第二章-MEMS-技術(shù).ppt

1、引言,MEMS設(shè)計中的相關(guān)因素 創(chuàng)造和發(fā)明 市場機遇 技術(shù)的選擇 系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 制造方法,高性能？新功能?,市場需求？競爭性？,高端？低端？,單片？組裝？,工藝條件？成本？,引言,高層次設(shè)計 市場因素： 需求？市場前景？ 影響力： 發(fā)展趨向？新方法？新功能？ 競爭： 對手？類似產(chǎn)品？ 技術(shù)： 自行開發(fā)？購買？合作？ 制造： 需求？成本？,引言,對于所有類型的器件，技術(shù)都是關(guān)鍵的因素。對于商業(yè)化的產(chǎn)品，所有因素都是重要的，但技術(shù)論證類的產(chǎn)品，也往往并非完全不考慮市場、制造等因素。,引言,設(shè)計過程 “市場驅(qū)動”和“技術(shù)驅(qū)動”，錘子和釘子，技術(shù)與需求。 由于MEMS屬于迅速發(fā)展的領(lǐng)域，市場在識別和開發(fā)方

2、面常常滯后于技術(shù)的發(fā)展。因而在更多的情況下，是掌握技術(shù)的機構(gòu)在市場上尋求機會，從而創(chuàng)造出成功的商業(yè)產(chǎn)品。例：噴墨打印與安全氣囊。Nintendo 與ipod。,設(shè)計過程不僅僅是技術(shù)主導 需要團隊開發(fā) 技術(shù)開發(fā)和總體設(shè)計同樣重要,創(chuàng)造性思維,建模和分析,技術(shù)能力,市場預測,加工考慮,競爭評估,性能評價,產(chǎn)品構(gòu)想,建模層級,不同建模層級 系統(tǒng)級：器件輸出、反饋、傳輸、顯示等 器件級：量程、靈敏、分辨、響應時間等 物理級：能量轉(zhuǎn)換、物理參量關(guān)聯(lián)等 工藝級：制造工藝，工藝順序及集成等,實驗是最終的驗證。但是在設(shè)計器件和系統(tǒng)的時候，我們總是希望在昂貴的制作相關(guān)實驗原型之前通過建模掌握關(guān)于系統(tǒng)的大量信息。

3、,實例：一個定位控制系統(tǒng) 由實時的傳感器測量值對設(shè)置值進行反饋，從而達到精確控制的目的。,實例：一個定位控制系統(tǒng) 這個典型的反饋系統(tǒng)被劃分為如下的子系統(tǒng)：物體、控制器和位置傳感器。以物體子系統(tǒng)為例：,微系統(tǒng)和其他產(chǎn)品在機械工程設(shè)計上的主要區(qū)別是：微系統(tǒng)設(shè)計需要集成相關(guān)的制造和加工工藝。傳統(tǒng)產(chǎn)品和系統(tǒng)的機械工程設(shè)計很少需要考慮制造工藝的詳細情況。在微系統(tǒng)中，一旦卷入MEMS器件，情況就非常不同了。其加工和制造工藝經(jīng)常包括對用于這些元件精密材料的高溫和苛刻的物理化學處理。這些工藝會對微系統(tǒng)的性能產(chǎn)生非常大的影響，在設(shè)計時必須予以考慮。 如：公差，以及微加工工藝導致的殘余應力和應變等內(nèi)在因素對性能的

4、影響。,設(shè)計根據(jù)設(shè)計約束,設(shè)計約束： 客戶需求 進入市場時間 環(huán)境條件 物理尺寸和重量限制 應用 制造設(shè)備 成本,設(shè)計根據(jù)材料選擇,主要基底材料 硅 機械性能穩(wěn)定，成本不高，加工性好； 微傳感器和加速度計的極好的備選材料 砷化鎵 光電性能好，高溫工作，熱絕緣，壓電性能適用于精密微致動器，光學快門、斷路器和致動器的優(yōu)良備選材料 缺點是價格比硅等其他基底材料高的多 石英 高溫下的機械穩(wěn)定性，熱系數(shù)小，具備精密微致動器需要的出色的諧振能力 缺點是難以加工成所需要的形狀。,設(shè)計根據(jù)材料選擇,其它材料 二氧化硅 很容易在硅基底表面生長或沉積在表面 出色的熱、電絕緣性 可作為掩模材料 碳化硅 即使在高溫下

5、，尺寸和化學性質(zhì)都很穩(wěn)定 氮化硅 極好的掩模材料，光波導材料，高強度電絕緣材料 多晶硅 電阻、薄膜晶體管、可利用之控制基底電性能,設(shè)計根據(jù)材料選擇,封裝材料 陶瓷（氧化鋁、碳化硅） 玻璃（耐熱玻璃，石英） 粘結(jié)劑（焊接合金、環(huán)氧樹脂、硅橡膠） 引線（金、銀、鋁、銅、不銹鋼） 端板和外殼（塑料、鋁、不銹鋼） 芯片保護裝置（硅酮凝膠、硅油）,設(shè)計根據(jù)制造工藝選擇,體硅微制造 在三種制造技術(shù)中成本最低 適合簡單的幾何形狀，例如微壓力傳感器 缺點是深寬比低（深度方向的尺寸與平面方向的尺寸比值稱為深寬比） 表面微加工 添加和去除 非常重要的腐蝕和掩模工藝 犧牲層技術(shù)一定程度的浪費 成本較高流程多且復雜

