MEMS技术及应用综述

孙蓓佳读书笔记的要点1MEMS的概论2MEMS的封装技术3MEMS的技术基础4MEMS的应用研究5总结及发展趋势MEMS的概述MEMS(MicroElectromechanicalSystem，即微电子机械系统)是指集微型传感器、执行器以及信号处理和控制电路、接口电路、通信和电源于一体的微型机电系统。MEMS的主要研究内容MEMS材料基础理论和技术的研究MEMS加工技术集成电路技术（美）MEMS技术（日）LIGA技术（德）硅材料薄膜材料：氧化硅、二氧化硅、多晶硅特殊材料：应用在压阻效应等特殊效应中对微结构学、微动力学、微流体力学、微摩擦学、微热力学、微电子学、微光学和微生物学等进行深入的研究。MEMS封装材料塑料封装液位传感器陶瓷封装材料全金属封装电感式传感器MEMS的封装方法陶瓷封装金属封装塑料封装气密性封装——必须由金属、陶瓷、玻璃材料形成。引线键合——可采用热压键合和热超声键合两种方法。倒装芯片技术——一种将晶片直接与基板相互连接的封装技术。倒装芯片结构示意图MEMS封装中经常遇到的封装关键问题特殊考虑（封装工艺对材料属性的影响等）局部热消除问题保护层（对暴露外界环境下器件的保护）硅片厚度的误差划片前/后释放封装关键问题MEMS的关键技术设计技术材料的选择技术制作和加工工艺测试技术关键技术多传感信息融合技术微能源技术微驱动技术设计技术：MEMS产品设计包括系统、器件、电路、封装等设计。材料的选择技术：MEMS应用材料主要有三种：单晶硅和多晶硅，压电材料和其他类型的合成材料。多传感信息融合技术：多传感器集成是指最佳的综合使用多传感器信息，使智能系统具有完成某一特定任务所需的完备信息，然后把这些信息进行合成，形成对环境某一特征的一种表达方式，能完善地，精确地反映环境特征。微能源技术：典型的供能方法为用电池供能和无接触能源供给。微驱动技术：静电型驱动器、压电型驱动器、超声波驱动、形状记忆合金、热膨胀型驱动器、超导驱动器MEMS加工技术微机械加工：湿法腐蚀、干法腐蚀、变速率腐蚀、薄膜淀积受激准分子激光技术：通过灼烧或蒸发对聚合体等材料微加工剥离工艺：丝网印刷技术，实现图形化的贵金属薄膜层表面微机械加工：采用结构层（多晶硅）和牺牲层（氧化硅）两种薄膜材料来加工微结构的加工工艺体微机械加工技术：用来加工多种可动微机械结构LIGA技术LIGA与准LIGA技术1986年德国W.Ehrfeld教授首先开发了进行三维微细加工最有前途的方法——LIGA技术。——LI，Lithographier，即深度X射线刻蚀；——G，Galvanformug，即电铸成型；——A，Abformug，即塑料铸膜。LIGA技术是深度X射线刻蚀、电铸成型、塑料铸膜等技术的完美结合。LIGA工艺问世以来，被认为是最有前途的三维微细加工技术。LIGA技术的典型工艺流程图（1）深度X射线刻蚀（2）电铸成型及制膜（3）注模复制（塑铸）MEMS的主要失效机理问题关联示意图循环机械疲劳环境引起的失效机械阻尼效应黏附和磨损产生的失效分层失效气密性MEMS的主要失效机理MEMS可靠性问题关联示意图统计模型概率函数材料与结构断裂力学热力学应力模型材料力学材料特性失效物理学MEMS可靠性典型的MEMS器件MEMS压力传感器MEMS加速度传感器MEMS陀螺仪根据敏感肌理的不同，可将MEMS压力传感器分为3种：压阻式压力传感电容式压力传感器和谐振式压力传感器。可分为压阻式、压电式、电容式、热电偶式、光波导式等多种类型的加速度传感器，其中应用最广泛的是电容式加速度传感器。基于MEMS技术的陀螺仪以微型化、高性能、易于制造等优点在军事装备、医疗仪器、消费电子等领域得到广泛应用。梳妆驱动执行器热执行器磁执行器高深宽比静电谐振器压力执行器执行器的类型MEMS的应用领域完整的MEMS系统是由实体结构、微控制器、微传感器、微致动器，以及动力源等组成的复杂系统。但到目前为止，完整的尚处于概念研究阶段，真正形成实用化商品的微系统仅是一些微传感器、微致动器等微结构装置。这些产品广泛地应用于信息、汽车、医学、宇航和国防等领域。信息机械领域如磁头、打字机、扫描器、超精细彩色喷墨打印头、微麦克风，超大容量存储器等。生物化学领域利用微细加工，在厘米见方的硅片上集成样品预处理器、微反应器、微分离管道、微检测器等微型生物化学功能器件、电子器件和微流量器件的微型生物化学分析系统，应用在智能机器人的触觉系统上，人类的基因测序工程中等等。MEMS在生医设备上具有两大功能，首先是提高医疗设备的效能，其次为提供系统制造商具竞争力的优势，例如将加速度计(Accelerometer)放置于心律调节器(Pacemaker)的做法，即革新了心脏疾病的治疗方法。目前MEMS元件在四大医疗照护市场极具成长潜力，分别为医药、生理诊断、医疗设备及居家照护；医药市场仰赖MEMS的灵敏度；生理诊断应用看重MEMS的可携性及成本效益；医疗设备能借力MEMS实现多样化功能；而居家照护系统则可利用MEMS提升安全度及连接功能。2012～2018年全球生医MEMS市值生医：生物医学航空航天领域微型飞行器纳米卫星&微米卫星纳米卫星的质量10kg,微米卫星的质量一般在10～100kg。MEMS的发展趋势目前全球市场的份额情况逐渐在向亚太地区倾斜，美国地区市场份额维持稳定，仍是全球高端技术及产品的发源地，欧洲方面受债务危机及汽车工业下滑影响，市场份额逐渐降低，其中德国、芬兰、法国等地的MEMS产业发展较为迅速。受到平板电脑和智慧手机的旺盛需求拉动，亚太地区的市场份额不断提升，市场地位亦在逐渐提高，特别是中国大陆地区，增速明显高于全球增速。中国大陆产业扶植三部曲现阶段中国大陆MEMS的产品结构中，压力感测器和加速度计占据较大比例，陀螺仪的增长也相当迅速。值得深思的是，中国大陆MEMS市场虽然快速发展，但在核心晶片上的取得仍极大部分倚靠欧洲和美国等国家。中国大陆本土MEMS设计产业快速萌芽总结以MEMS为基础的各类传感器已经广泛应用在医学、工业、航空、军事、通信等各个方面，随着科学技术的不断进步，各个学科知识与技术不断融合，不同研究方向的学者从不同的侧重点对MEMS传感器进行改进和创新。在物联网逐渐普及的智能化时代，MEMS传感器迎来机遇，同时也面临着挑战，更多的学者将投入到MEMS传感器研究，追求高性能、低功耗、高精度、多功能、互动性强的MEMS传感器在未来生活中将无处不在。