(完整版)mems简介

1微电子机械系统工程导论AnIntroductiontoMicro-Electro-MechanicalSystemsEngineering主讲人：尚金堂东南大学MEMS教育部重点实验室[e-mail]139138696032MEMS教育部重点实验室简介以微电子学科为主题、结合电子工程系固体电子学研究室、工程力学系和机械工程系相关课题组，组建了跨学科的研究结构，于1999年申请建立教育部重点实验室。实验室2000年6月通过教育部可行性论证、2001年9月通过教育部验收、2002年11月通过教育部评估。3EtchratediagramofsiliconMEMSDeviceSimulatorSimulationofthermalactuatorSimulationofpiezoresistivesensorMEMSCAD•MEMS设计与优化/CMOSMEMS设计与优化•基于标准工艺的MEMS设计/商用MEMS设计软件的集成•特定MEMS设计工具开发•版图设计/器件级模拟/工艺模拟/系统模拟•测试结构设计/建库4IntegratedCMOSanemometerNEMS•原位表征•石墨烯CMOSMEMS•CMOS工艺+后处理技术•温度微传感器/湿度微传感器•风速微传感器/压力微传感器•加速度微传感器/气象检测系统•惯性测量系统等5MicrofluidicsMEMSatomicdevicesMicro-PNT微系统集成与封装•基于MEMS技术的原子磁强计•基于MEMS技术的陀螺仪/原子钟•微系统三维集成封装•3-D微纳加工技术应用•生物磁测量/频标/导航•IC系统微型化集成高密度I/O3DICs电源/电池模块ANTENNAS&FILTERSPD/TIA光源光电探测器光波导MEMSEBG&IsolationNANOMAGNETICS其它MEMS传感器2GaAsRFIC热沉处理器3DCAPACITORS有机/玻璃/硅基板供电模块电信号处理模块埋入电容、电阻、电感其它MEMS传感器1MPNT关键组件预留高速接口存储单元无线通讯模块三维封装、基于基板的埋入式封装(EMAP+SIP)系统级集成封装降低体积、功耗，低成本和可批量制造3、MPNT的系统级微型化封装（SIP+EMAP）二、MPNT中的部分关键问题及对策自行研制的微型碱金属腔照片碱金属腔光谱测试图技术基础-1：微型碱金属腔制备技术特点：1、钾、铷、铯的微型化封装以及混合封装2、微腔形状、尺寸(几十微米-几厘米)可控；3、铷腔内的气氛、压力可调，腔内压力可高于3个大气压力技术基础•中国专利；•IEEEEPTC，2013；•IEEEECTC2014，TravelAward；ECTC2015Accepted.三、SEU-MEMS相关基础5mm圆片级玻璃微腔(6英寸)技术基础-1：微型铷腔量产技术•Labonachip，2011；•IEEEECTC，2012；•IEEEMEMS，2012;•USPatent及中国专利三、SEU-MEMS相关基础多样化的玻璃微结构技术基础-1：微型铷腔量产技术•中国专利；•IEEEJ.MEMS，2011；•IEEEMEMS，2010；•IEEEECTC，2010；•IEEEECTC，2011三、SEU-MEMS相关基础•尺寸可调(几百微米-几毫米)•圆片级制备技术基础-2：微透镜阵列加工技术•IEEETransactionsonCPMT，2013；•IEEEECTC，2012带有spacer的聚合物透镜阵列带有spacer的单个聚合物透镜三、SEU-MEMS相关基础技术基础-3：系统级封装基板埋入技术（SIP+Embeded）•有源、无源元件埋入技术；•超薄有机基板技术；•玻璃基板埋入技术；IEEEMEMS2015,Accepted;ICEPT2012；IEEEECTC2009；中国专利超薄柔性基板示意图薄芯板的通孔结构(30-50um)基板上50微米的通孔三、SEU-MEMS相关基础基板工艺线激光钻孔设备EVG-501键合机基板工艺线：包括钻孔、电镀、化学镀、高温层压等设备MEMS设备：键合机、倒装焊机、引线键合、RIE、磁控溅射；超净间，氧化、扩散等工艺；整套测试设备，包括RF测试、半导体参数测试、TEM、SEM和表面形貌测试等硬件条件基础三、SEU-MEMS相关基础前期研究项目序号类别项目名称起止时间金额(万元)1总装预研重点基金(与33所合作)******2014-20162002预研教育部支撑******2012-2013303重大专项子课题高密度三维系统级封装关键技术研究2009-20122304江阴长电先进封装有限公司微电子封装开发重点项目2011-2012905国家自然科学基金面上项目球形玻璃微腔用于MEMS基础研究2008-2010326863项目热成型玻璃微腔用于MEMS圆片级、真空封装技术研究2009-2011747国家自然科学基金面上项目自聚焦超声玻璃微流控器件的发泡法制备及应用基础研究2013-201680三、SEU-MEMS相关基础14MEMS教育部重点实验室简介教职员30余人在读硕、博士研究生120人左右。每年招收30余人MEMS工艺线半导体、测试设备等正在投入建立微系统集成封装工艺平台15本课教材和内容教材:微机电系统基础/ChangLiu著，黄庆安译，机械工业出版社，2007参考书:微传感器与执行器/GregoryT.A.Kovacs硅微机械加工技术/黄庆安著…16课程内容安排-1课堂教学课堂教学(14次课+1次复习+1次考试)：1.绪论2.微制造导论3.体微机械加工与硅各向异性腐蚀4.表面微机械加工5.微机电中电学与机械学基本概念6.静电敏感与执行原理7.热敏感与执行原理8.压电与执行原理9.MEMS/IC封装10.复习11.