第六章 MEMS应用.ppt

1、第6章 MEMS的应用,MEMS的应用 MEMS的封装,6.1 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

2、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

3、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

4、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2cm2cm0.5cm，质量约5g，陀螺的漂移不稳定性10/h，加速度计精度为250g,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

5、研究硬目标灵巧引信（ETSF），侵彻武器通常以每秒几千英尺的速度穿入地面、混凝土、岩石或其它的坚硬物质，其运动的平均加速度可达到地球上物体所受重力加速度的 2 万倍，最大加速度可达重力加速度的几十万倍，要求所用加速度传感器既能抗击这样苛刻的工作环境，同时又能识别冲击与钻入的整个过程。因此，侵彻武器用传感器要有较宽的测量范围、可经受极端冲击的坚固结构。,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

6、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

7、，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,九十年代初ADI的气囊微加速度计,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

8、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、

9、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,各种不同用途的微流控芯片,四、MEMS在生化、医学上的应用微流控芯片,安捷仑公司的Bioanalyzer 样品处理、分离、检测、分析集成于一体,Lab on a Chip,BioMEMS,研究背景,微纳尺度流体力学,MEMS设计、模拟等,微纳制造工艺及材料,物理、化学修饰等,宏观与微观、 仪器与芯片,临床、实验室、科学研究,PMMA微流控芯片制作及实验研究,PMMA微流控芯片制作 电流监测实验系统 电渗流的测量和分析,1.PMMA微流控芯片制作,热压法工艺流程图,2

10、.微通道结构设计,PMMA芯片微通道结构CAD图,3.PMMA微流控芯片制作,PMMA微流控芯片,4.PMMA微流控芯片参数测量,5.电流监测实验系统,实验系统示意图,5.电流监测实验系统,6.电渗流的测量,仪器与试剂：主要包括容量瓶、移液管、烧杯、玻璃棒、胶头滴管和精密电子天平等。所采用试剂为分析纯NaCl和二次蒸馏水，目的是配置不同浓度的NaCl电解质溶液。,6.电渗流的测量,6.2 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,

11、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、

12、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 m,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、

13、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

14、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

15、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