第 10 章 微系统设计 中国科学技术大学精密机械与精密仪器系 2007 年 6 月 Tel/Fax: 研究生课程：微系统技术基础 (PI05203) 课程主页 : 课程主页 : (IPv4) (IPv6)

Outline Introduction General Design Methodology Fabrication Processes Design Model design and Analysis FEM Analysis Computer Aided Design MEMS Design Sample

1. Introduction

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

安捷仑公司的 Bioanalyzer 样品处理、分离、检测、分析集成于一体 Lab on a Chip

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.

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  需要针对现有的微细加工工艺进行设计整合 微系统设计的主要任务  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 产品定义 初始设计 材料选择设计约束 制造工艺信号转换机电系统封装测试 概念设计 设计分析 设计确认 投片、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

2.1 设计约束 客户需求 进入市场时间  与同功能的产品相比，需要考虑到性能 / 价格比  更短的研发周期，意味着更多的利润 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 成本  材料和加工方法的选择

2.2 材料选择 材料的基本性能（力学、热学、化学、光学、 电学等） 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 ） 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 信号转换选择 化学、光、热、机械能以及 MEMS 器件的其 他物理行为和电能之间的相互转换 变换器 电信号信号处理 传感器信号： 机械、热、光、 声、化学等 变换器 电信号能量供给 致动器： 机械、热、光、 声、化学等运动 图 1 传感器的信号转换 图 1 致动器的信号转换 压电、压敏电阻、电容、谐振器等 压电、静电、电磁、电阻加热等

2.5 机电系统

2.6 封装

3. Fabrication Processes Design 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） 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 FEA 分析结果的检验

Lab on Chip 6. MEMS Design Sample

毛细管电泳网络系统 电渗 在外加电场作用下体相 溶液朝着一个方向运动 的现象 电泳是在电场作用下带电粒 子的定向移动 电泳 毛细管电泳的基本原理

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 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。 毛细管电泳芯片用于样品分离检测的原理

毛细管电泳芯片和常规电泳仪的比较 液体驱动方式  电渗驱动 VS 压力驱动 管道长度  ～ 10cm VS ～ 70cm 驱动电压（场强）  200V/cm VS 30kV 检测方式  方法多样 VS 光学 体积  体积小、便携性好 VS 体积庞大 检测效率（并行）  数分钟、可并行 VS 几十分钟 样品需求量  需求量小 VS 需求量大 价格  低成本 VS 产品成熟度

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 芯片示意图荧光检测 电泳图谱 基因测序 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）

96 根电泳管道阵列芯片检测装置 阵列电泳芯片

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 火星上可能存在水  通过穆斯堡尔谱探测发现到有黄钾铁矾盐，这只能在有水的 条件下形成  “ 机遇号 ”(Opportunity) 火星探测器探测到可能是由于水流冲 击行程的痕迹

氨基酸在生命科学中的地位  氨基酸和核苷酸是动植物体内普遍存在和最最重要 的两种生物小分子，它们是建造生命大厦的砖块和 石头。  目前地球上的氨基酸全部是左旋手性的，具有可以 合成为蛋白质的特性。右旋的氨基酸存在于外太空。 如果能够探测到火星上的氨基酸呈现左旋特性，则 可以证明这些氨基酸是来之具有生命存在的星球。 目前陨石中发现的氨基酸都是消光旋特性的，即左 旋和右旋基本一致。

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 。

Atacama Desert ， Chile The Rock Garden – one of the soil sampling sites in the Atacama Desert, Chile The Soil Pit – another soil sampling site in the Atacama Desert

An overview of the Panoche Valley site, with the RV in the distance Panoche Valley

Life on Mars? --- Detecting amino acids on the red planet

6.1 系统的基本描述 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 材料选择设计约束 制造工艺信号转换机电系统封装测试 概念设计 设计分析 设计确认 投片、测试

6.2 系统的初始设计 设计约束  低成本、便携性、电极集成 … 材料选择  基底材料（玻璃、高聚物等）  薄膜微电极（ Pt ， Au 等） 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

毛细管电泳芯片 材料 检测 加工 石英、玻璃 PDMS PMMA 光学检测 电化学检测 质谱检测 微管道 驱动电极 键合封装 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 集成化 便携化 质量高

