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,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,1,微电子机械系统工程导论,An Introduction to Micro-Electro-Mechanical Systems Engineering,主讲人：,尚金堂,东南大学,MEMS,教育部重点实验室,jshang,13913869603,2,MEMS,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。,3,Etch rate diagram of silicon,MEMS Device Simulator,Simulation of thermal actuator,Simulation of piezoresistive sensor,MEMS CAD,MEMS,设计与优化,/CMOS MEMS,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,4,Integrated CMOS anemometer,NEMS,原位表征,石墨烯,CMOS MEMS,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,5,Microfluidics,MEMS atomic devices,Micro-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/O,3D ICs,电源,/,电池模块,ANTENNAS&FILTERS,PD/TIA,光源,光电探测器,光波导,MEMS,EBG&,Isolation,NANOMAGNETICS,其它,MEMS,传感器,2,GaAs RFIC,热沉,处理器,3D CAPACITORS,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,1,MPNT,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；,IEEE EPTC,，,2013,；,IEEE ECTC2014,，,Travel Award,；,ECTC 2015 Accepted.,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,Lab on a chip,，,2011,；,IEEE ECTC,，,2012,；,IEEE MEMS,，,2012;,US Patent,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；,IEEE J.MEMS,，,2011,；,IEEE MEMS,，,2010,；,IEEE ECTC,，,2010,；,IEEE ECTC,，,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,IEEE Transactions on CPMT,，,2013,；,IEEE ECTC,，,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；,IEEE MEMS 2015,Accepted;ICEPT 2012,；,IEEE ECTC 2009,；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,),*,2014-2016,200,2,预研教育部支撑,*,2012-2013,30,3,重大专项子课题,高密度三维系统级封装关键技术研究,2009-2012,230,4,江阴长电先进封装有限公司,微电子封装开发重点项目,2011-2012,90,5,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,2008-2010,32,6,863,项目,热成型玻璃微腔用于,MEMS,圆片级、真空封装技术研究,2009-2011,74,7,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,2013-2016,80,三,、,SEU-MEMS,相关,基础,14,MEMS,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,/Chang Liu,著，黄庆安译，机械工业出版社，,2007,参考书,:,微传感器与执行器,/,Gregory T.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,(,M,icro,E,lectro,M,echanical,S,ystems),The acronym first used in the late 1980s.,Other names:Microsystems(Europe),Micromachines(Japan),21,MEMS,的精确定义,A microsystem is an intelligent miniaturized system comprising sensing,processing and/or actuating functions,These would normally combine two or more of the following:,electrical,mechanical,optical,chemical,biological,magnetic or other properties,integrated onto a single or multichip hybrid,.,22,MEMS,系统,23,MEMS,的尺度,24,MEMS,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,25,MEMS,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,。