第二章-MEMS-技術(shù).ppt

1、引言,MEMS設(shè)計(jì)中的相關(guān)因素 創(chuàng)造和發(fā)明 市場(chǎng)機(jī)遇 技術(shù)的選擇 系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 制造方法,高性能？新功能?,市場(chǎng)需求？競(jìng)爭(zhēng)性？,高端？低端？,單片？組裝？,工藝條件？成本？,引言,高層次設(shè)計(jì) 市場(chǎng)因素： 需求？市場(chǎng)前景？ 影響力： 發(fā)展趨向？新方法？新功能？ 競(jìng)爭(zhēng)： 對(duì)手？類似產(chǎn)品？ 技術(shù)： 自行開(kāi)發(fā)？購(gòu)買？合作？ 制造： 需求？成本？,引言,對(duì)于所有類型的器件，技術(shù)都是關(guān)鍵的因素。對(duì)于商業(yè)化的產(chǎn)品，所有因素都是重要的，但技術(shù)論證類的產(chǎn)品，也往往并非完全不考慮市場(chǎng)、制造等因素。,引言,設(shè)計(jì)過(guò)程 “市場(chǎng)驅(qū)動(dòng)”和“技術(shù)驅(qū)動(dòng)”，錘子和釘子，技術(shù)與需求。 由于MEMS屬于迅速發(fā)展的領(lǐng)域，市場(chǎng)在識(shí)別和開(kāi)發(fā)方

2、面常常滯后于技術(shù)的發(fā)展。因而在更多的情況下，是掌握技術(shù)的機(jī)構(gòu)在市場(chǎng)上尋求機(jī)會(huì)，從而創(chuàng)造出成功的商業(yè)產(chǎn)品。例：噴墨打印與安全氣囊。Nintendo 與ipod。,設(shè)計(jì)過(guò)程不僅僅是技術(shù)主導(dǎo) 需要團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā) 技術(shù)開(kāi)發(fā)和總體設(shè)計(jì)同樣重要,創(chuàng)造性思維,建模和分析,技術(shù)能力,市場(chǎng)預(yù)測(cè),加工考慮,競(jìng)爭(zhēng)評(píng)估,性能評(píng)價(jià),產(chǎn)品構(gòu)想,建模層級(jí),不同建模層級(jí) 系統(tǒng)級(jí)：器件輸出、反饋、傳輸、顯示等 器件級(jí)：量程、靈敏、分辨、響應(yīng)時(shí)間等 物理級(jí)：能量轉(zhuǎn)換、物理參量關(guān)聯(lián)等 工藝級(jí)：制造工藝，工藝順序及集成等,實(shí)驗(yàn)是最終的驗(yàn)證。但是在設(shè)計(jì)器件和系統(tǒng)的時(shí)候，我們總是希望在昂貴的制作相關(guān)實(shí)驗(yàn)原型之前通過(guò)建模掌握關(guān)于系統(tǒng)的大量信息。

3、,實(shí)例：一個(gè)定位控制系統(tǒng) 由實(shí)時(shí)的傳感器測(cè)量值對(duì)設(shè)置值進(jìn)行反饋，從而達(dá)到精確控制的目的。,實(shí)例：一個(gè)定位控制系統(tǒng) 這個(gè)典型的反饋系統(tǒng)被劃分為如下的子系統(tǒng)：物體、控制器和位置傳感器。以物體子系統(tǒng)為例：,微系統(tǒng)和其他產(chǎn)品在機(jī)械工程設(shè)計(jì)上的主要區(qū)別是：微系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要集成相關(guān)的制造和加工工藝。傳統(tǒng)產(chǎn)品和系統(tǒng)的機(jī)械工程設(shè)計(jì)很少需要考慮制造工藝的詳細(xì)情況。在微系統(tǒng)中，一旦卷入MEMS器件，情況就非常不同了。其加工和制造工藝經(jīng)常包括對(duì)用于這些元件精密材料的高溫和苛刻的物理化學(xué)處理。這些工藝會(huì)對(duì)微系統(tǒng)的性能產(chǎn)生非常大的影響，在設(shè)計(jì)時(shí)必須予以考慮。 如：公差，以及微加工工藝導(dǎo)致的殘余應(yīng)力和應(yīng)變等內(nèi)在因素對(duì)性能的

