微机电系统

1. 机械电子工程学院专业选修课程 微机电系统 微机电系统 Micro-Electro-Mechanical-System(MEMS)

2. 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

3. 第一部分 MEMS的应用 • 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 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 作用—— • 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

4. 一、MEMS在军事上的应用 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

5. 特点——小、轻、廉价、功能强 作用 MEMS系统的代表——微型无人驾驶飞机 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

6. 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 MEMS系统的代表——微型无人驾驶飞机 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

7. 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 固定式微型机器人 MEMS系统的代表——微型军用机器人 • 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 移动式微型机器人 以色列微型飞行军事机器人——2007年 昆虫微型机器人 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

8. （Intertial Measurement Uint-IMU） • 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 微型惯性测量组合MIMU • 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 • 代表产品 • 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 • 作为微执行器的特点 寿命、可靠性高（无转动的部件） 成本 体积和重量

9. 侵彻武器概念与作用 美国在90年代初期开始研究硬目标灵巧引信（ETSF） 微型加速度传感器在侵彻武器引信中的应用 • 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 • 典型产品 美国ENDEVCO公司，90年代，20万g，压阻式加速度微传感器，7270A

10. 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 二、MEMS在汽车上的应用 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

11. 主要用途 压力传感器在汽车中的应用 • 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

12. 安全气囊 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 加速度传感器在汽车中的应用 • 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

13. 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

14. 作用： 替代器官植入 体内量微手术 微量检测 医学成像 三、MEMS在生化、医学上的应用 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

15. 心脏起搏器/人工心脏 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 • 耳蜗植入/ MEMS替代有缺陷的视网膜 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

16. 三大组成部分 运动、探测（要求可视化）、操作 体内显微手术、检查、释药 • 优缺点 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

17. 手术操作部分 手术运动机构 “Iuch-worm”

18. 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

19. 第二部分 MEMS的集成平台化 ——自由空间微光学平台FS-MOB为例 （Free-Space Microoptical Bench） • 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 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

20. 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

21. 衍射微透镜 位相菲涅尔（Fresnel）透镜 微透镜 二元透镜衍射效率 M为二元透镜的台阶数，M=2m 折射微透镜 光刻热熔法 比较 焦距与数值孔径精确度 衍射效率 光波带宽 厚度极限

22. 提供平面制作后立体结构实现的可能性 微铰链/微支撑

23. 微限位器的分类 平动/转动 平动中弹性比滑动的优势 微驱动器/微限位器 微驱动器 Akiyama,（Scratch drive actuator，SDA） • 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

24. 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

25. 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

26. 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 FA-MOB的具体典型应用

27. 第三部分 MEMS的封装 重要性 • 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 封装要求 • 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 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

28. 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

29. 包含 ——MEMS器件+引线 要求 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

30. 包含 ——MEMS芯片+直接信号调节和处理电路 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 要求 系统级封装 包含 ——MEMS器件+主要信号处理电路 要求 • 屏蔽——电磁、振动、热 • 安装位置关系精确 • 接口顺畅

31. 2、封装工艺 作用——组装、振动隔离、密封 1）表面结合 • 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 粘接 • 化学惰性、密封性 • 提高温度时容易发生蠕变 钎焊 键合 • 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

32. 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 2）引线键合 工艺参数 • 通常速度每秒钟10个线点 • 引线直径25 -75 µm

33. 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 热压键合

34. 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 超声键合

35. 金丝端部先融化成小球，再压力、超声摩擦结合作用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 热超声球键合

36. 微壳密封 3）微密封工艺 反应密封技术

37. 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 4）先进封装——倒装焊 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

38. 焊球阵列Ball grid array (BGA)

39. 目的 • 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 4）先进封装——多芯片封装（MCP） • 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 实例 加速度微传感器的封装

40. Multichip module (MCM) 4）先进封装——多芯片封装（MCP）

41. ——降低封装成本、缩短研发时间、使用便利 目的 方法 ——形成系列化、标准化封装 4）先进封装——模块式封装（MOMEMS） 采用总线方式

42. 分类 ——降低封装成本、缩短研发时间、使用便利 • 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 5）插装元器件的结构 外观 • 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）

44. 3、封装基片材料 对基片材料的要求 • 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

45. 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 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 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

46. ——环氧树脂和玻璃纤维为基础材料的复合材料 • 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

47. 铜类似 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 金属 镍铁合金/ 铁镍钴合金 • 很低线膨胀系数 • 良好的焊接性 • 导热能力较差 ——小功率整流器的散热和连接材料 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

48. 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

49. 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。