6.3 设计分析 芯片结构设计 原型样机制作 测试检验 是否符合要求 批量化制作 否 加工和工艺设计 芯片批量化制作工艺研究流程

电泳芯片制作方法 短周期，单件 周期长，批量化 集成化 PMMA － SU8 PMMA-PMMA 光刻法 UV-LIGA 法 Lift-Off 法 热压键合法 表面改性键 合法 微管道 微电极 键合封装 样机制作 批量制作 芯片的设计 直接应用到 批量制作工 艺中

 微管道加工方法 腐蚀法、刻蚀法  腐蚀法、刻蚀法 直接光刻法  直接光刻法  注塑、热压模法

注塑、热压模法 镍模具电镜图 PMMA 微管道电镜图

(1) 在真空热压模设备中进 行 PMMA 的热压键合 热压键合封装

电泳芯片原型样机的制作示意图 工艺难点： 1 ）金属微电极在 PMMA 基底上的黏附性； 2 ） PMMA 基底透光性对曝光的影响

电泳芯片原型样机制作的工艺流程图 PMMA 基片处理 涂 胶 前 烘 紫外曝光 后烘坚膜 涂 胶 烘 胶 紫外曝光 显 影 紫外曝光 溅射镀膜 显影去胶 涂 胶 前 烘 紫外曝光 后 烘 显 影 坚 膜 等离子体处理 钻 孔 等离子体处理 真空热压键合 键合后的 CE 芯片样机 Lift-Off 工艺 黏附层制作 UV 光刻工艺 热压键合工艺

芯片的批量化制作工艺 Lift － Off 工艺 制作微电极 UV － LIGA 工艺 制作镍模具 PMMA 基片上机 械加工缓冲池 热压模法制 作微管道 芯片键合封装 电泳芯片批量化制作工艺原理 1. 曝光 2. 电镀 PMMA 表 面改性键 合

镍模具的微电铸工艺 电镀模具常见的方式

镍模具的微电铸工艺 Si 第二次溅射镀膜示意图 L 掩模 导电层光刻胶 Part III 电泳芯片的制作工艺及研究 对于毛细管电泳芯片制作 工艺中， R>100

设计的镍模具制作工艺

批量化制作工艺流程图 基片处理 溅射镀膜 涂 胶 前 烘 紫外曝光 后 烘 显 影 溅射镀膜 微电铸 去 胶 镍模具 热压模 PMMA 基片处理 钻 孔 涂 胶 烘 胶 紫外曝光 显 影 紫外曝光 溅射镀膜 等离子体处理 PMMA 表面处理 微电极基底微管道基底 真空热压键合 键合后的 CE 芯片 Lift-Off 工艺 UV-LIGA 工艺 PMMA 改性键合工艺

系统设计 微流体的特性及控制 直角弯道管道对微流体速度的影响 圆角弯道管道对微流体速度的影响

十字交叉口处微流体的特性 进样时样品向分离通道扩散需 要进电动控制来抑制

工作电极离管道出口 的距离不能太远

电动进样和分离驱动模拟 微管道内部电场： 双电层产生的电场 外加高压驱动电场 双电层示意图 双电层厚度 < 1nm 超额电荷分布 ~100mV

双电层引起的电场电势分布： 电荷分布： 电场作用下流体的运动方程： 微管道内的流体、电场耦合场

壁面电荷对管道内电场分布的影响 k=1000 管道宽度 h=1um k=50000 管道宽度 h=50um k=20 h=20nm k=50 h=50nm k=100 h=100nm k=1000 h=1um 电势电势 管道宽度 数十微米以上宽度的微管道 中，双电层的影响基本可以 忽略不及

不同驱动电压对电动进样的影响 GND 电动进样过程中， 样品的扩散可以 通过电动控制来 抑制

芯片的主要设计参数 微管道  宽度 50 微米, 深度 50~100 微米  长度 3~10 厘米 微电极  工作电极宽度 50 微米  工组电极离管道出口处距离 50~100 微米

信号转换 电化学检测  电压正向扫描时，在电极上发生氧化 :  电压反向扫描时，在电极上发生还原 : 微电极在标准铁氰化钾溶液中循环 伏安法电压信号示意图 微电极在铁氰化钾标准溶 液中的氧化还原曲线图

PMMA 微管道显微镜 CCD 图 封装后的电泳芯片