东南大学mems简介

三、 SEU-MEMS相关基础
前期研究项目
序 号
类别
1
总装预研重点基金 (与33所合作)
2 预研教育部支撑
项目名称 ****** ******
3
重大专项子课题
高密度三维系统级封装关键技术研 究
4
江阴长电先进封装 有限公司
微电子封装开发重点项目
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
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
Simulation of piezoresistive sensor
MEMS Device Simulator 3
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
NEMS
• 原位表征 • 石墨烯
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
wenku.baidu.com
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
起止时间 2014-2016 2012-2013 2009-2012 2011-2012 2008-2010 2009-2011 2013-2016
金额( 万元) 200
Integrated CMOS anemometer
4
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
Microfluidics
MEMS atomic devices
Micro-PNT
多样化的玻璃微结构
• 中国专利； • IEEE J. MEMS，2011； • IEEE MEMS，2010； • IEEE ECTC，2010； • IEEE ECTC，2011
三、 SEU-MEMS相关基础
技术基础-2：微透镜阵列加工技术
带有spacer的聚合物透镜阵列
带有spacer的单个聚合物透镜
5
二、MPNT中的部分关键问题及对策
3、MPNT的系统级微型化封装（SIP+EMAP）
MPNT关键组件
P光D/源TIA
光电探测器
光波导 NANOMAGNETICS
埋入电容、 电阻、电感
有机/玻璃/硅
电信号处理模块
热沉 处理器
EBG & 无线通讯模块
Isolation
GaAs RFIC
3D CAPACITORS
Medical Technology
➢ Clinical diagnostics, drug delivery systems
Biotechnology
➢ DNA sequencing chips, Micro total analysis system (μTAS)
IT-peripherals and wireless
➢ Precision servo, shock sensors for HDD, new data storage mechanisms
微电子机械系统工程导论 An Introduction to MicroElectro-Mechanical Systems
Engineering
主讲人：尚金堂
东南大学MEMS教育部重点实验室 jshang@seu.edu.cn 13913869603
1
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。
21
MEMS 系统
22
MEMS的尺度
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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
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1.1 MEMS的发展史
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
2
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
Simulation of thermal actuator
Etch rate diagram of silicon
ANTENNAS & FILTERS
其它MEMS 传感器1
MEMS
基板
其它MEMS 传感器2
高密度I/O
预留高 速接口
3D ICs 存储单元
电源/电池模块 供电模块
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
三、 SEU-MEMS相关基础
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 …
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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
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.
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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
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MEMS的发展史（续4）
New Microfabrication Capabilities
☆ “New” Materials (glass, plastic, metals, magnetic materials, etc…)
☆ Microfabrication Processes (DRIE, XeF2 ) ☆ High Aspect Ratio (LIGA, DRIE, etc.)
New Needs
基板上50微米的通孔
IEEE MEMS 2015, Accepted; ICEPT 2012； IEEE ECTC 2009； 中国专利
三、 SEU-MEMS相关基础
硬件条件基础
激光钻孔设备
基板工艺线
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
Mechanical Material”
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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
三、 SEU-MEMS相关基础
技术基础-1：微型铷腔量产技术
5mm
圆片级玻璃微腔 (6英寸)
• 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
技术基础-1：微型铷腔量产技术
MEMS加速度计 陀螺仪 压力传感器
磁传感器
麦克风
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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%)
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第一章、绪论
MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) – The acronym first used in the late 1980’s.
30 230
90
32 74 80
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
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本课教材和内容
教材: 微机电系统基础/Chang Liu著，黄庆安译，
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
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课程内容安排-2
研讨教学
研讨教学初步方案(5次课)：
????
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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、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。
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MEMS的发展史（续1）
• 尺寸可调(几百微米-几毫米) • 圆片级制备
• IEEE Transactions on CPMT，2013； • IEEE ECTC，2012
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）
薄芯板的通孔结构 (30-50um)
超薄柔性基板示意图
• 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；
– Other names: Microsystems (Europe), – Micromachines (Japan)
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MEMS的精确定义
A microsystem is an intelligent miniaturized system comprising sensing, processing and/or actuating functions
☆ Standardization, CAD, Foundries
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MEMS的发展史（续5）
MEMS的主要应用领域
Read/Write head for magnetic storage Ink Jet heads Automotive
➢ Accelerometers, force/torque sensors, pressure sensors
技术基础
技术基础-1：微型碱金属腔制备技术
自行研制的微型碱金属腔照片
碱金属腔光谱测试图
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
• 中国专利； • IEEE EPTC，2013； • IEEE ECTC2014，Travel Award；ECTC 2015 Accepted.