MEMS技術(shù)及應(yīng)用綜述

MEMS技術(shù)及應(yīng)用綜述孫蓓佳

讀書筆記的要點(diǎn)1MEMS的概論2MEMS的封裝技術(shù)3MEMS的技術(shù)基礎(chǔ)4MEMS的應(yīng)用研究5總結(jié)及發(fā)展趨勢(shì)MEMS的概述MEMS(MicroElectromechanicalSystem，即微電子機(jī)械系統(tǒng))是指集微型傳感器、執(zhí)行器以及信號(hào)處理和控制電路、接口電路、通信和電源于一體的微型機(jī)電系統(tǒng)。MEMS的主要研究?jī)?nèi)容MEMS材料基礎(chǔ)理論和技術(shù)的研究MEMS加工技術(shù)集成電路技術(shù)（美）MEMS技術(shù)（日）LIGA技術(shù)（德）硅材料薄膜材料：氧化硅、二氧化硅、多晶硅特殊材料：應(yīng)用在壓阻效應(yīng)等特殊效應(yīng)中對(duì)微結(jié)構(gòu)學(xué)、微動(dòng)力學(xué)、微流體力學(xué)、微摩擦學(xué)、微熱力學(xué)、微電子學(xué)、微光學(xué)和微生物學(xué)等進(jìn)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(shù)——一種將晶片直接與基板相互連接的封裝技術(shù)。倒裝芯片結(jié)構(gòu)示意圖MEMS封裝中經(jīng)常遇到的封裝關(guān)鍵問題特殊考慮（封裝工藝對(duì)材料屬性的影響等）局部熱消除問題保護(hù)層（對(duì)暴露外界環(huán)境下器件的保護(hù)）硅片厚度的誤差劃片前/后釋放封裝關(guān)鍵問題MEMS的關(guān)鍵技術(shù)設(shè)計(jì)技術(shù)材料的選擇技術(shù)制作和加工工藝測(cè)試技術(shù)關(guān)鍵技術(shù)多傳感信息融合技術(shù)微能源技術(shù)微驅(qū)動(dòng)技術(shù)設(shè)計(jì)技術(shù)：MEMS產(chǎn)品設(shè)計(jì)包括系統(tǒng)、器件、電路、封裝等設(shè)計(jì)。材料的選擇技術(shù)：MEMS應(yīng)用材料主要有三種：?jiǎn)尉Ч韬投嗑Ч?，壓電材料和其他類型的合成材料。多傳感信息融合技術(shù)：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(wù)所需的完備信息，然后把這些信息進(jìn)行合成，形成對(duì)環(huán)境某一特征的一種表達(dá)方式，能完善地，精確地反映環(huán)境特征。微能源技術(shù)：典型的供能方法為用電池供能和無接觸能源供給。微驅(qū)動(dòng)技術(shù)：靜電型驅(qū)動(dòng)器、壓電型驅(qū)動(dòng)器、超聲波驅(qū)動(dòng)、形狀記憶合金、熱膨脹型驅(qū)動(dòng)器、超導(dǎo)驅(qū)動(dòng)器MEMS加工技術(shù)微機(jī)械加工：濕法腐蝕、干法腐蝕、變速率腐蝕、薄膜淀積受激準(zhǔn)分子激光技術(shù)：通過灼燒或蒸發(fā)對(duì)聚合體等材料微加工剝離工藝：絲網(wǎng)印刷技術(shù)，實(shí)現(xiàn)圖形化的貴金屬薄膜層表面微機(jī)械加工：采用結(jié)構(gòu)層（多晶硅）和犧牲層（氧化硅）兩種薄膜材料來加工微結(jié)構(gòu)的加工工藝體微機(jī)械加工技術(shù)：用來加工多種可動(dòng)微機(jī)械結(jié)構(gòu)LIGA技術(shù)LIGA與準(zhǔn)LIGA技術(shù)1986年德國(guó)W.Ehrfeld教授首先開發(fā)了進(jìn)行三維微細(xì)加工最有前途的方法——LIGA技術(shù)。

——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(shù)是深度X射線刻蝕、電鑄成型、塑料鑄膜等技術(shù)的完美結(jié)合。LIGA工藝問世以來，被認(rèn)為是最有前途的三維微細(xì)加工技術(shù)。

