《微系统设计》PPT课件

Lab on a Chip
安捷仑公司的Bioanalyzer 样品处理、分离、检测、分析集成于一体
Major Barriers in MEMS Development：



Lack of MEMS “foundry facilities” that allow industries to design and fabricate their products to fully take advantages of MEMS. Material processing technology—forming extremely small scale sturctures by using nano-materials and functional materials. MEMS material properties characterization—Mechanical properties, reliability, bio-compatiblities. Integration—MEMS packaging that differ from IT industry.
• 光刻 • 薄膜加工 • 结构成型
4. 力学设计
• 力学设计的目的主要是确定微系统在正常操作和系统 过载的情况下受到特定载荷的结构完整性和可靠性。 • 常见的负载
▫ 集中力、分布力、动态或者惯性力、热应力、摩擦力
• MEMS中常见的力
▫ 范德华力 ▫ 静电力 ▫ 压电导致的表面力 （机械变形－>力）
• 成本
▫ 材料和加工方法的选择
• 材料的基本性能（力学、热学、化学、光学、电 2.2 材料选择 学等） • 材料的功能特性、价格 • 材料的可加工性（加工方法、加工范围、加工能 力等）
• 基底材料
▫ 硅Si、砷化镓GaAs、石英、聚合物（有机玻璃PMMA、聚碳酸酯 PC、聚苯乙烯 PS、聚酰亚胺PI ）
紫外曝光 后烘坚膜 黏附层制作 Lift-Off工艺 UV光刻工艺 热压键合工艺
烘 胶
紫外曝光 显 影
钻 孔
紫外曝光 后 烘 显 影 坚 膜
紫外曝光 溅射镀膜 显影去胶
等离子体处理 真空热压键合
等离子体处理 键合后的CE芯片样机
芯片的批量化制作工艺
1.曝光 2.电镀
UV－LIGA工艺 制作镍模具 热压模法制 作微管道
• MEMS中力分析的特点
▫ 和微加工工艺密切相关，例如各种薄膜的制备、压铸塑铸结构件、微电铸 应力 ▫ 受到微尺度效应影响，材料的本构定律以及本构方程可能会发生变化
5. 有限元方法
• FEA分析的一般步骤
▫ ▫ ▫ ▫ ▫ ▫ ▫ 确定所分析问题的基本模型和基本方程 建模 网格划分 材料属性和边界条件指定 求解条件指定 求解 后处理
The Design of MEMS
• 系统设计不是单个部分设计的简单组合
▫ ▫ ▫ ▫ 器件工作原理 器件设计 器件制造方法 产品的结构完整性和可靠性
• 微系统设计和通常机械工程设计的不同
• 微系统设计的主要任务
▫ 需要针对现有的微细加工工艺进行设计整合 ▫ 工艺流程设计 ▫ 机电和结构设计 ▫ 器件封装和测试等设计验证
2. General Design Methodology 初始设计
设计约束 材料选择 制造工艺 概念设计 设计分析 设计确认 投片、测试 信号转换 机电系统 封装测试 产品设计的主要内容： •设计约束 • 材料选择 • 制造工艺 • 信号变换转换 • 机电设计 • 器件封装
产品定义
2.1 设计约束 ▫ 与同功能的产品相比，需要考虑到性能/价格比
Yining Shi等研制出了96根分离泳道的毛细管阵列电 泳芯片,在两分钟内同时分离96个pBR322样品
基因测序
芯片示意图
荧光检测
2001年2月12日，中、美、日、德、法、英等6 国科学家和美国塞莱拉公司通过ABI3700毛细 管测序仪，在短短九个月内便测序完成人类基 因组图谱（共一百四十八亿个碱基对）
Panoche Valley
An overview of the Panoche Valley site, with the RV in the distance
Life on Mars?
--- Detecting amino acids on the red planet
6.1 系统的基本描述
UV-LIGA法
样机制作
芯片的设计 直接应用到 批量制作工 艺中
微电极 键合封装
Lift-Off法
集成化 PMMA－SU8 PMMA-PMMA
热压键合法
表面改性键 合法
批量制作

