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從原理到制造再到應(yīng)用,這篇文章終于把MEMS技術(shù)講透了!

發(fā)布時(shí)間:2018-08-03 來(lái)源:阿hong 責(zé)任編輯:wenwei

【導(dǎo)讀】雖然大部分人對(duì)于MEMS(Microelectromechanical systems,微機(jī)電系統(tǒng)/微機(jī)械/微系統(tǒng))還是感到很陌生,但是其實(shí)MEMS在我們生產(chǎn),甚至生活中早已無(wú)處不在了,智能手機(jī),健身手環(huán)、打印機(jī)、汽車(chē)、無(wú)人機(jī)以及VR/AR頭戴式設(shè)備,部分早期和幾乎所有近期電子產(chǎn)品都應(yīng)用了MEMS器件。
 
MEMS是一門(mén)綜合學(xué)科,學(xué)科交叉現(xiàn)象及其明顯,主要涉及微加工技術(shù),機(jī)械學(xué)/固體聲波理論,熱流理論,電子學(xué),生物學(xué)等等。MEMS器件的特征長(zhǎng)度從1毫米到1微米,相比之下頭發(fā)的直徑大約是50微米。
 
MEMS傳感器主要優(yōu)點(diǎn)是體積小、重量輕、功耗低、可靠性高、靈敏度高、易于集成等,是微型傳感器的主力軍,正在逐漸取代傳統(tǒng)機(jī)械傳感器,在各個(gè)領(lǐng)域幾乎都有研究,不論是消費(fèi)電子產(chǎn)品、汽車(chē)工業(yè)、甚至航空航天、機(jī)械、化工及醫(yī)藥等各領(lǐng)域。
 
常見(jiàn)產(chǎn)品有壓力傳感器,加速度計(jì),陀螺,靜電致動(dòng)光投影顯示器,DNA擴(kuò)增微系統(tǒng),催化傳感器。
 
MEMS的快速發(fā)展是基于MEMS之前已經(jīng)相當(dāng)成熟的微電子技術(shù)、集成電路技術(shù)及其加工工藝。 MEMS往往會(huì)采用常見(jiàn)的機(jī)械零件和工具所對(duì)應(yīng)微觀模擬元件,例如它們可能包含通道、孔、懸臂、膜、腔以及其它結(jié)構(gòu)。然而,MEMS器件加工技術(shù)并非機(jī)械式。相反,它們采用類(lèi)似于集成電路批處理式的微制造技術(shù)。
 
批量制造能顯著降低大規(guī)模生產(chǎn)的成本。若單個(gè)MEMS傳感器芯片面積為5 mm x 5 mm,則一個(gè)8英寸(直徑20厘米)硅片(wafer)可切割出約1000個(gè)MEMS傳感器芯片(圖1),分?jǐn)偟矫總€(gè)芯片的成本則可大幅度降低。
 
因此MEMS商業(yè)化的工程除了提高產(chǎn)品本身性能、可靠性外,還有很多工作集中于擴(kuò)大加工硅片半徑(切割出更多芯片),減少工藝步驟總數(shù),以及盡可能地縮傳感器大小。
 
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圖1. 8英寸硅片上的MEMS芯片(5mm X 5mm)示意圖
 
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圖2. 從硅原料到硅片過(guò)程。硅片上的重復(fù)單元可稱(chēng)為芯片(chip 或die)。
 
MEMS需要專(zhuān)門(mén)的電子電路IC進(jìn)行采樣或驅(qū)動(dòng),一般分別制造好MEMS和IC粘在同一個(gè)封裝內(nèi)可以簡(jiǎn)化工藝,如圖3。不過(guò)具有集成可能性是MEMS技術(shù)的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)。
 
正如之前提到的,MEMS和ASIC (專(zhuān)用集成電路)采用相似的工藝,因此具有極大地潛力將二者集成,MEMS結(jié)構(gòu)可以更容易地與微電子集成。然而,集成二者難度還是非常大,主要考慮因素是如何在制造MEMS保證IC部分的完整性。
 
例如,部分MEMS器件需要高溫工藝,而高溫工藝將會(huì)破壞IC的電學(xué)特性,甚至熔化集成電路中低熔點(diǎn)材料。MEMS常用的壓電材料氮化鋁由于其低溫沉積技術(shù),因?yàn)槌蔀橐环N廣泛使用post-CMOS compatible(后CMOS兼容)材料。
 
雖然難度很大,但正在逐步實(shí)現(xiàn)。與此同時(shí),許多制造商已經(jīng)采用了混合方法來(lái)創(chuàng)造成功商用并具備成本效益的MEMS 產(chǎn)品。一個(gè)成功的例子是ADXL203,圖4。
 
ADXL203是完整的高精度、低功耗、單軸/雙軸加速度計(jì),提供經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理的電壓輸出,所有功能(MEMS & IC)均集成于一個(gè)單芯片中。這些器件的滿(mǎn)量程加速度測(cè)量范圍為±1.7 g,既可以測(cè)量動(dòng)態(tài)加速度(例如振動(dòng)),也可以測(cè)量靜態(tài)加速度(例如重力)。
 
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圖3. MEMS與IC在不同的硅片上制造好了再粘合在同一個(gè)封裝內(nèi)
 
 
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圖4. ADXL203(單片集成了MEMS與IC)
 
