第六章 MEMS應(yīng)用.ppt

1、第6章 MEMS的應(yīng)用,MEMS的應(yīng)用 MEMS的封裝,6.1 MEMS的應(yīng)用,現(xiàn)狀 已形成可用性產(chǎn)品，主要是微傳感器、微執(zhí)行器等器件級產(chǎn)品,應(yīng)用 光信號處理、生物醫(yī)學(xué)、機器人、汽車、航空、航天、軍事和日用電器等領(lǐng)域 已得到廣泛的應(yīng)用，并有巨大潛在的應(yīng)用前景和經(jīng)濟效益,功能上可以開發(fā)出許多以往無法實現(xiàn)的產(chǎn)品； 微型化替代以前人類無法完成的某些工作 可能象微電子一樣，引發(fā)一場新的技術(shù)革命,作用,武器制導(dǎo)和個人導(dǎo)航芯片上的慣性導(dǎo)航組合 超小型、超低功率無線通信（RF MEMS）的機電信號處理 軍備跟蹤、環(huán)境監(jiān)控、安全勘測的無人值導(dǎo)分布式傳感器系統(tǒng) 小型分析儀器、推進(jìn)和燃燒控制的集成微流量系統(tǒng) 武器

2、安全、保險和引信 有條件保養(yǎng)的嵌入式傳感器和執(zhí)行器 高密度、低功耗的大規(guī)模數(shù)據(jù)存儲器件 敵友識別系統(tǒng)、顯示和光纖開關(guān)的集成微光學(xué)機械器件 飛機分布式空氣動力學(xué)控制和自適應(yīng)光學(xué)的主動、共形表面,一、MEMS在軍事上的應(yīng)用,MEMS系統(tǒng)的代表微型無人駕駛飛機,特點小、輕、廉價、功能強,低空偵察、通信 近敵電子干擾 攜高能炸藥攻擊敵雷達(dá)和通信中樞 戰(zhàn)場毀傷評估和生化武器的探測 城市作戰(zhàn)，偵察、探測、查找敵對分子、竊聽 邊境巡邏、毒品禁運 通信中繼 環(huán)境研究 自然災(zāi)害的監(jiān)視與支援 大型牧場和城區(qū)監(jiān)視等,作用,MEMS系統(tǒng)的代表微型無人駕駛飛機,軍事意義 減少人員傷亡 完成一些士兵難以進(jìn)行的偵察任務(wù) 提

3、高武器作戰(zhàn)的消費比、降低軍費開支 已成為信息戰(zhàn)的重要組成部分,代表產(chǎn)品：美國，翼展12.7cm，重量50g，推力0.127N，飛行速度57-114km/h，飛行距離60-120km，25g甲烷/h,分布式戰(zhàn)場微型傳感器網(wǎng)絡(luò) 探測人員、車輛運動信息，查明敵人軍隊部署調(diào)動 布撒、收集信息方式,MEMS系統(tǒng)的代表微型軍用機器人,移動式微型機器人,昆蟲微型機器人,固定式微型機器人,從攜帶到控制，從體外到體內(nèi)，欺騙性更大 日本東京大學(xué)蟑螂機器人,以色列微型飛行軍事機器人2007年,6個分系統(tǒng)：傳感器系統(tǒng)、信息處理與自主導(dǎo)航系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、機動系統(tǒng)、破壞系統(tǒng)、驅(qū)動電源,工作原理 陀螺儀測量姿態(tài)和轉(zhuǎn)動的角速

4、度，保持對加速度對準(zhǔn)的方向進(jìn)行跟蹤；加速度計測量加速度的變化,典型用途 提供運動物體姿態(tài)、位置和速度的信息，各種航空航天平臺及飛行器的制導(dǎo)系統(tǒng),作為微執(zhí)行器的特點,微型慣性測量組合MIMU,（Intertial Measurement Uint-IMU）,美國德雷珀實驗室，尺寸2cm2cm0.5cm，質(zhì)量約5g，陀螺的漂移不穩(wěn)定性10/h，加速度計精度為250g,代表產(chǎn)品,壽命、可靠性高（無轉(zhuǎn)動的部件） 成本 體積和重量,要求,大量程、高g值測量量程在幾萬g到十幾萬g 很好的抗過載能力硅材料內(nèi)部缺陷少,侵徹武器概念與作用,典型產(chǎn)品,微型加速度傳感器在侵徹武器引信中的應(yīng)用,美國在90年代初期開始