微管道加工方法
腐蚀法、刻蚀法 直接光刻法 注塑、热压模法
注塑、热压模法
毛细管电泳芯片用于样品分离检测的原理
不同的样品，其电泳速度不同， 因此在分离管道中，发生分离 过程
Vep ep E
毛细管电泳芯片：在常规CE原理与技术的基础上，利用现 代微细加工技术在数平方厘米面积的芯片上制作出微管道 和其他的功能单元，通过不同的毛细管电泳微管道、反应 器、检测单元等的设计和布局，实现检测物的进样、反应、 分离和检测的微型实验装置。
变换器 电信号 信号处理
传感器信号： 机械、热、光、 声、化学等
压电、压敏电阻、电容、谐振器等 图1 传感器的信号转换
致动器： 机械、热、光、 声、化学等运动
变换器
电信号
能量供给
压电、静电、电磁、电阻加热等 图1 致动器的信号转换
2.5 机电系统
2.6 封装
3. Fabrication Processes Design
• 系统组成：高压电源、微管道、驱动电极、检测装置（光 学检测、电化学检测）
产品定义 初始设计 设计约束 材料选择 制造工艺 概念设计 设计分析 设计确认 投片、测试 信号转换 机电系统 封装测试
▫ 低成本、便携性、电极集成… 6.2 系统的初始设计 • 材料选择 ▫ 基底材料（玻璃、高聚物等） ▫ 薄膜微电极（Pt，Au等）
电泳图谱
阵列电泳芯片
96根电泳管道阵列芯片
检测装置
环境分析
电化学检测的毛细管电泳芯片
Life on Mars?
--- Detecting amino acids on the red
planet
• 外太空有生命吗？ • 生命存在的必要条件
▫ liquid water（水是生命之源） ▫ organic molecules capable of forming combinatorial polymers ▫ a redox energy source
Lift－Off工艺 制作微电极
PMMA基片上机 械加工缓冲池
芯片键合封装
PMMA表面 改性键合
电泳芯片批量化制作工艺原理
镍模具的微电铸工艺
电镀模具常见的方式
电镀方式 Plating 工艺难度 微电镀时间短、 制作简单 微电铸时间长、 制作困难 图形质量 模具使用寿命 镀层均匀性较差、镀层表 镀层与基底之间 面粗糙不均，图形质量较 得结合力差，使用 差
1. Introduction
mj89rk8o 成都
MEMS Markets
惯性元件
微流体元件:
微喷——喷墨打印头
微喷——喷墨打印头
热气泡驱动，频率达 30 kHz，分辨率达600 dpi
微光学元件DLP
mj89rk8o 成都国际快递
▫ 更短的研发周期，意味着更多的利润
• 客户需求 • 进入市场时间 • 环境条件
▫ 力学、热学、化学、电磁环境等 ▫ 需要考虑器件的热应力、应变、材料变性、信号衰退等
• 物理尺寸和重量限制
▫ 性能/体积质量比？ ▫ 特别是在一些特殊应用场合
• 应用 • 制造设备
▫ 保证器件加工质量 ▫ 减少加工周期和成本 ▫ 设备的可用性
• 设计约束
• 制造工艺选择
▫ 光刻法 ▫ 体硅工艺法 ▫ UV－LIGA法
• 信号变换
▫ 化学－>光学信号？ 电学信号？
• 机电系统设计
▫ 微流体驱动、控制特性等
• 封装
特点：多功能、快速、高效、低耗和便携性 应用：生物、化学、环境、药品、食品、医疗等领域
具有广阔的市场化前景 批量化
毛细管电泳芯片
Atacama Desert ，Chile
The Soil Pit – another soil sampling site in the Atacama Desert
The Rock Garden – one of the soil sampling sites in the Atacama Desert, Chile
MOA
• Mars Organic Analyzer (MOA) was flied to aboard NASA/s roving, robotic Mars Science Laboratory mission and/or the European Space Agency's ExoMars mission, both scheduled for launch in 2009.Two development grants from NASA totaling nearly $2.4 million。
• 功能材料
▫ 压电特性 ▫ 其他传感特性 ▫ 多孔反应特性
• 封装材料
▫ 陶瓷（氧化铝、碳化硅）、玻璃（耐热玻璃如Pyrex派勒斯、石英）、粘结剂、引 线、端板和外壳、芯片保护装置
2.3 制造工艺选择
• • • • 表面微加工 体硅微加工 LIGA、S-LIGA微加工 其他微加工
2.4
• 化学、光、热、机械能以及MEMS器件的 信号转换选择 其他物理行为和电能之间的相互转换