一文读懂MEMS

MEMS具有广泛的功能,包括在光学,音频,无线电,流体学和其他物理现象等领域用作传感器,致动器,开关和能源。

  一、什么是MEMS?

  常规全尺寸机械和电气组件的微观版本正在制造中,并组合成微小的包装,从而使智能手机,可穿戴电子设备和汽车能够完成出色的工作。这就是微机电系统(MEMS)的世界。

MEMS陀螺仪

  MEMS陀螺仪

  根据应用和地理位置的不同,MEMS可能用其他术语来指代,包括微机(日本),微系统(欧洲),微流体,芯片实验室,生物MEMS,RF MEMS和光学MEMS(或MOEMS)。 

  尽管以类似于半导体或集成电路的方式制造,但MEMS的不同之处在于它们具有某种机械功能,允许设备与其周围环境相互作用。一些MEMS集成了运动部件(例如悬臂,弹簧或压敏膜片),而其他则没有(RF滤波器,BAW滤波器,光子学和光具座)。

MEMS

  微观结构最早是在1960年代提出的。1970年代带来了几项关键的进展,包括第一个微处理器,批量蚀刻的硅片和第一个微加工的喷墨喷嘴。1982年,库尔特·彼得森(Kurt Petersen)吹捧硅的机械性能,称其为“一种高精度,高强度,高可靠性的机械材料,特别适用于必须将小型机械设备和部件与电子设备集成或接口的情况。” 在1990年代,各种类型的MEMS迅速扩展(包括第一个加速度计),并且不断增长的MEMS设计和制造基础设施将批量生产的设备推向了商业可行性。光学和生物MEMS出现于2000年代,如今,许多类别的MEMS出现了广泛的扩散。

MEMS

  二、MEMS应用

  MEMS具有广泛的功能,包括在光学,音频,无线电,流体学和其他物理现象等领域用作传感器,致动器,开关和能源。

  一些更常见和引人注目的用途是:

  惯性传感器

  惯性传感器包括单独使用或组合使用的加速度计和陀螺仪。加速度计通常使用弹簧上的质量来检测惯性力,从而测量直线加速度。陀螺仪检测旋转或角度变化。MEMS陀螺仪通常使用成对的物体,像音叉一样振动:当振动的物体旋转时,由于科里奥利效应,当质量从平面移出时,会产生可测量的力。大量的惯性传感器可作为安全气囊和主动安全带的触发器,为汽车安全提供支持。还发现惯性传感器可检测智能手机,惯性导航系统和车辆稳定性控制系统中的运动和方向。

  压力传感器

  MEMS压力传感器将硅薄膜一侧的气体或液体压力与另一侧的设定参考压力或环境压力进行比较。有几种不同的压力传感器技术,如压阻式、电容式和感应式。例如,压阻式压力传感器检测由压力差引起的应变,该压力差导致隔膜材料的电阻发生可测量的变化。这些技术为各种应用提供了选择,包括汽车(发动机性能控制、胎压监测)、医疗设备(血压和呼吸监测)和无人机(高度计)。

  磁传感器

  磁传感器(或磁力计)使用洛伦兹力确定磁场的强度和方向,洛伦兹力在回路电流通过磁场时会感觉到。该力使环弯曲成与电场强度成比例,并且可以通过电子或光学方式检测这些运动。MEMS磁传感器用于电子罗盘,车辆(防抱死制动,巡航控制)和安全系统等领域。

  微镜

  MEMS微镜由位于枢轴上的微镜组成。反射镜通常设置成阵列,其中中心到中心的间距可以小到五到十微米。使用电磁或静电致动,通常可以打开或关闭(将光反射到散热器上)每个反射镜的位置(允许光流出到某个目的地)。可以通过使反光镜颤动来改变打开位置所花费的时间,从而达到中等亮度。微镜是遍布全国许多会议室和数字电影院的数字投影仪的关键。MEMS反射镜还用于激光束转向(例如,在LiDAR中)和光纤通信中的开关。

  微型泵

  微型泵的最早且最广为人知的用途是喷墨技术。一个空的空腔位于打印头中每个喷嘴的后面。墨水流入空腔,当被微小的加热元件加热时,墨水会从喷嘴喷到等待的纸张上。自动化的药物输送系统通常也使用微型泵。

MEMS应用

MEMS应用

  三、MEMS的制造方式

  MEMS器件和集成电路(IC)芯片是通过类似的过程制造的。两者都始于基础衬底晶圆(通常是硅或玻璃),然后通过后续步骤进行构建和雕刻:

  •   通过沉积添加材料层,

  •   通过掩模和光刻对表面进行图案化,以及

  •   通过蚀刻减去不需要的部分。



MEMS的制造方式

  MEMS工艺与IC有四个关键方面的区别:首先,MEMS采用了更多种沉积材料,例如压电材料(例如钽酸锂,铌酸锂和PZT)和贵金属电极层(例如金和银)。其次,要产生复杂的三维结构,MEMS制造需要更广泛的处理步骤,包括深反应离子刻蚀(导致接近垂直的侧壁),晶圆级封装以及沉积可能小于一微米厚。第三,MEMS微结构的成形既发生在沉积层内又发生在基板内。

  第四,对于MEMS工艺,物理世界中的测试与数字世界中的测试一样多。大多数IC芯片只需要接收电流即可确定其数字输出通过还是失败。另一方面,使MEMS感测物理参数或与物理参数相互作用。因此,MEMS的测试协议比IC芯片的测试协议更加复杂。加速度计和陀螺仪必须移动,微镜必须在光源下致动,并且压力传感器需要施加物理压力。

  四、MEMS的优势

  不管制造和测试的复杂性如何,MEMS相对于其较大的宏观等效物都具有若干关键优势。

  尺寸是最明显的好处。MEMS可以安装在全尺寸组件无法安装的位置。没有这些微型机器,智能手机和电子可穿戴设备就不会成为日常生活中必不可少的部分。自动驾驶汽车将充满大量传感器。某些现代工具和产品将根本不存在。

  MEMS 速度很快。组件之间的电气距离很短,缩短了响应时间。很小的运动部件行进的距离更短,并且可以获得更高的频率。

  MEMS所产生的性能和精度水平是传统全尺寸组件所无法达到的(例如,损耗大大降低,灵敏度调整为更小数量)。

  由于功耗仅是传统组件的一小部分,因此对便携式产品电池的需求就大大减少了。

  MEMS具有很高的可靠性。硅材料可以承受很少的疲劳而反复弯曲,并且在不可思议的循环次数下可以提供非常长的使用寿命。

  尽管前期研究,设计和设置成本可能很高,但使用类似于IC行业的批处理技术可扩展的批量生产导致MEMS 的单位成本非常低。

  结语

  MEMS已在当今的工业和电子世界中站稳了脚跟,并准备在明天的创新中扮演更加重要的角色。这些微型组件可在更广泛的应用程序中发挥广泛的功能。它们的尺寸,速度,可靠性和低成本提供了巨大的价值,而5G通信,IoT传感,生物芯片和自动驾驶汽车等领域的革命将确保在可预见的未来实现指数级增长。

  作者: 史蒂夫

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