微機電系統(MEMS)技術

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  在不到20年的時間里,微機電系統(MEMS)技術已經從一個有趣的學術實踐變成了許多常見產品的組成部分。但與大多數新技術一樣,MEMS技術的實際實施也需要一段時間。本文介紹了設計成功的MEMS產品(ADXL2O2E)所面臨的設計挑戰。

  

  在早期的MEMS系統中,采用了一片傳感元件(MEMS結構)和另一片芯片上的信號調理電子學的多芯片方法。雖然從過程的角度來看,這種方法比較簡單,但它有許多缺點:

  

  *整體硅面積一般較大。

  

  *多芯片??樾枰鍆獾淖樽安街?。

  

  *多芯片組件的產量一般較低。

  

  *需要來自傳感器的較大信號來克服芯片到芯片互連的雜散電容,而雜散場需要更大的傳感器結構。

  

  *通常需要更大的封裝來容納雙芯片結構。

  

  當然,歷史告訴我們,集成是最具成本效益和高性能的解決方案。因此,模擬器件采用一種集成的方式來實現MEMS,其中傳感器和信號調理電子都在一個芯片上。


圖1

  最新一代的ADXL2O2E是近幾十年來制造集成MEMS加速度計的經驗的結果。它是世界上最小的量產,低克,低成本,集成MEMS雙軸加速度計.

  

  圖1顯示了ADXL2O2E的機械結構以及圖2中的一些關鍵尺寸。


 

圖2

  多晶硅彈簧將MEMS結構懸掛在襯底上,這樣傳感器的主體(也稱為證明質量)可以在X和Y軸上移動。加速度導致驗證質量偏離其中心位置。四面的正方形證明質量是32套徑向手指。

  

  這些手指位于固定在基板上的板之間。每根手指和一對固定板組成一個差動電容,通過測量差動電容來確定驗證質量的偏轉。

  

  該傳感方法具有動態加速度(即沖擊或振動)和靜態加速度(即傾斜或重力)的能力。

  

  采用同步調制/解調技術測量差動電容。放大后,X和Y軸加速度信號分別經過32 KOhm電阻到輸出引腳(CX和Cy)和占空比調制器(總體結構見圖3中的框圖)。用戶可以通過在CX和Cy引腳處添加電容器來限制帶寬,從而降低噪聲地板。

  

  輸出信號電壓與加速度成正比,脈寬調制(PWM)與加速度成正比.使用PWM輸出,用戶可以使用計數器直接將ADXL2O2接口到微控制器的數字輸入端來解碼PWM。


 

圖3

  MEMS設計面臨的挑戰

  

  微觀機械系統的機械設計,甚至是簡單的系統,首先需要了解所使用的各種元素的力學行為。雖然機械動力學的基本規則在小型化的世界中仍然遵循,但這些結構中使用的許多材料都沒有很好的機械特性。例如,大多數MEMS系統使用多晶硅來建造機械結構。多晶硅是IC世界中一種常見的材料,與IC制造工藝兼容。

  

  直到最近,人們還沒有做多少工作來充分了解多晶硅的力學性能。此外,在微觀世界中,許多材料的力學性能也發生了變化。再一次,多晶硅就是一個很好的例子。在宏觀世界中,它很少被用作機械元件。它太脆、太脆弱,除了微小的機械偏轉外,其他都承受不了。但在極小的移動MEMS結構(不到幾個下午),它被證明是一個幾乎理想的材料。

  

  MEMS傳感器的電子設計具有很大的挑戰性。大多數MEMS傳感器(包括ADXL2O2E)的機械系統都是為了實現可變電容器而設計的。電子學用于將可變電容轉換為可變電壓或電流,放大,線性化,在某些情況下,溫度補償信號。這是一項具有挑戰性的任務,因為所涉及的信號非常微小。

  

  例如,在ADXL2O2E的情況下,最小的可分辨信號約為2OzF,這是在一個共模信號之上的幾個數量級以上!當然,由于成本原因,電子產品必須同時盡可能緊湊。

  