LIGA技術(shù)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(fù)制（塑鑄）

MEMS的主要失效機(jī)理問題關(guān)聯(lián)示意圖循環(huán)機(jī)械疲勞環(huán)境引起的失效機(jī)械阻尼效應(yīng)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(jī)理MEMS可靠性問題關(guān)聯(lián)示意圖統(tǒng)計(jì)模型概率函數(shù)材料與結(jié)構(gòu)斷裂力學(xué)熱力學(xué)應(yīng)力模型材料力學(xué)材料特性失效物理學(xué)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(dǎo)式等多種類型的加速度傳感器，其中應(yīng)用最廣泛的是電容式加速度傳感器。

基于MEMS技術(shù)的陀螺儀以微型化、高性能、易于制造等優(yōu)點(diǎn)在軍事裝備、醫(yī)療儀器、消費(fèi)電子等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

梳妝驅(qū)動(dòng)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(yīng)用領(lǐng)域完整的MEMS系統(tǒng)是由實(shí)體結(jié)構(gòu)、微控制器、微傳感器、微致動(dòng)器，以及動(dòng)力源等組成的復(fù)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(shí)用化商品的微系統(tǒng)僅是一些微傳感器、微致動(dòng)器等微結(jié)構(gòu)裝置。這些產(chǎn)品廣泛地應(yīng)用于信息、汽車、醫(yī)學(xué)、宇航和國(guó)防等領(lǐng)域。信息機(jī)械領(lǐng)域如磁頭、打字機(jī)、掃描器、超精細(xì)彩色噴墨打印頭、微麥克風(fēng)，超大容量存儲(chǔ)器等。生物化學(xué)領(lǐng)域利用微細(xì)加工，在厘米見方的硅片上集成樣品預(yù)處理器、微反應(yīng)器、微分離管道、微檢測(cè)器等微型生物化學(xué)功能器件、電子器件和微流量器件的微型生物化學(xué)分析系統(tǒng)，應(yīng)用在智能機(jī)器人的觸覺系統(tǒng)上，人類的基因測(cè)序工程中等等。MEMS在生醫(yī)設(shè)備上具有兩大功能，首先是提高醫(yī)療設(shè)備的效能，其次為提供系統(tǒng)制造商具競(jìng)爭(zhēng)力的優(yōu)勢(shì)，例如將加速度計(jì)(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(hù)市場(chǎng)極具成長(zhǎng)潛力，分別為醫(yī)藥、生理診斷、醫(yī)療設(shè)備及居家照護(hù)；醫(yī)藥市場(chǎng)仰賴MEMS的靈敏度；生理診斷應(yīng)用看重MEMS的可攜性及成本效益；醫(yī)療設(shè)備能借力MEMS實(shí)現(xiàn)多樣化功能；而居家照護(hù)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(xué)航空航天領(lǐng)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(shì)目前全球市場(chǎng)的份額情況逐漸在向亞太地區(qū)傾斜，美國(guó)地區(qū)市場(chǎng)份額維持穩(wěn)定，仍是全球高端技術(shù)及產(chǎn)品的發(fā)源地，歐洲方面受債務(wù)危機(jī)及汽車工業(yè)下滑影響，市場(chǎng)份額逐漸降低，其中德國(guó)、芬蘭、法國(guó)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(jī)的旺盛需求拉動(dòng)，亞太地區(qū)的市場(chǎng)份額不斷提升，市場(chǎng)地位亦在逐漸提高，特別是中國(guó)大陸地區(qū)，增速明顯高于全球增速。中國(guó)大陸產(chǎn)業(yè)扶植三部曲現(xiàn)階段中國(guó)大陸MEMS的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)中，壓力感測(cè)器和加速度計(jì)占據(jù)較大比例，陀螺儀的增長(zhǎng)也相當(dāng)迅速。值得深思的是，中國(guó)大陸MEMS市場(chǎng)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(guó)等國(guó)家。中國(guó)大陸本土MEMS設(shè)計(jì)產(chǎn)業(yè)快速萌芽總結(jié)以MEMS為基礎(chǔ)的各類傳感器已經(jīng)廣泛應(yīng)用在醫(yī)學(xué)、工業(yè)、航空、軍事、通信等各個(gè)方面，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，各個(gè)學(xué)科知識(shí)與技術(shù)不