MEMS技術及應用綜述

MEMS技術及應用綜述孫蓓佳

讀書筆記的要點1MEMS的概論2MEMS的封裝技術3MEMS的技術基礎4MEMS的應用研究5總結及發(fā)展趨勢MEMS的概述MEMS(MicroElectromechanicalSystem，即微電子機械系統(tǒng))是指集微型傳感器、執(zhí)行器以及信號處理和控制電路、接口電路、通信和電源于一體的微型機電系統(tǒng)。MEMS的主要研究內(nèi)容MEMS材料基礎理論和技術的研究MEMS加工技術集成電路技術（美）MEMS技術（日）LIGA技術（德）硅材料薄膜材料：氧化硅、二氧化硅、多晶硅特殊材料：應用在壓阻效應等特殊效應中對微結構學、微動力學、微流體力學、微摩擦學、微熱力學、微電子學、微光學和微生物學等進行深入的研究。MEMS封裝材料塑料封裝液位傳感器陶瓷封裝材料全金屬封裝電感式傳感器MEMS的封裝方法陶瓷封裝金屬封裝塑料封裝氣密性封裝——必須由金屬、陶瓷、玻璃材料形成。引線鍵合——可采用熱壓鍵合和熱超聲鍵合兩種方法。倒裝芯片技術——一種將晶片直接與基板相互連接的封裝技術。倒裝芯片結構示意圖MEMS封裝中經(jīng)常遇到的封裝關鍵問題特殊考慮（封裝工藝對材料屬性的影響等）局部熱消除問題保護層（對暴露外界環(huán)境下器件的保護）硅片厚度的誤差劃片前/后釋放封裝關鍵問題MEMS的關鍵技術設計技術材料的選擇技術制作和加工工藝測試技術關鍵技術多傳感信息融合技術微能源技術微驅動技術設計技術：MEMS產(chǎn)品設計包括系統(tǒng)、器件、電路、封裝等設計。材料的選擇技術：MEMS應用材料主要有三種：單晶硅和多晶硅，壓電材料和其他類型的合成材料。多傳感信息融合技術：多傳感器集成是指最佳的綜合使用多傳感器信息，使智能系統(tǒng)具有完成某一特定任務所需的完備信息，然后把這些信息進行合成，形成對環(huán)境某一特征的一種表達方式，能完善地，精確地反映環(huán)境特征。微能源技術：典型的供能方法為用電池供能和無接觸能源供給。微驅動技術：靜電型驅動器、壓電型驅動器、超聲波驅動、形狀記憶合金、熱膨脹型驅動器、超導驅動器MEMS加工技術微機械加工：濕法腐蝕、干法腐蝕、變速率腐蝕、薄膜淀積受激準分子激光技術：通過灼燒或蒸發(fā)對聚合體等材料微加工剝離工藝：絲網(wǎng)印刷技術，實現(xiàn)圖形化的貴金屬薄膜層表面微機械加工：采用結構層（多晶硅）和犧牲層（氧化硅）兩種薄膜材料來加工微結構的加工工藝體微機械加工技術：用來加工多種可動微機械結構LIGA技術LIGA與準LIGA技術1986年德國W.Ehrfeld教授首先開發(fā)了進行三維微細加工最有前途的方法——LIGA技術。

——LI，Lithographier，即深度X射線刻蝕；

——G，Galvanformug，即電鑄成型；

——A，Abformug，即塑料鑄膜。

LIGA技術是深度X射線刻蝕、電鑄成型、塑料鑄膜等技術的完美結合。LIGA工藝問世以來，被認為是最有前途的三維微細加工技術。

LIGA技術的典型工藝流程圖

（1）深度X射線刻蝕（2）電鑄成型及制膜

（3）注模復制（塑鑄）

MEMS的主要失效機理問題關聯(lián)示意圖循環(huán)機械疲勞環(huán)境引起的失效機械阻尼效應黏附和磨損產(chǎn)生的失效分層失效氣密性MEMS的主要失效機理MEMS可靠性問題關聯(lián)示意圖統(tǒng)計模型概率函數(shù)材料與結構斷裂力學熱力學應力模型材料力學材料特性失效物理學MEMS可靠性典型的MEMS器件MEMS壓力傳感器MEMS加速度傳感器MEMS陀螺儀根據(jù)敏感肌理的不

