带你走进MEMS的世界 (一)


放大后一根头发丝(0.05毫米 )对比 

1写在前面的话

大家好,我是阿hong,现在在美国念博士,对智能硬件,物联网,可穿戴/植入,传感器等高新科技感兴趣的同学欢迎关注阿hong的知乎专栏(微机电系统(MEMS)),解读各类高科技产品(谷歌智能眼镜、自动驾驶汽车,VR/AR等等酷炫科技)。虽然大部分人对于MEMS(Microelectromechanical systems, 微机电系统/微机械/微系统)还是感到很陌生,但是其实MEMS在我们生产,甚至生活中早已无处不在了,智能手机,健身手环、打印机、汽车、无人机以及VR/AR头戴式设备,部分早期和几乎所有近期电子产品都应用了MEMS器件。

MEMS是一门综合学科,学科交叉现象极其明显,主要涉及微加工技术,机械学/固体声波理论,热流理论,电子学,生物学等等。MEMS器件的特征长度从1毫米到1微米,相比之下头发的直径大约是50微米。MEMS传感器主要优点是体积小、重量轻、功耗低、可靠性高、灵敏度高、易于集成等,是微型传感器的主力军,正在逐渐取代传统机械传感器,在各个领域几乎都有研究,不论是消费电子产品、汽车工业、甚至航空航天、机械、化工及医药等各领域。常见产品有压力传感器,加速度计,陀螺,静电致动光投影显示器,DNA扩增微系统,催化传感器。

MEMS的快速发展是基于MEMS之前已经相当成熟的微电子技术、集成电路技术及其加工工艺。 MEMS往往会采用常见的机械零件和工具所对应微观模拟元件,例如它们可能包含通道、孔、悬臂、膜、腔以及其它结构。然而,MEMS器件加工技术并非机械式。相反,它们采用类似于集成电路批处理式的微制造技术。批量制造能显著降低大规模生产的成本。若单个MEMS传感器芯片面积为5 mm x 5 mm,则一个8英寸(直径20厘米)硅片(wafer)可切割出约1000个MEMS传感器芯片,分摊到每个芯片的成本则可大幅度降低。因此MEMS商业化的工程除了提高产品本身性能、可靠性外,还有很多工作集中于扩大加工硅片半径(切割出更多芯片),减少工艺步骤总数,以及尽可能地缩传感器大小。

图1 8英寸硅片上的MEMS芯片(5mm X 5mm)示意图

图2 从硅原料到硅片过程。硅片上的重复单元可称为芯片(chip 或die)。

(流程视频:http://www.computerhistory.org/revolution/digital-logic/12/288https://www.youtube.com/watch?v=UvluuAIiA50

2MEMS + CMOS

MEMS需要专门的电子电路IC进行采样或驱动,一般分别制造好MEMS和IC集成在同一个封装内可以简化工艺,如图3(这也是摩尔定律何去何从之二:More Moore or More Than Moore?中提到的高级封装技术的一个典型应用)。不过具有集成可能性是MEMS技术的另一个优点。正如之前提到的,MEMS和ASIC (专用集成电路)采用相似的工艺,因此具有极大地潜力将二者集成,MEMS结构可以更容易地与微电子集成。然而,集成二者难度还是非常大,主要考虑因素是如何在制造MEMS保证IC部分的完整性。例如,部分MEMS器件需要高温工艺,而高温工艺将会破坏IC的电学特性,甚至熔化集成电路中低熔点材料。MEMS常用的压电材料氮化铝由于其低温沉积技术,因为成为一种广泛使用post-CMOS compatible(后CMOS兼容)材料。虽然难度很大,但正在逐步实现。与此同时,许多制造商已经采用了混合方法来创造成功商用并具备成本效益的MEMS 产品。一个成功的例子是ADXL203,图4。ADXL203是完整的高精度、低功耗、单轴/双轴加速度计,提供经过信号调理的电压输出,所有功能(MEMS & IC)均集成于一个单芯片中。这些器件的满量程加速度测量范围为±1.7 g,既可以测量动态加速度(例如振动),也可以测量静态加速度(例如重力)。

图3. MEMS与IC在不同的硅片上制造好了再粘合在同一个封装内

图4. ADXL203(单片集成了MEMS与IC)

后续文章将针对MEMS的各类应用进行详细讲解。敬请期待!


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