,1.1 MEMS,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,Resonant Gate Transistor(and first,magnetic micromotor,),Anisotropic Silicon Etchants(EDP,KOH,）,Wafer Bonding(Anodic),Pressure Sensors(Honeywell,Motorola),Inkjet Printers(Hewlett Packard),1982:Kurt Petersen:,“Silicon as a Mechanical Material”,MEMS,的发展史（续,1,）,27,MEMS,的发展史（续,2,）,80,年代后期：,LPCVD,、,RIE,、,Lithography,Polysilicon Surface Micromaching,技术的发展,Polysilicon Cantilevers and Flexures(Howe-UCB),Polysilicon Micromotors(UCB,MIT),Accelerometer(Analog Devices),Integration of,Ferromagnetic Materials,with MEMS,28,MEMS,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,RF MEMS,NEMS,29,MEMS,的发展史（续,4,）,New Microfabrication Capabilities,“,New”Materials,(glass,plastic,metals,magnetic materials,etc),Microfabrication Processes,(DRIE,XeF,2,),High Aspect Ratio,(LIGA,DRIE,etc.),New Needs,Standardization,CAD,Foundries,MEMS,的发展史（续,5,）,31,MEMS,的主要应用领域,Read/Write head for magnetic storage,Ink Jet heads,Automotive,Accelerometers,force/torque sensors,pressure sensors,Medical Technology,Clinical diagnostics,drug delivery systems,Biotechnology,DNA sequencing chips,Micro total analysis system(TAS),IT-peripherals and wireless,Precision servo,shock sensors for HDD,new data storage mechanisms,Optics,Digital micromirror devices(TI),grating light valve(GLV),Optical interconnects,switching,RF,microwave for communication,Micromachined filters,tunable banks,MEMS,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,IHS iSuppli,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术最多；,在,MEMS,传感器技术专利数量上领先的全球前,10,家公司中有,5,家日本公司；,日本精工爱普生公司和美国霍尼韦尔国际公司近年来专利数量处于高位且相对稳定。,MEMS,技术概况,2.2,技术分类,生产合格的,MEMS,器件三大关键技术：,结构设计,(,设计技术,),是否合理,加工技术是否过关,封装技术是否合格,2.2.1 MEMS,制造技术,加工：微机械加工可分为体微机械加工和表面微机械加工两种类型。,代工：我国大型,MEMS,代工厂首推台湾的台积电,(TSMC),和联电,(UMC),MEMS,技术概况,2.2.2,封装技术,MEMS,的封装,成本往往占到,整个,MEMS,器,件成本的,70%,80%.,MEMS,的主流,封装技术包括,:,圆片级,(WLP),、,器件级和系统,级,(SIP),封装技,术等三个层次,(,如图所示,).,MEMS,技术概况,2.2.2,封装技术,国内主要,MEMS,封装测试企业：,MEMS,产业现状,及,全球,MEMS,市场,3.1,世界各国,MEMS,发展状况,MEMS,前端研发需要大量的资金与时间，风险非常高，私有,企业往往不愿意独自承担。