考试17课程内容安排-2研讨教学研讨教学初步方案(5次课)：????18课程内容安排-3续研讨教学研讨课目标：经过课程学习，让大家了解MEMS研讨课题：要求：阅读相关文章，总结PPT，演讲十分钟，提问5分钟。研讨的侧重点：设计、制造、材料和封装MEMS加速度计陀螺仪压力传感器磁传感器麦克风19考核方法最后成绩=平时成绩（10%）+研讨成绩（40%）+开卷考试成绩(50%)20第一章、绪论MEMS(MicroElectroMechanicalSystems)–Theacronymfirstusedinthelate1980’s.–Othernames:Microsystems(Europe),–Micromachines(Japan)21MEMS的精确定义Amicrosystemisanintelligentminiaturizedsystemcomprisingsensing,processingand/oractuatingfunctionsThesewouldnormallycombinetwoormoreofthefollowing:electrical,mechanical,optical,chemical,biological,magneticorotherproperties,integratedontoasingleormultichiphybrid.22MEMS系统23MEMS的尺度24MEMS的特点起源于硅IC工艺尺寸在~1um----几mm含有可动部件（actuators）/传感器/相关系统主要工艺借鉴IC能与IC集成封装相对复杂25MEMS的四次商业化浪潮1970s的通过大型蚀刻硅片结构和背蚀刻膜片制作压力传感器1990s的MEMS红外探测、Si加速度计、数字微镜、射频MEMS、生物MEMS等器件的问世2000年，微光学器件、微流体系统、MEMS三维微结构、IT传感等众多MEMS产品进入市场第四轮商业化包括一些面向射频无源元件、在硅片上制作的音频、生物和神经元探针，以及所谓的片上实验室生化药品开发系统和微型药品输送系统的静态和移动器件。1.1MEMS的发展史26与IC的发展密不可分MEMS的加工与传统的加工完全不同萌芽阶段（60年代中-80年代）MEMS的基本结构,悬臂梁,喷嘴,薄膜等ResonantGateTransistor(andfirstmagneticmicromotor)AnisotropicSiliconEtchants(EDP,KOH）WaferBonding(Anodic)PressureSensors(Honeywell,Motorola)InkjetPrinters(HewlettPackard)1982:KurtPetersen:“SiliconasaMechanicalMaterial”MEMS的发展史（续1）27MEMS的发展史（续2）80年代后期：LPCVD、RIE、LithographyPolysiliconSurfaceMicromaching技术的发展–PolysiliconCantileversandFlexures(Howe-UCB)–PolysiliconMicromotors(UCB,MIT)–Accelerometer(AnalogDevices)–IntegrationofFerromagneticMaterialswithMEMS28MEMS的发展史（续3）90年代MEMS的发展的黄金时代政府/商业机构强力支持新产品不断涌现汽车用集成惯性传感器ADXL系列/ADDMD/TI光MEMS生物MEMS微流控器件RFMEMSNEMS29MEMS的发展史（续4）NewMicrofabricationCapabilities☆“New”Materials(glass,plastic,metals,magneticmaterials,etc…)☆MicrofabricationProcesses(DRIE,XeF2)☆HighAspectRatio(LIGA,DRIE,etc.)NewNeeds☆Standardization,CAD,FoundriesMEMS的发展史（续5）31MEMS的主要应用领域Read/WriteheadformagneticstorageInkJetheadsAutomotiveAccelerometers,force/torquesensors,pressuresensorsMedicalTechnologyClinicaldiagnostics,drugdeliverysystemsBiotechnologyDNAsequencingchips,Micrototalanalysissystem(μTAS)IT-peripheralsandwirelessPrecisionservo,shocksensorsforHDD,newdatastoragemechanismsOpticsDigitalmicromirrordevices(TI),gratinglightvalve(GLV)Opticalinterconnects,switchingRF,microwaveforcommunicationMicromachinedfilters,tunablebanksMEMS主要应用工业、信息通信、国防、航空航天、航海、医疗、生物工程、农业、环境监控等MEMS器件最早批量应用在汽车电子产业上：根据IHSiSuppli公司研究，2011年汽车MEMS销售额达到22亿美元；压力传感器、加速计、陀螺仪和流量传感器消费电子逐渐成为MEMS最大的应用市场，几乎以每年近20%的速度增长MEMS技术概况2.1概述1993年美国ADI公司成功地微型加速度计商品，并大批量应用于汽车防撞气囊。MEMS发展的主要技术途径：以美国为代表的硅基微加工技术德国为代表的LIGA技术日本为代表的精密加工技术近年来MEMS技术专利呈现迅猛增长趋势以日本和美国掌握的专利技