《電子封裝、微機(jī)電與微系統(tǒng)》課件第8章

第八章MEMS概述8.1MEMS的概念8.2MEMS的特點(diǎn)8.3MEMS的應(yīng)用8.4MEMS技術(shù)與IC技術(shù)的差別

8.1MEMS的概念

MEMS是美國(guó)人的慣用詞，在歐洲被稱為微系統(tǒng)(MicroSystemTechnology，MST)，在日本被稱為微機(jī)器(Micro-Machine)。由于美國(guó)的MEMS總體研究水平處于領(lǐng)先地位，因此，人們通常沿用MEMS的叫法。

8.2MEMS的特點(diǎn)

MEMS并非是單純的宏觀機(jī)械的尺寸微小化，它的研究目標(biāo)在于：通過(guò)微型化、集成化來(lái)探索新原理、新功能的元件和系統(tǒng)，開(kāi)辟一個(gè)新的科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域和產(chǎn)業(yè)。微電子學(xué)、微機(jī)械學(xué)、微光學(xué)、微動(dòng)力學(xué)、微流體力學(xué)、微熱力學(xué)、微摩擦學(xué)、微結(jié)構(gòu)學(xué)和微生物學(xué)等共同構(gòu)成MEMS的理論基礎(chǔ)。圖8-1伯克利分校研制的靜電微電機(jī)

1.?MEMS的優(yōu)點(diǎn)

同常規(guī)機(jī)電系統(tǒng)相比，MEMS具有如下6個(gè)特點(diǎn)。

1)系統(tǒng)微型化

MEMS器件體積小、精度高、重量輕、慣性小、諧振頻率高。MEMS體積可小至亞微米以下，尺寸精度可達(dá)到納米量級(jí)，重量可輕至納克，諧振頻率可達(dá)上百千赫茲。

2)制造材料性能穩(wěn)定

MEMS的主要材料是硅。硅材料的機(jī)械、電子材料性能優(yōu)越，強(qiáng)度、硬度和楊氏模量同鐵相當(dāng)，密度和導(dǎo)熱性能類似于鋁。

3)批量生產(chǎn)成本低

MEMS器件適于大批量生產(chǎn)，成本低廉。MEMS能夠采用與半導(dǎo)體制造工藝類似的方法，像超大規(guī)模集成電路芯片一樣，一次制成大量完全相同的零部件，制造成本顯著降低。

4)能耗低，靈敏度和工作效率高

完成相同工作，MEMS所耗能量?jī)H為傳統(tǒng)機(jī)械的十分之一或幾十分之一，而運(yùn)作速度及加速度卻可達(dá)傳統(tǒng)機(jī)械的數(shù)十倍以上。由于MEMS幾乎不存在信號(hào)延遲等問(wèn)題，從而更適合高速工作。

5)集成化程度高

在MEMS中，可以將不同功能、不同敏感方向的多個(gè)傳感器、執(zhí)行器集成在一起，可以形成陣列，也可將多種功能器件集成在一起，形成復(fù)雜的多功能系統(tǒng)，以提高系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。特別是應(yīng)用智能材料和智能結(jié)構(gòu)后，更利于實(shí)現(xiàn)MEMS的多功能化和智能化。

6)多學(xué)科交叉

MEMS技術(shù)包含電子、機(jī)械、微電子、材料、通信、控制、掃描隧道等工程技術(shù)學(xué)科，還包含物理、化學(xué)、生物、力學(xué)、光學(xué)等基礎(chǔ)學(xué)科。MEMS融合了當(dāng)今科學(xué)技術(shù)的許多最新成果，通過(guò)微型化、集成化，探索MEMS的新原理、新工藝，開(kāi)辟了新的領(lǐng)域。

2.?MEMS存在的問(wèn)題

鑒于MEMS的以上優(yōu)點(diǎn)，同常規(guī)機(jī)電系統(tǒng)相比較，MEMS又存在以下8個(gè)問(wèn)題。

1)尺寸效應(yīng)

當(dāng)構(gòu)件尺寸從1mm減小到1μm時(shí)，面積減小因子為100萬(wàn)倍，而體積減小因子為10億倍，這樣，正比于面積的作用力(如摩擦力、黏附力、表面張力、毛細(xì)力、靜電力)同正比于體積的作用力(如慣性力、電磁力)相比，增大了數(shù)千倍，而成為MEMS的主要作用力。

2)材料性能

在MEMS硅襯底上，淀積有多種薄膜。這些膜的厚度從幾十納米到幾十微米不等，加工方法也同常規(guī)方法不一樣，其機(jī)械性能和電性能同常規(guī)材料的性能存在差異，有的差別很大。如何正確分析薄膜的機(jī)械性能和電性能，對(duì)MEMS的性能分析非常關(guān)鍵。

3)黏附問(wèn)題

實(shí)驗(yàn)證明，微表面靜止接觸或兩表面間隙處于納米量級(jí)時(shí)，由于表面黏附力使兩表面黏附在一起，這不僅使微器件的性能受到嚴(yán)重影響，甚至將導(dǎo)致動(dòng)作失效，而且在微構(gòu)件的制造中，是造成廢品的重要因素，并直接導(dǎo)致MEMS的一次成功率低，成本大。

4)靜電力問(wèn)題

靜電力作為MEMS的主要驅(qū)動(dòng)力，在MEMS的研究中具有不可替代的作用。無(wú)限大平板電容表達(dá)式是目前計(jì)算MEMS靜電力的主要方法，且已被人們廣為接受。然而，隨著MEMS特征尺寸的減小，極板電場(chǎng)是非均勻的，MEMS極板模型已不符合無(wú)限大平行板電容模型。