5、研究硬目標(biāo)靈巧引信（ETSF），侵徹武器通常以每秒幾千英尺的速度穿入地面、混凝土、巖石或其它的堅硬物質(zhì)，其運動的平均加速度可達(dá)到地球上物體所受重力加速度的 2 萬倍，最大加速度可達(dá)重力加速度的幾十萬倍，要求所用加速度傳感器既能抗擊這樣苛刻的工作環(huán)境，同時又能識別沖擊與鉆入的整個過程。因此，侵徹武器用傳感器要有較寬的測量范圍、可經(jīng)受極端沖擊的堅固結(jié)構(gòu)。,美國ENDEVCO公司，90年代，20萬g，壓阻式加速度微傳感器，7270A,二、MEMS在汽車上的應(yīng)用,傳感器對汽車的作用： 汽車是傳感器第二大市場，每臺車40到上百個傳感器 汽車發(fā)展趨勢（智能化）需要更多傳感器，特別是安全方面,MEMS傳感器

6、在汽車應(yīng)用中的優(yōu)勢：成本、性能、可靠、輕,應(yīng)用位置： 安全氣囊、ABS制動、測速、防撞、發(fā)動機燃燒狀態(tài)、減振等,主要應(yīng)用產(chǎn)品：MEMS加速度傳感器、 MEMS壓力傳感器,主要用途,發(fā)動機控制和傳動系統(tǒng)。例如：流量絕對壓力測量，氣壓測量，排氣回流測量，燃料壓力測量。 懸掛/制動和牽引控制系統(tǒng)。例如：輪胎壓力監(jiān)測，主動懸掛液壓測量。 駕駛與乘座環(huán)境控制系統(tǒng)。例如：座椅腰部支撐壓力測量，空調(diào)控制壓力傳感器,壓力傳感器在汽車中的應(yīng)用,安全氣囊,加速度傳感器在汽車中的應(yīng)用,工作范圍0-50g 安裝位置：汽車發(fā)生碰撞時受到擠壓的部位/非擠壓的區(qū)域,懸掛系統(tǒng),測量范圍為0-2g。 暴露惡劣環(huán)境中，需復(fù)雜封裝

7、，價格高于安全氣囊的加速度計,防鎖定制動系統(tǒng)（anti-lock braking system）,用于中檔和高檔的汽車,典型汽車用產(chǎn)品,加速度傳感器在汽車中的應(yīng)用,1991年AD（Analog Devices）公司生產(chǎn)出的第一個商用多晶硅表面微機械電容式加速度計AXDL-50 1995年美國的AD公司生產(chǎn)制造了5g的低加速度值汽車用加速度計,九十年代初ADI的氣囊微加速度計,三、MEMS在生化、醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用,作用： 替代器官植入 體內(nèi)量微手術(shù) 微量檢測 醫(yī)學(xué)成像,MEMS的優(yōu)勢：微型特別適合體內(nèi)、細(xì)胞尺度的作用,產(chǎn)品形式特點：具體開發(fā)，形式多樣,心臟起搏器/人工心臟,耳蝸植入/ MEMS替代有

8、缺陷的視網(wǎng)膜,1960年第一個起博器，雙穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器電路 原理：刺激心房和心室的心肌 原來與現(xiàn)在工作模式,人工器官植入,2007年移植人工心臟成活,前提：神經(jīng)尚健全 原理：與神經(jīng)連線，光聲信息采用-轉(zhuǎn)換成電信號-分配到不同電極連線刺激神經(jīng) 條件：經(jīng)過條件反射訓(xùn)練,人工胰腺,葡萄糖傳感器+胰腺素補充泵,三大組成部分,優(yōu)缺點,運動、探測（要求可視化）、操作,體內(nèi)顯微手術(shù)、檢查、釋藥,微創(chuàng)/無創(chuàng)利用人體天生的入口或極小切口，避免損傷健康的組織，康復(fù)快、痛感小 效果好直接針對病毒 藥量小避免對健康組織的藥物作用 操作困難,已有應(yīng)用消化道（腸道、膽結(jié)石去除）、耳鼻喉科、泌尿、婦科,發(fā)展方向血管內(nèi)手術(shù)、

