第二章-MEMS-技术.ppt

1、引言,MEMS设计中的相关因素 创造和发明 市场机遇 技术的选择 系统结构 制造方法,高性能？新功能?,市场需求？竞争性？,高端？低端？,单片？组装？,工艺条件？成本？,引言,高层次设计 市场因素： 需求？市场前景？ 影响力： 发展趋向？新方法？新功能？ 竞争： 对手？类似产品？ 技术： 自行开发？购买？合作？ 制造： 需求？成本？,引言,对于所有类型的器件，技术都是关键的因素。对于商业化的产品，所有因素都是重要的，但技术论证类的产品，也往往并非完全不考虑市场、制造等因素。,引言,设计过程 “市场驱动”和“技术驱动”，锤子和钉子，技术与需求。 由于MEMS属于迅速发展的领域，市场在识别和开发方

2、面常常滞后于技术的发展。因而在更多的情况下，是掌握技术的机构在市场上寻求机会，从而创造出成功的商业产品。例：喷墨打印与安全气囊。Nintendo 与ipod。,设计过程不仅仅是技术主导 需要团队开发 技术开发和总体设计同样重要,创造性思维,建模和分析,技术能力,市场预测,加工考虑,竞争评估,性能评价,产品构想,建模层级,不同建模层级 系统级：器件输出、反馈、传输、显示等 器件级：量程、灵敏、分辨、响应时间等 物理级：能量转换、物理参量关联等 工艺级：制造工艺，工艺顺序及集成等,实验是最终的验证。但是在设计器件和系统的时候，我们总是希望在昂贵的制作相关实验原型之前通过建模掌握关于系统的大量信息。

3、,实例：一个定位控制系统 由实时的传感器测量值对设置值进行反馈，从而达到精确控制的目的。,实例：一个定位控制系统 这个典型的反馈系统被划分为如下的子系统：物体、控制器和位置传感器。以物体子系统为例：,微系统和其他产品在机械工程设计上的主要区别是：微系统设计需要集成相关的制造和加工工艺。传统产品和系统的机械工程设计很少需要考虑制造工艺的详细情况。在微系统中，一旦卷入MEMS器件，情况就非常不同了。其加工和制造工艺经常包括对用于这些元件精密材料的高温和苛刻的物理化学处理。这些工艺会对微系统的性能产生非常大的影响，在设计时必须予以考虑。 如：公差，以及微加工工艺导致的残余应力和应变等内在因素对性能的

4、影响。,设计根据设计约束,设计约束： 客户需求 进入市场时间 环境条件 物理尺寸和重量限制 应用 制造设备 成本,设计根据材料选择,主要基底材料 硅 机械性能稳定，成本不高，加工性好； 微传感器和加速度计的极好的备选材料 砷化镓 光电性能好，高温工作，热绝缘，压电性能适用于精密微致动器，光学快门、断路器和致动器的优良备选材料 缺点是价格比硅等其他基底材料高的多 石英 高温下的机械稳定性，热系数小，具备精密微致动器需要的出色的谐振能力 缺点是难以加工成所需要的形状。,设计根据材料选择,其它材料 二氧化硅 很容易在硅基底表面生长或沉积在表面 出色的热、电绝缘性 可作为掩模材料 碳化硅 即使在高温下

5、，尺寸和化学性质都很稳定 氮化硅 极好的掩模材料，光波导材料，高强度电绝缘材料 多晶硅 电阻、薄膜晶体管、可利用之控制基底电性能,设计根据材料选择,封装材料 陶瓷（氧化铝、碳化硅） 玻璃（耐热玻璃，石英） 粘结剂（焊接合金、环氧树脂、硅橡胶） 引线（金、银、铝、铜、不锈钢） 端板和外壳（塑料、铝、不锈钢） 芯片保护装置（硅酮凝胶、硅油）,设计根据制造工艺选择,体硅微制造 在三种制造技术中成本最低 适合简单的几何形状，例如微压力传感器 缺点是深宽比低（深度方向的尺寸与平面方向的尺寸比值称为深宽比） 表面微加工 添加和去除 非常重要的腐蚀和掩模工艺 牺牲层技术一定程度的浪费 成本较高流程多且复杂