  綜合辦法提出了進一步的挑戰。許多改進機械結構的標準生產步驟使電子產品退化,反之亦然。例如,通常的方法扁平多晶硅機械結構是退火(其中結構暴露在受控的高溫)。雖然退火過程有利于機械結構,但它可以降解或破壞用于信號調理電子學的BiMOS晶體管。因此,必須設計兼容的機械和電子加工方法。

  

  MEMS設計的另一個障礙是沒有標準的設計軟件。現代集成電路很少是手工設計的。利用復雜的CAD和仿真軟件幫助設計和優化設計人員的概念。

  

  MEMS設計軟件還處于起步階段,大多數MEMS制造商都開發了部分或全部的CAD和仿真軟件,以滿足他們的特殊需求。

  

  制造工藝設計的挑戰也許是最大的挑戰。必須設計制造三維MEMS結構的技術.化學蝕刻和溝槽刻蝕可以用來“切割”固體多晶硅的結構,但必須使用額外的工藝步驟來去除圖案多晶硅下面的材料,使其能夠自由移動。

  

  由于MEMS結構的運動部件,標準的注塑模IC封裝不能使用。在移動MEMS結構周圍必須保持某種類型的腔。因此,可供選擇的低成本的空腔包裝被開發出來。

  

  此外,該包裝還必須是機械穩定的,因為外部機械應力可能導致輸出變化。

  

  即使是普通的任務,如將晶片切割成單一模具,也變得復雜起來。在標準集成電路中,鋸切過程產生的顆粒殘渣不影響IC。在移動的MEMS結構中,這些粒子會破壞一個裝置。

  

  用戶挑戰

  

  像幾乎所有的電子設備一樣,MEMS傳感器沒有表現出理想的行為。雖然大多數設計師已經學會了如何處理運算放大器和晶體管的非理想行為,但很少有人學習用于補償非理想微機電系統行為的設計技術。在大多數情況下,教科書或課程中沒有這類信息,因為這種技術很新。因此,一般來說,設計師必須從MEMS制造商那里獲得這類信息。

  

  例如,模擬設備維護一個網站,提供設計工具、參考設計和數十個特定于其MEMS加速度計的應用說明,以方便用戶工作。

  

  結語

  

  與所有新技術一樣,MEMS器件的設計者和用戶都有一個學習曲線需要克服。這一努力是值得的,因為最新一代MEMS器件高性能和低成本已使創新的新產品在數十個市場。

  

  理解MEMS

  

  MEMS技術是傳感器市場上的一顆新星。然而,圍繞它們的能力存在許多誤解,傳統的傳感器繼續滿足更廣泛的應用范圍。Sherborne傳感器公司的JesseBonfeld研究了MEMS制造、微系統和MEMS器件的發展過程,以及它們對傳感器市場的影響。

  

  微機電系統(MEMS)既描述了一種設備或傳感器,也描述了一種制造過程。MEMS傳感器采用微型機械結構的微型器件,通常從1到100米(大約人類頭發的厚度)不等,而MEMS制造工藝則提供了一種替代傳統的宏觀加工和裝配技術的方法。

  

  微機電系統在歐洲也被稱為“微系統”,在日本被稱為“微機械”,近年來,隨著汽車工業廣泛采用微機械運動傳感器,以及加速度計和陀螺儀在消費電子產品中的應用越來越多,微機械器件已成為人們關注的焦點。也許最著名的消費電子包括MEMS運動傳感器,包括一些領先的智能手機,游戲控制臺/控制器。

  

  微型機器的興起

  

  MEMS傳感器將電氣和機械元件組合在一塊芯片上或上面,也就是說,它們是機電傳感器。以這種方式,MEMS傳感器在光譜的一端表示連續的橋接電子傳感器,而在另一端表示機械傳感器。然而,MEMS傳感器的關鍵標準是,通常有一些具有機械功能的元件-即能夠拉伸、偏轉、旋轉或振動的元件。

  