4、影響。,設(shè)計(jì)根據(jù)設(shè)計(jì)約束,設(shè)計(jì)約束： 客戶需求 進(jìn)入市場(chǎng)時(shí)間 環(huán)境條件 物理尺寸和重量限制 應(yīng)用 制造設(shè)備 成本,設(shè)計(jì)根據(jù)材料選擇,主要基底材料 硅 機(jī)械性能穩(wěn)定，成本不高，加工性好； 微傳感器和加速度計(jì)的極好的備選材料 砷化鎵 光電性能好，高溫工作，熱絕緣，壓電性能適用于精密微致動(dòng)器，光學(xué)快門、斷路器和致動(dòng)器的優(yōu)良備選材料 缺點(diǎn)是價(jià)格比硅等其他基底材料高的多 石英 高溫下的機(jī)械穩(wěn)定性，熱系數(shù)小，具備精密微致動(dòng)器需要的出色的諧振能力 缺點(diǎn)是難以加工成所需要的形狀。,設(shè)計(jì)根據(jù)材料選擇,其它材料 二氧化硅 很容易在硅基底表面生長(zhǎng)或沉積在表面 出色的熱、電絕緣性 可作為掩模材料 碳化硅 即使在高溫下

5、，尺寸和化學(xué)性質(zhì)都很穩(wěn)定 氮化硅 極好的掩模材料，光波導(dǎo)材料，高強(qiáng)度電絕緣材料 多晶硅 電阻、薄膜晶體管、可利用之控制基底電性能,設(shè)計(jì)根據(jù)材料選擇,封裝材料 陶瓷（氧化鋁、碳化硅） 玻璃（耐熱玻璃，石英） 粘結(jié)劑（焊接合金、環(huán)氧樹(shù)脂、硅橡膠） 引線（金、銀、鋁、銅、不銹鋼） 端板和外殼（塑料、鋁、不銹鋼） 芯片保護(hù)裝置（硅酮凝膠、硅油）,設(shè)計(jì)根據(jù)制造工藝選擇,體硅微制造 在三種制造技術(shù)中成本最低 適合簡(jiǎn)單的幾何形狀，例如微壓力傳感器 缺點(diǎn)是深寬比低（深度方向的尺寸與平面方向的尺寸比值稱為深寬比） 表面微加工 添加和去除 非常重要的腐蝕和掩模工藝 犧牲層技術(shù)一定程度的浪費(fèi) 成本較高流程多且復(fù)雜

6、主要優(yōu)點(diǎn)：相對(duì)于體硅制造而言，不那么受硅片厚度的限制；在建立各種犧牲層時(shí)材料選擇自由度大；適合復(fù)雜的幾何形狀，例如微閥和梳妝致動(dòng)器。,設(shè)計(jì)根據(jù)制造工藝選擇,LIGA和SLIGA工藝 成本最高 需要X光光刻的同步輻射設(shè)備，非常昂貴，且很少具備。 這些工藝還需要對(duì)微注模技術(shù)和設(shè)備進(jìn)行開(kāi)發(fā) 主要優(yōu)點(diǎn)是：在幾何結(jié)構(gòu)的深寬比上提供很大的適應(yīng)性，利用LIGA工藝可以使深寬比達(dá)到200；提供最大的微結(jié)構(gòu)構(gòu)造和形狀靈活性；事實(shí)上LIGA工藝對(duì)微結(jié)構(gòu)的材料沒(méi)有限制，包括金屬；三種制造技術(shù)中最適合大規(guī)模生產(chǎn)。,設(shè)計(jì)根據(jù)信號(hào)轉(zhuǎn)換選擇,變換器,微傳感器 產(chǎn)生的信號(hào)： 機(jī)械、熱、光、聲、化學(xué)等,電信號(hào),信號(hào)處理,壓敏電

