微機(jī)電系統(tǒng)應(yīng)用

微機(jī)電系統(tǒng)應(yīng)用第一頁，共五十四頁，2022年，8月28日6.1MEMS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(jī)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(jì)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——第二頁，共五十四頁，2022年，8月28日武器制導(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（RFMEMS）的機(jī)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(jī)械器件飛機(jī)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)用第三頁，共五十四頁，2022年，8月28日MEMS系統(tǒng)的代表——微型無人駕駛飛機(jī)特點(diǎn)——小、輕、廉價、功能強(qiáng)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(yùn)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)視等作用第四頁，共五十四頁，2022年，8月28日MEMS系統(tǒng)的代表——微型無人駕駛飛機(jī)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)提高武器作戰(zhàn)的消費(fèi)比、降低軍費(fèi)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

第五頁，共五十四頁，2022年，8月28日分布式戰(zhàn)場微型傳感器網(wǎng)絡(luò)探測人員、車輛運(yùn)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(jī)器人

移動式微型機(jī)器人昆蟲微型機(jī)器人固定式微型機(jī)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(jī)器人以色列微型飛行軍事機(jī)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(jī)動系統(tǒng)、破壞系統(tǒng)、驅(qū)動電源第六頁，共五十四頁，2022年，8月28日

工作原理陀螺儀測量姿態(tài)和轉(zhuǎn)動的角速度，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(yùn)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(diǎn)微型慣性測量組合MIMU（IntertialMeasurementUint-IMU）美國德雷珀實驗室，尺寸2cm×2cm×0.5cm，質(zhì)量約5g，陀螺的漂移不穩(wěn)定性10°/h，加速度計精度為250μg代表產(chǎn)品壽命、可靠性高（無轉(zhuǎn)動的部件）成本體積和重量第七頁，共五十四頁，2022年，8月28日要求大量程、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(yùn)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第八頁，共五十四頁，2022年，8月28日二、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(jī)燃燒狀態(tài)、減振等主要應(yīng)用產(chǎn)品：MEMS加速度傳感器、MEMS壓力傳感器第九頁，共五十四頁，2022年，8月28日

主要用途發(fā)動機(jī)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)用第十頁，共五十四頁，2022年，8月28日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，價格高于安全氣囊的加速度計防鎖定制動系統(tǒng)（anti-lockbrakingsystem）用于中檔和高檔的汽車第十一頁，共五十四頁，2022年，8月28日典型汽車用產(chǎn)品加速度傳感器在汽車中的應(yīng)用1991年AD（AnalogDevices）公司生產(chǎn)出的第一個商用多晶硅表面微機(jī)械電容式加速度計AXDL-501995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第十二頁，共五十四頁，2022年，8月28日九十年代初ADI的氣囊微加速度計第十三頁，共五十四頁，2022年，8月28日三、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(diǎn)：具體開發(fā)，形式多樣第十四頁，共五十四頁，2022年，8月28日心臟起搏器/人工心臟耳蝸植入/MEMS替代有缺陷的視網(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(bǔ)充泵第十五頁，共五十四頁，2022年，8月28日三大組成部分優(yōu)缺點(diǎn)運(yùn)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)、顱內(nèi)手術(shù)及細(xì)胞手術(shù)第十六頁，共五十四頁，2022年，8月28日手術(shù)操作部分手術(shù)運(yùn)動機(jī)構(gòu)“Iuch-worm”第十七頁，共五十四頁，2022年，8月28日手術(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

第十八頁，共五十四頁，2022年，8月28日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——微流控芯片第十九頁，共五十四頁，2022年，8月28日安捷侖公司的Bioanalyzer樣品處理、分離、檢測、分析集成于一體LabonaChip第二十頁，共五十四頁，2022年，8月28日BioMEMS第二十一頁，共五十四頁，2022年，8月28日研究背景

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)研究第二十二頁，共五十四頁，2022年，8月28日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第二十三頁，共五十四頁，2022年，8月28日1.PMMA微流控芯片制作熱壓法工藝流程圖第二十四頁，共五十四頁，2022年，8月28日2.微通道結(jié)構(gòu)設(shè)計PMMA芯片微通道結(jié)構(gòu)CAD圖第二十五頁，共五十四頁，2022年，8月28日3.PMMA微流控芯片制作PMMA微流控芯片第二十六頁，共五十四頁，2022年，8月28日4.PMMA微流控芯片參數(shù)測量第二十七頁，共五十四頁，2022年，8月28日5.電流監(jiān)測實驗系統(tǒng)實驗系統(tǒng)示意圖第二十八頁，共五十四頁，2022年，8月28日5.電流監(jiān)測實驗系統(tǒng)第二十九頁，共五十四頁，2022年，8月28日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。

第三十頁，共五十四頁，2022年，8月28日6.電滲流的測量第三十一頁，共五十四頁，2022年，8月28日6.2MEMS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，可靠性要求更高第三十二頁，共五十四頁，2022年，8月28日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第三十三頁，共五十四頁，2022年，8月28日芯片級封裝保護(hù)——芯片破裂、元件受力、電路短路芯片上電、磁、機(jī)隔離引線鍵合可靠要求包含——MEMS器件+引線第三十四頁，共五十四頁，2022年，8月28日器件級封裝——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第三十五頁，共五十四頁，2022年，8月28日2、封裝工藝1）表面結(jié)合作用——組裝、振動隔離、密封粘接釬焊鍵合簡易方便成本低連接強(qiáng)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——中間薄膜層作用第三十六頁，共五十四頁，2022年，8月28日2）引線鍵合區(qū)別——前為面鍵合，此為點(diǎn)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(diǎn)引線直徑25-75μm第三十七頁，共五十四頁，2022年，8月28日熱壓鍵合鍵合裝置——毛細(xì)管劈刀楔壓鍵合——壓力、熱結(jié)合作用作用點(diǎn)——芯片壓點(diǎn)、引線框內(nèi)端電極第三十八頁，共五十四頁，2022年，8月28日超聲鍵合壓力、超聲摩擦結(jié)合作用優(yōu)點(diǎn)——不加熱底座、可形成不同金屬之間的鍵合第三十九頁，共五十四頁，2022年，8月28日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(diǎn)——連接尺寸控制極佳第四十頁，共五十四頁，2022年，8月28日3）微密封工藝微殼密封反應(yīng)密封技術(shù)第四十一頁，共五十四頁，2022年，8月28日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(diǎn)，然后將芯片倒扣，直接與基板連接優(yōu)點(diǎn)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(diǎn)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)第四十二頁，共五十四頁，2022年，8月28日焊球陣列Ballgridarray(BGA)第四十三頁，共五十四頁，2022年，8月28日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(diǎn)第四十四頁，共五十四頁，2022年，8月28日4）先進(jìn)封裝——多芯片封裝（MCP）Multichipmodule(MCM)第四十五頁，共五十四頁，2022年，8月28日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)化封裝第四十六頁，共五十四頁，2022年，8月28日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——?dú)饷苄?，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）雙列直插式封裝（DIP）針柵陣列式封裝（PGA）第四十七頁，共五十四頁，2022年，8月28日第四十八頁，共五十四頁，2022年，8月28日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(jī)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第四十九頁，共五十四頁，2022年，8月28日陶瓷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