  MEMS的發展來源于微電子工業,并將集成電路(IC)加工的傳統技術與MEMS專用工藝相結合和擴展,以產生千分尺(百萬分之一米)測量的小型機械結構。與集成電路制造一樣,大多數MEMS傳感器都是用硅(Si)晶片制造的,其中薄薄的一層材料被沉積在Si基片上,然后選擇性地蝕刻掉,留下微觀的三維結構,如光束、橫膈膜、齒輪、杠桿或彈簧。這種被稱為“塊狀微機械加工”的工藝在1970年代末和1980年代初被商業化,但后來發展了許多其他蝕刻和微機械加工概念和技術(見方框)。

  

  第一臺微機械壓力傳感器-也就是最初所稱的“擴散式”傳感器-是由庫利特半導體公司在1960年代中期設計和制造的。壓力傳感器被稱為“壓阻式”壓力傳感器,或稱“硅電池”,壓力傳感器由微機械硅膜片和壓阻式應變計組成,這些應變計被擴散到硅或玻璃背板上。隔膜的頂部通過一個端口暴露在環境中,并在壓力差的作用下發生變形。然后將膜片變形的范圍轉換為具有代表性的電信號,該電信號出現在傳感器輸出端。

  

  微傳感器和微機電系統

  

  硅壓力傳感器的歷史被廣泛認為是微傳感器進化的代表。微傳感器是一種在亞毫米水平上至少有一個物理尺寸的傳感器,今天可以用來測量或描述環境或物理狀況,如加速度、高度、力、壓力或溫度。微加工技術也促進了微執行器的發展,微執行器是接受數據信號作為輸入,然后根據該信號作為輸出執行動作的設備。例如,用于控制氣體和液體流動的微型閥門、用于重定向或調節光束的光開關和反射鏡,以及用于開發正流體壓力的微型泵。

  

  集成電路技術和MEMS制造工藝的進步使集成了微傳感器、微執行器和微電子集成電路的商業MEMS器件能夠提供對物理環境的感知和控制。這些設備,也被稱為“微系統”或“智能傳感器”,能夠通過測量機械、熱、生物、化學、光學或磁現象從環境中收集信息。然后,IC處理這些信息并指示致動器通過移動、定位、調節、抽水或濾波來響應。任何設備或系統如果包含某種形式的MEMS制造部件,都可以被視為MEMS設備。在一個特定的微系統中,可以有任意數量的MEMS器件-從幾個到幾百萬不等。

  

  對MEMS器件的需求最初是由政府和軍事/國防部門推動的。最近,與個人電腦中使用的微芯片相關的半導體制造工藝的成熟,以及與汽車和消費電子行業巨大需求的交叉,推動了MEMS傳感器進入主流。當今的MEMS傳感器主要是加速度計、陀螺儀和壓力傳感器。

  

  創新與局限

  

  通常,MEMS技術被認為是包羅萬象的解決方案,而實際上,它們基本上仍然是一種產品,一種過程業務。一些公司自行開發和生產MEMS器件,定義為“IDMS”(集成設備制造商),而有些公司將生產外包(無工廠),而其他公司則經營這兩種模式。市場上的混亂很大程度上可以歸因于這種多樣性,以及各種垂直接口使MEMS市場難以界定的方式。

  

  在制造方面,由于市場進入成本高和封裝MEMS器件的成本高,在傳感器市場上經營的公司很少(如果有的話)提供MEMS和另一種技術。同樣,一旦一家公司承諾制造MEMS器件,由于利潤率低、開發成本高和復雜程度高,該公司很難改變重點。盡管如此,由于采用了批量制造技術,使得MEMS能夠實現大量的生產,因此每個設備的成本都非常低。

  

  對于任何MEMS制造商來說,直接向最終用戶提供產品也是非常罕見的。由于MEMS傳感器必須與外部環境相結合,將MEMS器件封裝成一個可供終端用戶直接使用的高階組件,增加了額外的復雜性,需要專門知識和專業制造設施。這種市場動態類似于半導體行業,在半導體行業中,微芯片是批量生產、包裝并交付給制造商業產品的制造商(如個人計算機)。