7、阻 壓電 電容 諧振器,變換器,微致動(dòng)器 被轉(zhuǎn)換的信號(hào)：運(yùn)動(dòng),電信號(hào),能量供給,壓電 靜電 電磁 電阻加熱 形狀記憶合金,微傳感器的概念,微傳感器的技術(shù)指標(biāo)： 量程：測(cè)量范圍上限值和下限值的代數(shù)差。 靈敏度：傳感器的在穩(wěn)態(tài)下輸出變化對(duì)輸入變化的比值 線性度：傳感器輸出與輸入之間的線性程度。 分辨率：指在規(guī)定測(cè)量范圍內(nèi)可能檢測(cè)出的被測(cè)量的最小變化量。 零點(diǎn)穩(wěn)定性 重復(fù)性：傳感器在輸入量按同一方向作全量程多次測(cè)試時(shí)所得特性曲線不一致程度。 頻響范圍：在規(guī)定誤差條件下，傳感器可以正常工作的頻率區(qū)間。,微傳感器的概念,對(duì)于線性傳感器，它的靈敏度就是它的靜態(tài)特性的斜率，即 。非線性傳感器的靈敏度為一變量

8、。一般希望傳感器的靈敏度高，在滿量程范圍內(nèi)是恒定的，即傳感器的輸出-輸入特性為直線。,靈敏度,微傳感器的概念,傳感器的線性度是指?jìng)鞲衅鬏敵雠c輸入之間的線性程度。傳感器的理想輸出輸入特性是線性的，它具有以下優(yōu)點(diǎn)： （1）可大大簡(jiǎn)化傳感器的理論分析和設(shè)計(jì)計(jì)算； （2）為標(biāo)定和數(shù)據(jù)處理帶來(lái)很大方便，只要知道線性輸出輸入特性上的兩點(diǎn)就可以確定其余各點(diǎn)。 （3）可使儀表刻度盤均勻刻度，因而制作、安裝、調(diào)試容易，提高測(cè)量精度； （4）避免了非線性補(bǔ)償環(huán)節(jié)。,線性度,附例：,一個(gè)微加速度傳感器的指標(biāo),靈敏度：100mV/g 量程：50g 頻率范圍：0.5-8000Hz（10%) 分辨率：0.0002g 抗沖

9、擊：2000g 重量：8mg 安裝螺紋：M5 mm 線性：1% 橫向靈敏度：5% 典型值：3% 輸出阻抗：150 激勵(lì)電壓：18-30VDC 典型值：24VDC 溫度范圍：-40+120 殼絕緣電阻： 安裝力矩：約20-30Kgf.cm(M5螺紋) 幾何尺寸：四方12mm、高度13.5mm,按傳感機(jī)理分 壓阻、壓電、隧道、電容、諧振、熱對(duì)流 按物理參數(shù)分 力（加速度/壓力/聲） 熱（熱電偶/熱阻） 光（光電類） 電磁（磁強(qiáng)計(jì)） 化學(xué)和生物醫(yī)學(xué)（血糖/電容化學(xué)/化學(xué)機(jī)械）,微傳感器的分類,(1)壓阻敏感原理,當(dāng)壓力作用在單晶硅上時(shí)，硅晶體的電阻發(fā)生顯著變化的效應(yīng)稱為壓阻效應(yīng)。,在外力的作用下，結(jié)構(gòu)中的薄膜或梁上產(chǎn)生應(yīng)力分布，應(yīng)力的存在使得壓敏電阻的阻值發(fā)生變化,微傳感器的敏感原理,電容式微傳感器的基本結(jié)構(gòu),電容敏感原理,利用可變電容器作為傳感元件，將作用于傳感元件上的不同物理量的變化轉(zhuǎn)換為電容值的變化。,隧道電流敏感原理,在距離十分接近的隧道探針與電極之間加一個(gè)偏置電壓，當(dāng)針尖和電極之間的距離接近納米量級(jí)時(shí)，電