6、主要優(yōu)點：相對于體硅制造而言，不那么受硅片厚度的限制；在建立各種犧牲層時材料選擇自由度大；適合復雜的幾何形狀，例如微閥和梳妝致動器。,設(shè)計根據(jù)制造工藝選擇,LIGA和SLIGA工藝 成本最高 需要X光光刻的同步輻射設(shè)備，非常昂貴，且很少具備。 這些工藝還需要對微注模技術(shù)和設(shè)備進行開發(fā) 主要優(yōu)點是：在幾何結(jié)構(gòu)的深寬比上提供很大的適應性，利用LIGA工藝可以使深寬比達到200；提供最大的微結(jié)構(gòu)構(gòu)造和形狀靈活性；事實上LIGA工藝對微結(jié)構(gòu)的材料沒有限制，包括金屬；三種制造技術(shù)中最適合大規(guī)模生產(chǎn)。,設(shè)計根據(jù)信號轉(zhuǎn)換選擇,變換器,微傳感器 產(chǎn)生的信號： 機械、熱、光、聲、化學等,電信號,信號處理,壓敏電

7、阻 壓電 電容 諧振器,變換器,微致動器 被轉(zhuǎn)換的信號：運動,電信號,能量供給,壓電 靜電 電磁 電阻加熱 形狀記憶合金,微傳感器的概念,微傳感器的技術(shù)指標： 量程：測量范圍上限值和下限值的代數(shù)差。 靈敏度：傳感器的在穩(wěn)態(tài)下輸出變化對輸入變化的比值 線性度：傳感器輸出與輸入之間的線性程度。 分辨率：指在規(guī)定測量范圍內(nèi)可能檢測出的被測量的最小變化量。 零點穩(wěn)定性 重復性：傳感器在輸入量按同一方向作全量程多次測試時所得特性曲線不一致程度。 頻響范圍：在規(guī)定誤差條件下，傳感器可以正常工作的頻率區(qū)間。,微傳感器的概念,對于線性傳感器，它的靈敏度就是它的靜態(tài)特性的斜率，即 。非線性傳感器的靈敏度為一變量

8、。一般希望傳感器的靈敏度高，在滿量程范圍內(nèi)是恒定的，即傳感器的輸出-輸入特性為直線。,靈敏度,微傳感器的概念,傳感器的線性度是指傳感器輸出與輸入之間的線性程度。傳感器的理想輸出輸入特性是線性的，它具有以下優(yōu)點： （1）可大大簡化傳感器的理論分析和設(shè)計計算； （2）為標定和數(shù)據(jù)處理帶來很大方便，只要知道線性輸出輸入特性上的兩點就可以確定其余各點。 （3）可使儀表刻度盤均勻刻度，因而制作、安裝、調(diào)試容易，提高測量精度； （4）避免了非線性補償環(huán)節(jié)。,線性度,附例：,一個微加速度傳感器的指標,靈敏度：100mV/g 量程：50g 頻率范圍：0.5-8000Hz（10%) 分辨率：0.0002g 抗沖

9、擊：2000g 重量：8mg 安裝螺紋：M5 mm 線性：1% 橫向靈敏度：5% 典型值：3% 輸出阻抗：150 激勵電壓：18-30VDC 典型值：24VDC 溫度范圍：-40+120 殼絕緣電阻： 安裝力矩：約20-30Kgf.cm(M5螺紋) 幾何尺寸：四方12mm、高度13.5mm,按傳感機理分 壓阻、壓電、隧道、電容、諧振、熱對流 按物理參數(shù)分 力（加速度/壓力/聲） 熱（熱電偶/熱阻） 光（光電類） 電磁（磁強計） 化學和生物醫(yī)學（血糖/電容化學/化學機械）,微傳感器的分類,(1)壓阻敏感原理,當壓力作用在單晶硅上時，硅晶體的電阻發(fā)生顯著變化的效應稱為壓阻效應。,在外力的作用下，結(jié)構(gòu)中的薄膜或梁上產(chǎn)生應力分布，應力的存在使得壓敏電阻的阻值發(fā)生變化,微傳感器的敏感原理,電容式微傳感器的基本結(jié)構(gòu),電容敏感原理,利用可變電容器作為傳感元件，將作用于傳感元件上的不同物理量的變化轉(zhuǎn)換為電容值的變化。,隧道電流敏感原理,在距離十分接近的隧道探針與電極之間加一個偏置電壓，當針尖和電極之間的距離接近納米量級時，電