,美国以大学为中心承担,MEMS,研发风险；,德国和瑞士以自治团体为主导的半官半民机构进行,MEMS,研究；,法国以国家机构为主导承担,MEMS,研究风险，每年投入约,12,亿美元的研发费用；,日本以大型财团与科研机构为主研究,MEMS,，每年投入总费用超过,2.5,亿美元。,MEMS,产业现状,及,全球,MEMS,市场,(1),美国,MEMS,的研究在,60,年代首先从斯坦福大学开始，逐步扩展到佐治亚理工学院和加利福尼亚大学洛杉矶分校等大学，众多美国大学拥有了,100,150mm,晶圆生产线。,(2),法国,法国有关,MEMS,的研发基地较为集中，主要由国立研究所法国,LETI,（,Laboratoire dElectronique de Technologie de lInformation,，电子和信息技术实验室）承担。,(3),德国,德国的,MEMS,研究与应用工作主要集中在非营利性的弗朗霍夫学会（,Fraunhofer-Gesellschaft,）和德国美因兹微技术研究所（,Institut fuer Mikrotechnik Mainz GmbH,，,IMM,）等。,MEMS,在德国国内重点领域是汽车，其次是化学设备、半导体。,MEMS,产业现状,及,全球,MEMS,市场,(4),瑞士,瑞士在联邦政府的扶持下已形成以,CESM,（,Centre Suisse dElectronique et de Microtechnique,）为主导、以,MEMS,等技术为基础的“瑞士版硅谷”。,CESM,已经和,Universit de Neuchtel,，洛桑联邦理工大学、苏黎世联邦理工大学，及法国,LETI,建立了协作体制。,(5),日本,日本各地已有,MEMS,厂商,100,多家，以,Olympus,、,Canon,和,Fujikura,和器件制造如,MEW,、,Oki,等为代表。日本也拥有不少设计公司，主要来源于,R&D,机构和各高校。,(3),亚洲周边国家,亚洲台湾、韩国、中国和新加坡等地，政府从技术战略决策层面大力发展,MEMS,。韩国每年投入约,2,亿美元研发费用，有,6,个实验室和,10,家公司；我国台湾每年投入,MEMS,总费用为,6.4,亿元新台币。,MEMS,产业现状,及,全球,MEMS,市场,3.2 MEMS,产业状况,及,全球,MEMS,市场,3.2.1,产业现状,2012,年，,IC,产业规模下降了,2%,，,MEMS,产业规模却增长了,10%,，达到,110,亿美元,MEMS,仍处于快速上升的通道，,2018,年市场规模将达,225,亿美元,消费类应用增长促使,MEMS,公司考虑新战略,：,消费和移动,应用是,MEMS,领域增长最快的，给,MEMS,产业带来强烈的冲击。,ASIC,公司也将受益于,MEMS,市场爆发,：,分立的,MEMS,传感器过渡到组合传感器时，,ASIC,面临系统集成的技术挑战。,ASIC,设计是,MEMS,传感器中的一个关键部分，有时候大型,MEMS,公司会倾向于外包这部分。,MEMS,产业现状,及,全球,MEMS,市场,MEMS,产业现状,及,全球,MEMS,市场,MEMS,产业现状,及,全球,MEMS,市场,3.2.2 MEMS,发展趋势,MEMS,与,IC,芯片整合、封装在一起：,MEMS,的制造将从现在的,150mm,（,6,英寸）线向,200 mm,（,8,英寸）线转移；,生产线由,150 mm,厂转向,200 mm,厂后，单位成本可以大幅降低,33%,以上；,意法、飞思卡尔等,MEMS,大厂。,MEMS,与,CMOS,制程技术的整合,3D,封装技术在异质整合特性下，可进一步整合模拟,RF,、数字,Logic,、,Memory,、,Sensor,、混合讯号、,MEMS,等各种组件,MEMS,产业现状,及,全球,MEMS,市场,MEMS,产业现状,及,全球,MEMS,市场,3.2.3 MEMS,晶圆代工厂,近几年以来美国也有几家规模较小的晶圆代工厂，持续投入资源用于,MEMS,晶圆代工；,意法半导体于,2006,年成为全球首家以,200 mm,晶圆生产,MEMS,传感器的厂商；,IHS iSuppli,的统计数据显示：,2012,年全球,MEMS,芯片市场成长约,5%,，规模达到,83,亿美元；,意法半导体与博世并列全球第一大,MEMS,供应商，其中意法半导体营收年成长率,23%,，博世年成长率为,8%,；,2011,年台积电是全球最大的纯,MEMS,器件代工厂商，营业收入剧增,201%,，达到,2300,万美元，远高于,2010,年的,1760,万美元。,MEMS,产业现状,及,全球,MEMS,市场,2012,年全球前,20,大,MEMS,晶圆代工厂中（如表,1,所示），共有,7,家独立元件制造商（,IDM,）和,13,家专业晶圆代工厂入榜。,MEMS,产业现状,及,全球,MEMS,市场,全球微机电系统市场销售额分析：,2012,年，我们的全球前,30,名,MEMS,公司排行榜上首次出现两家惯性传感器供应商占据第一和第二位，而不是喷墨头或,DLP,公司。,意法半导体是全球第一家,MEMS,销售额达到,10,亿美元的公司，超越德州仪器排名第一。,MEMS,产业现状及,全球,MEMS,市场,全球微机电系统市场销售额分析：,在全球前,30,名,MEMS,公司的榜单中，很多公司受惠于智能手机市场的蓬勃发展。例如瑞声科技（,AAC,）凭借,MEMS,麦克风的强劲增长（,2012,年营收增长,90%,，达到,6500,万美元），首次挤进全球前,30,名。