6、主要优点：相对于体硅制造而言，不那么受硅片厚度的限制；在建立各种牺牲层时材料选择自由度大；适合复杂的几何形状，例如微阀和梳妆致动器。,设计根据制造工艺选择,LIGA和SLIGA工艺 成本最高 需要X光光刻的同步辐射设备，非常昂贵，且很少具备。 这些工艺还需要对微注模技术和设备进行开发 主要优点是：在几何结构的深宽比上提供很大的适应性，利用LIGA工艺可以使深宽比达到200；提供最大的微结构构造和形状灵活性；事实上LIGA工艺对微结构的材料没有限制，包括金属；三种制造技术中最适合大规模生产。,设计根据信号转换选择,变换器,微传感器 产生的信号： 机械、热、光、声、化学等,电信号,信号处理,压敏电

7、阻 压电 电容 谐振器,变换器,微致动器 被转换的信号：运动,电信号,能量供给,压电 静电 电磁 电阻加热 形状记忆合金,微传感器的概念,微传感器的技术指标： 量程：测量范围上限值和下限值的代数差。 灵敏度：传感器的在稳态下输出变化对输入变化的比值 线性度：传感器输出与输入之间的线性程度。 分辨率：指在规定测量范围内可能检测出的被测量的最小变化量。 零点稳定性 重复性：传感器在输入量按同一方向作全量程多次测试时所得特性曲线不一致程度。 频响范围：在规定误差条件下，传感器可以正常工作的频率区间。,微传感器的概念,对于线性传感器，它的灵敏度就是它的静态特性的斜率，即 。非线性传感器的灵敏度为一变量

8、。一般希望传感器的灵敏度高，在满量程范围内是恒定的，即传感器的输出-输入特性为直线。,灵敏度,微传感器的概念,传感器的线性度是指传感器输出与输入之间的线性程度。传感器的理想输出输入特性是线性的，它具有以下优点： （1）可大大简化传感器的理论分析和设计计算； （2）为标定和数据处理带来很大方便，只要知道线性输出输入特性上的两点就可以确定其余各点。 （3）可使仪表刻度盘均匀刻度，因而制作、安装、调试容易，提高测量精度； （4）避免了非线性补偿环节。,线性度,附例：,一个微加速度传感器的指标,灵敏度：100mV/g 量程：50g 频率范围：0.5-8000Hz（10%) 分辨率：0.0002g 抗冲

9、击：2000g 重量：8mg 安装螺纹：M5 mm 线性：1% 横向灵敏度：5% 典型值：3% 输出阻抗：150 激励电压：18-30VDC 典型值：24VDC 温度范围：-40+120 壳绝缘电阻： 安装力矩：约20-30Kgf.cm(M5螺纹) 几何尺寸：四方12mm、高度13.5mm,按传感机理分 压阻、压电、隧道、电容、谐振、热对流 按物理参数分 力（加速度/压力/声） 热（热电偶/热阻） 光（光电类） 电磁（磁强计） 化学和生物医学（血糖/电容化学/化学机械）,微传感器的分类,(1)压阻敏感原理,当压力作用在单晶硅上时，硅晶体的电阻发生显著变化的效应称为压阻效应。,在外力的作用下，结构中的薄膜或梁上产生应力分布，应力的存在使得压敏电阻的阻值发生变化,微传感器的敏感原理,电容式微传感器的基本结构,电容敏感原理,利用可变电容器作为传感元件，将作用于传感元件上的不同物理量的变化转换为电容值的变化。,隧道电流敏感原理,在距离十分接近的隧道探针与电极之间加一个偏置电压，当针尖和电极之间的距离接近纳米量级时，电