9、顱內(nèi)手術(shù)及細(xì)胞手術(shù),手術(shù)操作部分,手術(shù)運動機構(gòu),“Iuch-worm”,手術(shù)觀察部分與系統(tǒng)集成,微內(nèi)窺鏡,多功能光學(xué)纖維導(dǎo)管手指,各種不同用途的微流控芯片,四、MEMS在生化、醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用微流控芯片,安捷侖公司的Bioanalyzer 樣品處理、分離、檢測、分析集成于一體,Lab on a Chip,BioMEMS,研究背景,微納尺度流體力學(xué),MEMS設(shè)計、模擬等,微納制造工藝及材料,物理、化學(xué)修飾等,宏觀與微觀、 儀器與芯片,臨床、實驗室、科學(xué)研究,PMMA微流控芯片制作及實驗研究,PMMA微流控芯片制作 電流監(jiān)測實驗系統(tǒng) 電滲流的測量和分析,1.PMMA微流控芯片制作,熱壓法工藝流程圖,2

10、.微通道結(jié)構(gòu)設(shè)計,PMMA芯片微通道結(jié)構(gòu)CAD圖,3.PMMA微流控芯片制作,PMMA微流控芯片,4.PMMA微流控芯片參數(shù)測量,5.電流監(jiān)測實驗系統(tǒng),實驗系統(tǒng)示意圖,5.電流監(jiān)測實驗系統(tǒng),6.電滲流的測量,儀器與試劑：主要包括容量瓶、移液管、燒杯、玻璃棒、膠頭滴管和精密電子天平等。所采用試劑為分析純NaCl和二次蒸餾水，目的是配置不同濃度的NaCl電解質(zhì)溶液。,6.電滲流的測量,6.2 MEMS的封裝,制造中：成品率低，封裝成本一般占總成本的80% 使用中：失效主要原因,環(huán)境通路（接口）、與外界的通道 對應(yīng)用環(huán)境的影響、受不利環(huán)境的影響 應(yīng)力問題 電源,重要性,封裝要求,與IC對比的特殊性,

11、封裝對象結(jié)構(gòu)復(fù)雜三維幾何構(gòu)型 保護(hù)芯片的問題敏感元件等需與工作介質(zhì)接觸 復(fù)雜的信號界面 留有同外界直接相連的通路 失效幾率高，可靠性要求更高,1、封裝設(shè)計,MEMS封裝的3個級別,需要考慮的問題,環(huán)境影響 工藝失效 成本,芯片級封裝,保護(hù)芯片破裂、元件 受力、電路短路 芯片上電、磁、機隔離 引線鍵合可靠,要求,包含,MEMS器件+引線,器件級封裝,接口 位置尺寸關(guān)系合理 應(yīng)對內(nèi)部環(huán)境、進(jìn)入內(nèi)部的外界媒介,包含,要求,MEMS芯片+直接信號調(diào)節(jié)和處理電路,系統(tǒng)級封裝,包含,MEMS器件+主要信號處理電路,屏蔽電磁、振動、熱 安裝位置關(guān)系精確 接口順暢,要求,2、封裝工藝,1）表面結(jié)合,作用組裝、