  

  未來傳感器的形狀

  

  MEMS技術和技術的進步意味著制造商現在能夠生產非常有能力的MEMS傳感器和設備,但許多不能直接安裝到最終的應用程序中,因為它們無法在最終組裝的苛刻條件下生存下來。相反,傳統的傳感器可以生存幾乎任何裝配過程和任何應用,但被認為是太大和太昂貴。因此,應用于商業產品的MEMS傳感器制造商所面臨的挑戰是如何考慮MEMS的價格和形狀因素,并將其封裝成能夠承受惡劣環境的東西。

  

  事實上,這是第二個層次的包裝,必須設想和理解的專業制造商前進,以實現增長潛力。今天,大多數工業創新和商業機會集中于現有MEMS器件的應用,以及將MEMS器件封裝和集成在一個可供終端用戶直接使用的系統中的新方法。

  

  隨著MEMS市場的復蘇,敏捷的原始設備制造商將決定如何將傳統的傳感器制造技術和性能能力與新興的MEMS趨勢相結合,以克服材料需求和工藝上的局限性。如果后者得到解決,那么可以想象,所有傳統的制造技術和傳感器類型都將被取代,但在可預見的將來肯定不會。

  

  具有更大力和運動范圍的MEMS執行器

  

  在微機電系統(MEMS)中,有多種力驅動方法可以用來移動結構。最常見的是靜電驅動,其中施加電勢會在表面之間產生吸引力。然而,目前的微執行器受行程依賴性的影響,無法同時獲得大的驅動力和大的驅動行程。這些執行機構通常需要將整個設備足?;蛺寤暮艽笠徊糠鐘糜誶?。此外,高電壓往往是必要的,以實現所需的力量。

  

  為了解決這些問題,弗吉尼亞大學的研究人員開發了一種基于毛細管力電控制的新型微執行器。這項技術允許在較低的電壓水平上增加力量能力。毛細管力致動器(CFA)由兩個相互平行的導電電極組成,其中至少一個電極被薄的絕緣介質層覆蓋。導電液體橋橫跨在兩個表面之間,產生一種力,這種力可以通過在電極上施加壓差來改變和控制。

  

  施加的電勢使電介質覆蓋的表面電潤濕,并減小了液體在表面的接觸角。這改變了液體橋的形狀和毛細管壓力。與其他器件不同,本設計的原理是基于介質層有效面積的增加,而不是介質厚度的減小(靜電致動器中的空氣)。因此,在毛細管力致動器中,介電厚度可以非常小,而不會對驅動行程產生不利影響。在給定的外加電壓下,這比靜電驅動產生的力要大得多。

  

  這種新的CFA技術允許很容易地實現平面外力(即與設備平面正常的力),其能力比類似大小的靜電執行機構大10-100倍。這一技術可用于廣泛的應用,可以很容易地使用現有的工藝。

  

  MEMS制造技術

  

  體微加工-將Si基片的大部分蝕刻掉,留下所需的微機械元件。

  

  晶片鍵合-允許硅基片(又稱‘晶片’)連接到另一個基板上,通常是Si或玻璃,以構造更復雜的三維微結構,如微閥和微泵。

  

  表面微加工-如果結構建在基板上而不是在基板內,則不可能使用體微機械加工來制造多組分、集成的微機械結構。

  

  微成型-使用模具來定義結構層的沉積,并在陶瓷、玻璃、金屬和聚合物等各種材料中制造高寬比3D微結構的工藝。

  

  西甲一種將厚膜電阻(大于1mm)和高能x射線光刻技術相結合的微成型工藝,能夠在各種材料中制造出高寬比的三維微結構。

  

  高寬比微加工(HAR)-將表面微機械加工和塊體微機械加工結合起來,使硅結構具有極高的縱橫比,通過厚層硅(數百納米,可達數百微米)。


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