同，可將MEMS壓力傳感器分為3種：壓阻式壓力傳感電容式壓力傳感器和諧振式壓力傳感器。

可分為壓阻式、壓電式、電容式、熱電偶式、光波導式等多種類型的加速度傳感器，其中應用最廣泛的是電容式加速度傳感器。

基于MEMS技術的陀螺儀以微型化、高性能、易于制造等優(yōu)點在軍事裝備、醫(yī)療儀器、消費電子等領域得到廣泛應用。

梳妝驅動執(zhí)行器熱執(zhí)行器磁執(zhí)行器高深寬比靜電諧振器壓力執(zhí)行器執(zhí)行器的類型MEMS的應用領域完整的MEMS系統(tǒng)是由實體結構、微控制器、微傳感器、微致動器，以及動力源等組成的復雜系統(tǒng)。但到目前為止，完整的尚處于概念研究階段，真正形成實用化商品的微系統(tǒng)僅是一些微傳感器、微致動器等微結構裝置。這些產(chǎn)品廣泛地應用于信息、汽車、醫(yī)學、宇航和國防等領域。信息機械領域如磁頭、打字機、掃描器、超精細彩色噴墨打印頭、微麥克風，超大容量存儲器等。生物化學領域利用微細加工，在厘米見方的硅片上集成樣品預處理器、微反應器、微分離管道、微檢測器等微型生物化學功能器件、電子器件和微流量器件的微型生物化學分析系統(tǒng)，應用在智能機器人的觸覺系統(tǒng)上，人類的基因測序工程中等等。MEMS在生醫(yī)設備上具有兩大功能，首先是提高醫(yī)療設備的效能，其次為提供系統(tǒng)制造商具競爭力的優(yōu)勢，例如將加速度計(Accelerometer)放置于心律調(diào)節(jié)器(Pacemaker)的做法，即革新了心臟疾病的治療方法。目前MEMS元件在四大醫(yī)療照護市場極具成長潛力，分別為醫(yī)藥、生理診斷、醫(yī)療設備及居家照護；醫(yī)藥市場仰賴MEMS的靈敏度；生理診斷應用看重MEMS的可攜性及成本效益；醫(yī)療設備能借力MEMS實現(xiàn)多樣化功能；而居家照護系統(tǒng)則可利用MEMS提升安全度及連接功能。2012～2018年全球生醫(yī)MEMS市值生醫(yī)：生物醫(yī)學航空航天領域微型飛行器納米衛(wèi)星

&微米衛(wèi)星納米衛(wèi)星的質(zhì)量<10kg,微米衛(wèi)星的質(zhì)量一般在10～100kg。MEMS的發(fā)展趨勢目前全球市場的份額情況逐漸在向亞太地區(qū)傾斜，美國地區(qū)市場份額維持穩(wěn)定，仍是全球高端技術及產(chǎn)品的發(fā)源地，歐洲方面受債務危機及汽車工業(yè)下滑影響，市場份額逐漸降低，其中德國、芬蘭、法國等地的MEMS產(chǎn)業(yè)發(fā)展較為迅速。受到平板電腦和智慧手機的旺盛需求拉動，亞太地區(qū)的市場份額不斷提升，市場地位亦在逐漸提高，特別是中國大陸地區(qū)，增速明顯高于全球增速。中國大陸產(chǎn)業(yè)扶植三部曲現(xiàn)階段中國大陸MEMS的產(chǎn)品結構中，壓力感測器和加速度計占據(jù)較大比例，陀螺儀的增長也相當迅速。值得深思的是，中國大陸MEMS市場雖然快速發(fā)展，但在核心晶片上的取得仍極大部分倚靠歐洲和美國等國家。中國大陸本土MEMS設計產(chǎn)業(yè)快速萌芽總結以MEMS為基礎的各類傳感器已經(jīng)廣泛應用在醫(yī)學、工業(yè)、航空、軍事、通信等各個方面，隨著科學技術的不斷進步，各個學科知識與技術不