带你走进MEMS的世界:通信与可穿戴设备篇

通信/移动设备

智能手机简化示意图

以智能手机为主的移动设备中,应用了大量传感器以增加其智能性,提高用户体验。例如,iPhone 5采用了4个 MEMS传感器,三星Galaxy S4手机采用了八个MEMS传感器。iPhone 6 Plus使用了六轴陀螺仪&加速度计(InvenSense MPU-6700)、三轴电子罗盘(AKM AK8963C)、三轴加速度计(Bosch Sensortec BMA280),磁力计,大气压力计(Bosch Sensortec BMP280)、指纹传感器(Authen Tec的TMDR92)、距离传感器,环境光传感器(来自AMS的TSL2581 )和MEMS麦克风。iphone 6s与之类似,稍微多一些MEMS器件,例如采用了4个MEMS麦克风。除了传感器以外,MEMS也应用于智能手机的通信模块。预计将来高端智能手机将采用数十个MEMS器件以实现多模通信、智能识别、导航/定位等功能。 MEMS硬件也将成为LTE技术亮点部分,将利用MEMS天线开关和数字调谐电容器实现多频带技术。

此处主要介绍通信中较为特别的MEMS器件,主要为与射频相关MEMS器件。

通信系统中,大量不同频率的频带被使用以完成通讯功能。为了避免频带间互相干扰,滤波器是必不可少的模块。滤波器的重要参数是品质因数Q,Q越高则滤波器的频率响应曲线越尖锐,从而可以把带外的干扰滤地越干净。使用片上电感、电容实现的传统滤波器Q因数都非常小,在射频频段往往只有10左右,很难做到干净的滤波。表面声波(SAW)滤波器曾是手机天线双工器的中流砥柱,因为它可以实现Q>1000。然而,声表面波器件作为一种片外(off-chip)器件,与IC集成难度较大。于是,工程师们想到了用MEMS来实现体积小且容易和芯片集成的滤波器。2005年,安捷伦科技推出基于MEMS体声波(BAW)谐振器的频率器件(滤波器),该技术能够节省四分之三的空间。BAW器件不同于其他MEMS的地方在于BAW没有运动部件,主要通过体积膨胀与收缩实现其功能。(另外一个非位移式MEMS典型例子是依靠材料属性变化的MEMS器件,例如基于相变材料的开关,加入不同电压可以使材料发生相变,分别为低阻和高阻状态,详见后续开关专题)。

在此值得一提的事,安华高Avago(前安捷伦半导体事业部)卖的如火如荼的薄膜腔声谐振器(FBAR)( film bulk acoustic-wave resonator, 也有free standing的说法,这也是前段时间天津大学引发中美知识产权争议的东西)。得益于AlN氮化铝压电材料的沉积技术的巨大进步,AlN FBAR已经被运用在iphone上作为重要滤波器组件。下图为FBAR和为SMR (Solidly Mounted Resonator)。其原理主要通过固体声波在上下表面反射形成谐振腔,因此当射频信号的频率与谐振腔的谐振频率相同时可以顺利通过滤波器,反之则幅度会被滤波器极大地衰减。


FBAR示意图,压电薄膜悬空在腔体上


SMR示意图(非悬空结构,采用Bragg reflector布拉格反射层) 


SMR声波能量幅度示意图

SMR声波能量幅度示意图中的红色线条表示震动幅度。固体声波在垂直方向发生反射,从而将能量集中于中间橙色的压电层中。顶部是与空气的交界面,接近于100%反射。底部是其与布拉格反射层的界面,无法达到完美反射,因此部分能量向下泄露。


实物FBAR扫描电镜图。故意将其设计成不平行多边形是为了避免水平方向水平方向反射导致的谐振,如果水平方向有谐振则会形成杂波。


消除杂波前后等效导纳(即阻抗倒数,或者简单理解为电阻值倒数)特性对比。消除杂波后其特性曲线更平滑,效率更高,损耗更小,所形成的滤波器在同频带内的纹波更小。


若干FBAR连接起来形成滤波器。右图为封装好后的FBAR滤波器芯片及米粒对比,该滤波器比米粒还要小上许多。
可穿戴/植入式领域


用户与物联网

可穿戴/植入式MEMS属于物联网IoT重要一部分,主要功能是通过一种更便携、快速、友好的方式(目前大部分精度达不到大型外置仪器的水平)直接向用户提供信息。可穿戴/应该说是最受用户关注,最感兴趣的话题了。大部分用户对汽车、打印机内的MEMS无感,这些器件与用户中间经过了数层中介。但是可穿戴/直接与用户接触,提升消费者科技感,更受年轻用户喜爱,例子可见Fitbit等健身手环。该领域最重要的主要有三大块:消费、健康及工业,我们在此主要讨论更受关注的前两者。消费领域的产品包含之前提到的健身手环,还有智能手表等。健康领域,即医疗领域,主要包括诊断,治疗,监测和护理。比如助听、指标检测(如血压、血糖水平),体态监测。MEMS几乎可以实现人体所有感官功能,包括视觉、听觉、味觉、嗅觉(如Honeywell电子鼻)、触觉等,各类健康指标可通过结合MEMS与生物化学进行监测。MEMS的采样精度,速度,适用性都可以达到较高水平,同时由于其体积优势可直接植入人体,是医疗辅助设备中关键的组成部分。


传统大型医疗器械优势明显,精度高,但价格昂贵,普及难度较大,且一般一台设备只完成单一功能。相比之下,某些医疗目标可以通过MEMS技术,利用其体积小的优势,深入接触测量目标,在达到一定的精度下,降低成本,完成多重功能的整合。以所了解过的一些项目为例,通过MEMS传感器对体内某些指标进行测量,同时MEMS执行器(actuator)可直接作用于器官或病变组织进行更直接的治疗,同时系统可以通过MEMS能量收集器进行供电,多组单元可以通过MEMS通信器进行信息传输。个人认为,MEMS医疗前景广阔,不过离成熟运用还有不短的距离,尤其考虑到技术难度,可靠性,人体安全等。



MEMS实现人体感官功能

可穿戴设备中最著名,流行的便数苹果手表了,其实苹果手表和苹果手机的结构已经非常相似了,处理器、存储单元、通信单元、(MEMS)传感器单元等,因此对此不在赘叙。

苹果手表示意图

产业硬件芯片工程
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