12、振動隔離、密封,粘接,釬焊,鍵合,簡易方便成本低 連接強度、可靠性差,環(huán)氧樹脂受熱環(huán)境影響大 硅橡膠不適合于高壓應(yīng)用,化學(xué)惰性、密封性 提高溫度時容易發(fā)生蠕變,陽極鍵合硅片與玻璃/石英襯底，密封、便宜 硅熔融鍵合（SFB）兩個硅晶片之間 絕緣硅（SOI）硅-非結(jié)晶質(zhì)材料（如SiO2） 低溫表面鍵合與剝離中間薄膜層作用,2）引線鍵合,區(qū)別前為面鍵合，此為點鍵合,引線材料,主要金或鋁，其他銅、銀、鈀,工藝參數(shù),通常速度每秒鐘10個線點 引線直徑25 -75 m,熱壓鍵合,鍵合裝置毛細(xì)管劈刀 楔壓鍵合壓力、熱結(jié)合作用 作用點芯片壓點、引線框內(nèi)端電極,超聲鍵合,壓力、超聲摩擦結(jié)合作用 優(yōu)點不加熱底座、

13、可形成不同金屬之間的鍵合,熱超聲球鍵合,金絲端部先融化成小球，再壓力、超聲摩擦結(jié)合作用 優(yōu)點連接尺寸控制極佳,3）微密封工藝,微殼密封,反應(yīng)密封技術(shù),4）先進(jìn)封裝倒裝焊,概念,在芯片有源面的鋁壓焊塊上做凸焊點，然后將芯片倒扣，直接與基板連接,優(yōu)點,實現(xiàn)圓片級芯片尺寸封裝（WLP-CSP） 與基板直接相連縮小器件的體積、重量 焊球陣列（BGA）凸點可以布滿整個管芯增加了I/O互連密度 “連線”的縮短引線電感電容小、串?dāng)_弱，信號傳輸時間短,實例,倒裝焊封裝的微麥克風(fēng),焊球陣列Ball grid array (BGA),4）先進(jìn)封裝多芯片封裝（MCP）,減小器件體積，小型化 縮短信號從信號芯片到驅(qū)動

14、器或執(zhí)行器的距離，減小信號衰減和外界干擾的影響,目的,實例,加速度微傳感器的封裝,比小芯片分別封裝更容易 提高封裝可靠性 提高封裝密度、生產(chǎn)效率,其他優(yōu)點,4）先進(jìn)封裝多芯片封裝（MCP）,Multichip module (MCM),4）先進(jìn)封裝模塊式封裝（MOMEMS）,降低封裝成本、縮短研發(fā)時間、使用便利,目的,采用總線方式,方法,形成系列化、標(biāo)準(zhǔn)化封裝,5）插裝元器件的結(jié)構(gòu),降低封裝成本、縮短研發(fā)時間、使用便利,分類,外觀,金屬封裝/陶瓷封裝氣密性，可靠性高 塑料封裝非氣密性，簡單、低廉、大批量 金屬外殼封裝抗電磁干擾,圓柱形外殼封裝（TO） 矩形單列直插式封裝（SIP） 雙列直插式封

15、裝（DIP） 針柵陣列式封裝（PGA）,3、封裝基片材料,導(dǎo)熱性能 線膨脹系數(shù)（與硅和砷化鎵匹配） 高頻特性（低介電常數(shù)、介質(zhì)損耗） 電絕緣性能 機械性能 化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定（抵抗應(yīng)用與工藝腐蝕） 加工性 成本,對基片材料的要求,陶瓷,1、三氧化二鋁陶瓷,占陶瓷基片材料的90% 熱導(dǎo)率不足以滿足大功率集成電路應(yīng)用,導(dǎo)熱性能 線膨脹系數(shù) 高頻特性 電絕緣性能,機械性能 化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定 加工性 成本,2、氮化鋁陶瓷,高熱導(dǎo)率（為三氧化二鋁5倍以上），適用于高功率 制備工藝復(fù)雜，成本高,3、氧化鈹陶瓷,高導(dǎo)熱、理想高頻特性（適合上天電子設(shè)備） 工藝毒性，成本高,環(huán)氧玻璃,特別適合引腳封裝，特別是塑料、大批量封裝。常用于單層、雙層或多層印制板,導(dǎo)熱性能差 線膨脹系數(shù)一般 高頻特性一般 電絕緣性能一般,機械性能 化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定 加工性 成本低廉,環(huán)氧樹脂和玻璃纖維為基