,中国驻极体麦克风供应商购买英飞凌（,Infineon,）的,MEMS,裸片，然后自己做封装、测试和销售，并成为苹果,iPhone,的第二货源。,49,举例,50,Single piston steam engine,51,Micro Mirror driven by thermal actuator,52,Six-legged robotic bug,By University of California at Berkeley,53,Optical devices,54,Gear Boxes,55,Mechanical Structures,56,Deformable Links and Levers,57,1.2 MEMS,的本质特征,“3M”,特点,小型化,Miniaturization,微电子集成,Microelectronics Integration,高精度的批量制造,Mass Fabrication with Precision,58,MEMS,的本质特征,(,续,1,）,小型化,(,为什么？,),小,高谐振频率、低热惯性、质量变小等,比例尺度定律,举例,p.9,59,MEMS,的本质特征,(,续,2,）,60,MEMS,的本质特征,(,续,3,）,微电子集成,单片集成,减小噪声,提高精度,实现传感器的阵列扫描和寻址,传感器的补偿等,高精度的批量制造,61,1.3,器件：传感器与执行器,能量域和换能器,化学能,辐射能,磁能,热能,电能,机械能,62,1.3,器件：传感器与执行器,-1,加速度传感器,机械能,电能,气体传感器,化学能电能,温度传感器,热能,电能,63,1.3,器件：传感器与执行器,-2,传感器,物理,/,化学,/,生物传感器,传感器的重要特性指标,灵敏度,线性度,响应特性,包括精度、分辨率、测量极限,信噪比,动态范围,带宽,漂移,传感器的可靠性,串扰和干扰,64,1.3,器件：传感器与执行器,-3,执行器,常见驱动方式,静电驱动,磁驱动,压电驱动,热双层片驱动,其他,65,器件：传感器与执行器,-4,典型指标,扭距,/,力的输出能力,行程,动态响应速度和带宽,功耗,位移与驱动的线性度,环境稳定性,66,References,Books,Elwenspoek and Jansen,Silicon Micromachining,Cambridge,Keller,Microfabricated High Aspect Ratio Silicon Flexures,MEMS Precision Instruments,Kovacs,Micromachined Transducers Sourcebook,McGraw-Hill,Madou,Fundamentals of Microfabrication,CRC,Maluf,An Introduction to Microelectromechanical Systems Engineering,Artech House,Ristic,Sensor Technology and Devices,Artec House,Senturia,Microsystem Design,Kluwer,Sze,Semiconductor Sensors,Wiley,黄庆安，,微机械加工技术,，科学出版社,Gregory T.A.Kovacs,微传感器与微执行器全书,科学出版社,67,References,Conferences,Sensors and Actuators Workshop(Hilton Head),even years,Hilton Head Island,SC.N.America only,IEEE MEMS workshop,annual,00 Japan,01 Europe,02 U.S.,Intl.Conf.Solid State Sensors and Actuators(Transducers),odd years,99 Japan,01 Europe,03 U.S.,MOEMS,97 Japan,98 U.S.(LEOS),99 Germany,SPIE,annual,San Jose,CA.(formerly Austin,TX),IEEE,Sensors,ASME,全国传感器会议,中国微米纳米年会,68,References,Periodicals,IEEE J,ournal of,MEMS,Sensors and Actuators A/B,J.Micromechanics and Microengineering,IEEE Journal of Sensors,Articles,Petersen,Silicon as a Mechanical Material,Proc.IEEE,V70 pp.420-457,1982.,Proc.IEEE V86N8,1998 Special issue on MEMS,Wu,Micromachining for Optical and Optoelectronic Systems,Proc.IEEE V85N11,pp.1833-1856,1997.,69,小结,本章简要介绍了,MEMS,的基本概念和发展情况,多上网了解一些,MEMS,的各种信息，如中国,MEMS,的发展概况、某类,MEMS,的产业化前景、国际,MEMS,的发展趋势等,70,研讨,对,MEMS,的认识,