MEMS技術(shù)及其應(yīng)用詳解-設(shè)計(jì)應(yīng)用

精品文檔-下載后可編輯MEMS技術(shù)及其應(yīng)用詳解-設(shè)計(jì)應(yīng)用MEMS器件目前主要應(yīng)用于汽車(chē)和消費(fèi)電子，未來(lái)在醫(yī)療、工業(yè)、航空航天市場(chǎng)也將逐漸普及。那么MEMS是什么？有什么特點(diǎn)？MEMS設(shè)計(jì)與制造面臨哪些困難？本文將會(huì)一一解答。

縮放和小型化

MEMS設(shè)計(jì)和制造的介紹往往起始于對(duì)縮放和小型化的回顧。例如，如果我們問(wèn)，為什么不能簡(jiǎn)單地將一個(gè)空氣壓縮機(jī)或吊扇收縮到跳蚤大小的規(guī)模？答案是壓縮定律。跳蚤大小的吊扇與一個(gè)1000倍大的正常大小的風(fēng)扇的運(yùn)行方式不同，因?yàn)樗婕傲χg的相互強(qiáng)度發(fā)生了變化。比例因子，S，有助于理解這中間發(fā)生了什么變化。

考慮一個(gè)矩形，其面積等于長(zhǎng)度和寬度的乘積;如果矩形按比例因子縮小100（即長(zhǎng)度/100和寬度/100），該矩形的面積縮小為原來(lái)（1/100）^2=1/10000。因此，面積的比例因子是S2。同樣，體積的比例因子是S3——因此隨著縮放越來(lái)越小，體積的影響比表面（面積）的影響更大。

在一個(gè)給定的規(guī)模上，謹(jǐn)慎考慮不同力的比例因子可以揭示其中相關(guān)的物理現(xiàn)象。表面張力的比例因子是S1，壓力以及靜電相關(guān)的力是S2，磁場(chǎng)力是S3，以及重力為S4。這就解釋了水黽（或“水臭蟲(chóng)”）為什么可以在水面上行走，以及為何一對(duì)滾球軸承的表現(xiàn)與一個(gè)雙星系統(tǒng)不同。雖然任何設(shè)計(jì)中都須要開(kāi)發(fā)完整的數(shù)學(xué)模型，但比例因子有助于指導(dǎo)我們?nèi)绾卧O(shè)計(jì)MEMS大小的器件。

子系統(tǒng)建模

由于亞毫米器件的直觀性不強(qiáng)，模型對(duì)MEMS設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)非常必要。一般來(lái)說(shuō)，一個(gè)完整的微機(jī)電系統(tǒng)太過(guò)復(fù)雜，難以從整體上進(jìn)行模型分析，因此，通常須要將該模型劃分為多個(gè)子系統(tǒng)。

子系統(tǒng)建模的其中一種方式是按功能進(jìn)行分類(lèi)，比如傳感器、作動(dòng)器、微電子元件、機(jī)械結(jié)構(gòu)等。集總元件建模采用了這種方法，將系統(tǒng)的物理部分表示為理想化特征的分離元件。電子電路以同樣的方式進(jìn)行建模，使用理想化的電阻、電容、二極管以及各種復(fù)雜元件。據(jù)我們了解，在可以的情況下，電路建模時(shí)電氣工程師會(huì)使用大大簡(jiǎn)化的基爾霍夫電路定律，而不是使用麥克斯韋方程。

再次，如同電子領(lǐng)域一樣，系統(tǒng)可以使用框圖進(jìn)行更抽象的建模。在該層次上，可以非常方便地將每個(gè)元件的物理特性放置在一邊，而僅使用傳遞函數(shù)來(lái)描述系統(tǒng)。這種MEMS模型將更有利于控制理論技術(shù)，這是性能設(shè)計(jì)的一套重要工具。

設(shè)計(jì)集成

盡管標(biāo)準(zhǔn)IC設(shè)計(jì)通常由一系列步驟組成，但MEMS設(shè)計(jì)則截然不同；設(shè)計(jì)、布局、材料以及MEMS封裝本質(zhì)上是交織在一起的。正因?yàn)槿绱?，MEMS設(shè)計(jì)比IC設(shè)計(jì)更復(fù)雜——通常要求每一個(gè)設(shè)計(jì)“階段”同步發(fā)展。

MEMS封裝過(guò)程可能是與CMOS設(shè)計(jì)分歧的地方。MEMS封裝主要是指保護(hù)設(shè)備免受環(huán)境損害，同時(shí)還提供一個(gè)對(duì)外接口以及減輕不必要的外部壓力。MEMS傳感器通常須要進(jìn)行應(yīng)力測(cè)量，過(guò)大的應(yīng)力可能因器件變形及傳感器漂移而影響正常功能。

每個(gè)MEMS設(shè)計(jì)的封裝往往是的，并且必須進(jìn)行專門(mén)設(shè)計(jì)。眾所周知，在產(chǎn)業(yè)中封裝成本占總成本的很大一部分——在某些情況下會(huì)超過(guò)50％。

MEMS封裝沒(méi)有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，僅近就有多種封裝技術(shù)涌現(xiàn)，其中包括MEMS晶圓級(jí)封裝（WLP）和硅通孔（TSV）技術(shù)。

制造

源自微電子，MEMS制造的優(yōu)勢(shì)在于批處理。就像其它任何產(chǎn)品，MEMS器件規(guī)模量產(chǎn)加大了它的經(jīng)濟(jì)效益。如同集成電路制造，MEMS制造中光刻方法往往成本效益，當(dāng)然也是常用的技術(shù)。然而，其它處理方式，同時(shí)兼具優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，也在使用，包括化學(xué)/物理氣相沉積（CVD/PVD）、外延和干法蝕刻。

盡管很大程度上取決于特定應(yīng)用，但相比于其電子性能，MEMS器件中使用的材料更看重它們的機(jī)械性能。所需的機(jī)械性能可能包括：高剛度，高斷裂強(qiáng)度和斷裂韌性，化學(xué)惰性，以及高溫穩(wěn)定性。微光學(xué)機(jī)電系統(tǒng)（MOEMS）可能需要透明的基底，而許多傳感器和作動(dòng)器必須