流测量，燃料压力测量。
- 悬挂/制动和牵引控制系统。例如：轮胎压力监测，主动悬挂液压测量。
- 驾驶与乘座环境控制系统。例如：座椅腰部支撑压力测量，空调控制压力传感器
压力传感器在汽车中的应用
- 安全气囊
加速度传感器在汽车中的应用
工作范围0-±50g
安装位置：汽车发生碰撞时受到挤压的部位/非挤压的区域
- 悬挂系统
测量范围为0-2g。
暴露恶劣环境中，需复杂封装，价格高于安全气囊的加速度计
- 防锁定制动系统（anti-lock braking system）
用于中档和高档的汽车
- 典型汽车用产品
加速度传感器在汽车中的应用
1991年AD（Analog Devices）公司生产出的第一个商用多晶硅表面微机械电容式加速度计AXDL-50
1995年美国的AD公司生产制造了5g的低加速度值汽车用加速度计
三、MEMS在生化、医学上的应用
作用：
替代器官植入
体内量微手术
微量检测
医学成像
MEMS的优势：微型特别适合体内、细胞尺度的作用
产品形式特点：具体开发，形式多样
- 心脏起搏器/人工心脏
- 耳蜗植入/ MEMS替代有缺陷的视网膜
1960年第一个起博器，双稳态多谐振荡器电路
原理：刺激心房和心室的心肌
原来与现在工作模式
人工器官植入
2007年移植人工心脏成活
前提：神经尚健全
原理：与神经连线，光声信息采用-转换成电信号-分配到不同电极连线——刺激神经
条件：经过条件反射训练
- 人工胰腺
葡萄糖传感器+胰腺素补充泵
- 三大组成部分
- 优缺点
运动、探测（要求可视化）、操作
体内显微手术、检查、释药
微创/无创——利用人体天生的入口或极小切口，避免损伤健康的组织，康复快、痛感小
效果好——直接针对病毒
药量小——避免对健康组织的药物作用
操作困难
- 已有应用——消化道（肠道、胆结石去除）、耳鼻喉科、泌尿、妇科
- 发展方向——血管内手术、颅内手术及细胞手术
手术操作部分
手术运动机构
“Iuch-worm”
手术观察部分与系统集成
微内窥镜
多功能光学纤维导管手指
第二部分 MEMS的集成平台化
应用与意义——
- 在宏观空间上安排许多MEMS元器件，实现微型、集成平台化
- 光开关、光交换、光扫描、印刷、显示、数据存储等系统
——自由空间微光学平台FS-MOB为例
（Free-Space Microoptical Bench）
最基本三组成 ——
衍射光学元件（微透镜、光栅等）
微铰链/微定位
微执行器/微限位
- 光、电信号处理模块集成，提高信号的品质
- 可采用IC批量生产、降低成本
- 光学元件通过IC工艺在硅基片上精确自动对准，避免了装校
- 光学系统的重量、体积
优点
微透镜
位相菲涅尔（Fresnel）透镜
二元透镜衍射效率
衍射微透镜
折射微透镜
M为二元透镜的台阶数，M=2m
光刻热熔法
焦距与数值孔径精确度
衍射效率
光波带宽
厚度极限
比较
微铰链/微支撑
提供平面制作后立体结构实现的可能性
微驱动器/微限位器
微限位器的分类
微驱动器
Akiyama,（Scratch drive actuator，SDA）
平动/转动
平动中弹性比滑动的优势
- 步距llnm
- 速度高达每秒数十微米
- 长距离
光路Z向调节法：距离可以超过100um
FA-MOB的具体典型应用
FS-MOB光开关阵列
损耗小
耦合效率高
信号窜扰低
与光波长、偏振、数据的格式无关。
FA-MOB的具体典型应用
可调式Fabry-Perot干涉仪
- 用途：波分复用（WDM）光通信、光学频谱分析、测试
- 形式：平行板式及多层介质薄膜式FP干涉仪
- 原理
FA-MOB的具体典型应用
FS-MOB光盘读写头
- 作用：重量的降低和体积的缩小将显著加快读取速率
——重量优点的体现
- 形式：平行板式及多层介质薄膜式FP干涉仪
- 原理
第三部分 MEMS的封装
- 制造中：成品率低，封装成本一般占总成本的80%
- 使用中：失效主要原因
- 环境通路（接口）、与外界的通道
- 对应用环境的影响、受不利环境的影响
- 应力问题
- 电源
重要性
封装要求
与IC对比的特殊性
- 封装对象结构复杂——三维几何构型
- 保护芯片的问题——敏感元件等需与工作介质接触
- 复杂的信号界面
- 留有同外界直接相连的通路
- 失效几率高，可靠性要求更高
1、封装设计
MEMS封装的3个级别
需要考虑的问题
- 环境影响
- 工艺失效
- 成本
芯片级封装
- 保护——芯片破裂、元件
受力、电路短路
- 芯片上电、磁、机隔离
- 引线键合可靠
要求
包含
——MEMS器件+引线
器件级封装
——接口
- 位置尺寸关系合理
- 应对内部环境、进入内部的外界媒介
包含
要求