5)摩擦問(wèn)題

靜電微電機(jī)雖然已有十余年的研究歷史，但真正應(yīng)用到工程實(shí)際的微電機(jī)寥寥無(wú)幾，其主要原因是轉(zhuǎn)子同主軸間的黏附磨損使微電機(jī)很快失效。

6)檢測(cè)問(wèn)題

檢測(cè)和傳感是MEMS中不可缺少的組成部分，在有了對(duì)微觀領(lǐng)域進(jìn)行研究的工具后，人類才能有更深入的研究。在微觀領(lǐng)域，要求測(cè)量?jī)x器的尺寸小，而且不能因測(cè)量對(duì)MEMS帶來(lái)影響。另外，由于體積小和相對(duì)表面積大，易受環(huán)境影響，測(cè)試時(shí)對(duì)環(huán)境等有較高的要求。因此，MEMS的材料特性和機(jī)械特性測(cè)量有很大難度。

7)薄膜應(yīng)力問(wèn)題

在微梁、片等硅表面淀積金屬是MEMS加工的主要工藝。然而，由于金屬和硅的熱膨脹系數(shù)不同，會(huì)在微梁、片表面產(chǎn)生殘余應(yīng)力，即薄膜應(yīng)力，導(dǎo)致所加工的梁、片在未工作時(shí)，即存在應(yīng)力作用。薄膜應(yīng)力和殘余變形對(duì)MEMS的性能影響也很大。如何計(jì)算、消除薄膜應(yīng)力，是MEMS面臨的又一個(gè)問(wèn)題。

8)表面粗糙度問(wèn)題

目前，MEMS工藝主要以微電子工藝和LIGA工藝為主。雖然經(jīng)MEMS工藝加工的表面相對(duì)傳統(tǒng)機(jī)械工藝要平整許多，但并非是完全平整的。盡管粗糙度僅僅為納米量級(jí)，然而足以對(duì)MEMS的黏附、靜電力、摩擦、檢測(cè)起到?jīng)Q定性作用。

8.3MEMS的應(yīng)用

目前，MEMS主要在以下領(lǐng)域得到應(yīng)用。

1.汽車工業(yè)

汽車工業(yè)已經(jīng)成為MEMS的主要用戶，尤其是智能汽車的發(fā)展，將同MEMS密不可分。各種各樣的微傳感器被用于環(huán)境和道路的檢測(cè)，微執(zhí)行器則按要求完成各項(xiàng)動(dòng)作。概括來(lái)說(shuō)，MEMS在汽車工業(yè)中主要應(yīng)用在安全、動(dòng)力系統(tǒng)、舒適和診斷方面。圖8-2傳感器在汽車中的應(yīng)用

2.家用電器

手提電腦、手機(jī)、便攜式媒體播放器和移動(dòng)終端設(shè)備內(nèi)的硬盤驅(qū)動(dòng)器墜落保護(hù)功能，是MEMS運(yùn)動(dòng)傳感器在消費(fèi)電子市場(chǎng)具有重要?dú)v史意義的代表性應(yīng)用之一。

3.生物醫(yī)學(xué)

MEMS在生物中的應(yīng)用主要集中在生物化學(xué)分析、DNA分析、臨床診斷、細(xì)胞病原體蛋白質(zhì)分析分離等領(lǐng)域；在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用主要為微創(chuàng)、無(wú)創(chuàng)治療、各種內(nèi)窺鏡、藥物定點(diǎn)投送、參數(shù)檢測(cè)等。

4.通信領(lǐng)域

全光通信的興起在很大程度上得益于MEMS技術(shù)。MEMS技術(shù)使網(wǎng)絡(luò)擺脫基于光電轉(zhuǎn)換的通信網(wǎng)絡(luò)在數(shù)傳速率、帶寬、延遲、信號(hào)損失、成本和協(xié)議依賴性等方面的局限。除了消除光—電—光(OEO)網(wǎng)絡(luò)的許多限制之外，MEMS還有一個(gè)重要的優(yōu)勢(shì)，就是通過(guò)允許對(duì)光路外的光交換進(jìn)行外部控制，可以獨(dú)立調(diào)節(jié)電子和光學(xué)參數(shù)，以獲得最優(yōu)的整體性能。圖8-3二維和三維微反射光開(kāi)關(guān)微結(jié)構(gòu)

5.航空航天

航空航天領(lǐng)域是MEMS技術(shù)大顯身手的地方。微型飛行器(MicroAerialVehicle，MAV)因尺寸小(<45cm)、巡航范圍大(>5km)、飛行時(shí)間長(zhǎng)(>15min)和能夠自主飛行，被認(rèn)為是未來(lái)戰(zhàn)場(chǎng)上的重要偵察和攻擊武器，具有價(jià)格低廉、便于攜帶、操作簡(jiǎn)單、安全性好等優(yōu)點(diǎn)。

6.軍事領(lǐng)域

美國(guó)和西方國(guó)家為了掌握現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)的主動(dòng)權(quán)，大力發(fā)展微型飛行器、戰(zhàn)場(chǎng)偵察傳感器、智能軍用機(jī)器人、微慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，以增加武器效能。軍用武器裝備的小型化是重要的發(fā)展趨勢(shì)。為了適應(yīng)這一發(fā)展的需要，主要采用的是MEMS技術(shù)制造的傳感器