——MEMS芯片+直接信号调节和处理电路
系统级封装
包含
——MEMS器件+主要信号处理电路
- 屏蔽——电磁、振动、热
- 安装位置关系精确
- 接口顺畅
要求
2、封装工艺
1）表面结合
作用——组装、振动隔离、密封
粘接
钎焊
键合
- 简易方便成本低
- 连接强度、可靠性差
- 环氧树脂——受热环境影响大
- 硅橡胶——不适合于高压应用
- 化学惰性、密封性
- 提高温度时容易发生蠕变
- 阳极键合——硅片与玻璃/石英衬底，密封、便宜
- 硅熔融键合（SFB）——两个硅晶片之间
- 绝缘硅（SOI）——硅-非结晶质材料（如SiO2）
- 低温表面键合与剥离——中间薄膜层作用
2）引线键合
区别——前为面键合，此为点键合
引线材料
——主要金或铝，其他铜、银、钯
工艺参数
- 通常速度每秒钟10个线点
- 引线直径25 -75 μm
热压键合
- 键合装置——毛细管劈刀
- 楔压键合——压力、热结合作用
- 作用点——芯片压点、引线框内端电极
超声键合
- 压力、超声摩擦结合作用
- 优点——不加热底座、可形成不同金属之间的键合
热超声球键合
- 金丝端部先融化成小球，再压力、超声摩擦结合作用
- 优点——连接尺寸控制极佳
3）微密封工艺
微壳密封
反应密封技术
4）先进封装——倒装焊
概念
——在芯片有源面的铝压焊块上做凸焊点，然后将芯片倒扣，直接与基板连接
优点
- 实现圆片级芯片尺寸封装（WLP-CSP）
- 与基板直接相连——缩小器件的体积、重量
- 焊球阵列（BGA）凸点可以布满整个管芯——增加了I/O互连密度——
- “连线”的缩短——引线电感电容小、串扰弱，信号传输时间短
实例
倒装焊封装的微麦克风
焊球阵列Ball grid array (BGA)
4）先进封装——多芯片封装（MCP）
- 减小器件体积，小型化
- 缩短信号从信号芯片到驱动器或执行器的距离，减小信号衰减和外界干扰的影响
目的
实例
加速度微传感器的封装
- 比小芯片分别封装更容易
- 提高封装可靠性
- 提高封装密度、生产效率
其他优点
4）先进封装——多芯片封装（MCP）
Multichip module (MCM)
4）先进封装——模块式封装（MOMEMS）
——降低封装成本、缩短研发时间、使用便利
目的
采用总线方式
方法
——形成系列化、标准化封装
5）插装元器件的结构
——降低封装成本、缩短研发时间、使用便利
分类
外观
- 金属封装/陶瓷封装——气密性，可靠性高
- 塑料封装——非气密性，简单、低廉、大批量
- 金属外壳封装——抗电磁干扰
- 圆柱形外壳封装（TO）
- 矩形单列直插式封装（SIP）
- 双列直插式封装（DIP）
- 针栅阵列式封装（PGA）
3、封装基片材料
- 导热性能
- 线膨胀系数（与硅和砷化镓匹配）
- 高频特性（低介电常数、介质损耗）
- 电绝缘性能
- 机械性能
- 化学性质稳定（抵抗应用与工艺腐蚀）
- 加工性
- 成本
对基片材料的要求
陶瓷
1、三氧化二铝陶瓷
——占陶瓷基片材料的90%
——热导率不足以满足大功率集成电路应用
- 导热性能
- 线膨胀系数
- 高频特性
- 电绝缘性能
- 机械性能
- 化学性质稳定
- 加工性
- 成本
2、氮化铝陶瓷
——高热导率（为三氧化二铝5倍以上），适用于高功率
——制备工艺复杂，成本高
3、氧化铍陶瓷
——高导热、理想高频特性（适合上天电子设备）
——工艺毒性，成本高
环氧玻璃
——特别适合引脚封装，特别是塑料、大批量封装。常用于单层、双层或多层印制板
- 导热性能差
- 线膨胀系数一般
- 高频特性一般
- 电绝缘性能一般
- 机械性能
- 化学性质稳定
- 加工性
- 成本低廉
——环氧树脂和玻璃纤维为基础材料的复合材料
金属
最常用铝
- 热导率很高/重量轻/价格低/易加工
- 线膨胀系数匹配性差
铜类似
- 很低线膨胀系数
- 良好的焊接性
- 导热能力较差
镍铁合金/
铁镍钴合金
钨和钼
- 线膨胀系数匹配性很好
- 导热性好
- 与硅可焊性差、连接工艺复杂且可靠性差
- 密度大，不适合上天产品
- 价格昂贵
——半导体硅片的支撑材料
——小功率整流器的散热和连接材料
本章重点难点
- 重点：MEMS主要应用； FA-MOB主要结构方式；主要封装工艺；MEMS检测的常用方法
- 难点：微弱信号的检测与处理
- 作业：教材第368页第2-6题
本章学习要求
了解MEMS在军事、汽车、医学等重要领域中的应用，特别是一些典型产品。
掌握FA-MOB的特点与应用。
掌握封装技术的级别、主要封装工艺、封装材料，了解封装新技术。
理解MEMS检测的一般方法，特别是微弱信号的检测与处理。了解IC、MEMS工艺中最常用的检测方法。