一、通信/移動(dòng)設(shè)備
 
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圖5. 智能手機(jī)簡(jiǎn)化示意圖
 
在智能手機(jī)中,iPhone 5采用了4個(gè) MEMS傳感器,三星Galaxy S4手機(jī)采用了八個(gè)MEMS傳感器。
 
iPhone 6 Plus使用了六軸陀螺儀&加速度計(jì)(InvenSense MPU-6700)、三軸電子羅盤(pán)(AKM AK8963C)、三軸加速度計(jì)(Bosch Sensortec BMA280),磁力計(jì),大氣壓力計(jì)(Bosch Sensortec BMP280)、指紋傳感器(Authen Tec的TMDR92)、距離傳感器,環(huán)境光傳感器(來(lái)自AMS的TSL2581 )和MEMS麥克風(fēng)。
 
iphone 6s與之類(lèi)似,稍微多一些MEMS器件,例如采用了4個(gè)MEMS麥克風(fēng)。預(yù)計(jì)將來(lái)高端智能手機(jī)將采用數(shù)十個(gè)MEMS器件以實(shí)現(xiàn)多模通信、智能識(shí)別、導(dǎo)航/定位等功能。 MEMS硬件也將成為L(zhǎng)TE技術(shù)亮點(diǎn)部分,將利用MEMS天線(xiàn)開(kāi)關(guān)和數(shù)字調(diào)諧電容器實(shí)現(xiàn)多頻帶技術(shù)。
 
以智能手機(jī)為主的移動(dòng)設(shè)備中,應(yīng)用了大量傳感器以增加其智能性,提高用戶(hù)體驗(yàn)。這些傳感器并非手機(jī)等移動(dòng)/通信設(shè)備獨(dú)有,在本文以及后續(xù)文章其他地方所介紹的加速度、化學(xué)元素、人體感官傳感器等可以了解相關(guān)信息,在此不贅敘。此處主要介紹通信中較為特別的MEMS器件,主要為與射頻相關(guān)MEMS器件。
 
通信系統(tǒng)中,大量不同頻率的頻帶(例如不同國(guó)家,不同公司間使用不同的頻率,2G,3G,LTE,CDMD以及藍(lán)牙,wifi等等不同技術(shù)使用不同的通信頻率)被使用以完成通訊功能,而這些頻帶的使用離不開(kāi)頻率的產(chǎn)生。
 
聲表面波器件,作為一種片外(off-chip)器件,與IC集成難度較大。表面聲波(SAW)濾波器曾是手機(jī)天線(xiàn)雙工器的中流砥柱。2005年,安捷倫科技推出基于MEMS體聲波(BAW)諧振器的頻率器件(濾波器),該技術(shù)能夠節(jié)省四分之三的空間。
 
BAW器件不同于其他MEMS的地方在于BAW沒(méi)有運(yùn)動(dòng)部件,主要通過(guò)體積膨脹與收縮實(shí)現(xiàn)其功能。(另外一個(gè)非位移式MEMS典型例子是依靠材料屬性變化的MEMS器件,例如基于相變材料的開(kāi)關(guān),加入不同電壓可以使材料發(fā)生相變,分別為低阻和高阻狀態(tài),詳見(jiàn)后續(xù)開(kāi)關(guān)專(zhuān)題)。
 
在此值得一提的事,安華高Avago(前安捷倫半導(dǎo)體事業(yè)部)賣(mài)的如火如荼的薄膜腔聲諧振器(FBAR)。也是前段時(shí)間天津大學(xué)在美國(guó)被抓的zhang hao研究的東西。得益于AlN氮化鋁壓電材料的沉積技術(shù)的巨大進(jìn)步,AlN FBAR已經(jīng)被運(yùn)用在iphone上作為重要濾波器組件。下圖為FBAR和為SMR (Solidly Mounted Resonator)。其原理主要通過(guò)固體聲波在上下表面反射形成諧振腔。
 
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圖6. FBAR示意圖,壓電薄膜懸空在腔體至上
 
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圖7. SMR示意圖(非懸空結(jié)構(gòu),采用Bragg reflector布拉格反射層)
 
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圖8. SMR聲波能量幅度示意圖
 
如果所示,其中的紅色線(xiàn)條表示震動(dòng)幅度。固體聲波在垂直方向發(fā)生反射,從而將能量集中于中間橙色的壓電層中。頂部是與空氣的交界面,接近于100%反射。底部是其與布拉格反射層的界面,無(wú)法達(dá)到完美反射,因此部分能量向下泄露。
 
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實(shí)物FBAR掃描電鏡圖。故意將其設(shè)計(jì)成不平行多邊形是為了避免水平方向水平方向反射導(dǎo)致的諧振,如果水平方向有諧振則會(huì)形成雜波。
 
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上圖所示為消除雜波前后等效導(dǎo)納(即阻抗倒數(shù),或者簡(jiǎn)單理解為電阻值倒數(shù))。消除雜波后其特性曲線(xiàn)更平滑,效率更高,損耗更小,所形成的濾波器在同頻帶內(nèi)的紋波更小。
 
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圖示為若干FBAR連接起來(lái)形成濾波器。右圖為封裝好后的FBAR濾波器芯片及米粒對(duì)比,該濾波器比米粒還要小上許多。
 
二、可穿戴/植入式領(lǐng)域
 
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圖10. 用戶(hù)與物聯(lián)網(wǎng)
 
可穿戴/植入式MEMS屬于物聯(lián)網(wǎng)IoT重要一部分,主要功能是通過(guò)一種更便攜、快速、友好的方式(目前大部分精度達(dá)不到大型外置儀器的水平)直接向用戶(hù)提供信息??纱┐?應(yīng)該說(shuō)是最受用戶(hù)關(guān)注,最感興趣的話(huà)題了。
 
大部分用戶(hù)對(duì)汽車(chē)、打印機(jī)內(nèi)的MEMS無(wú)感,這些器件與用戶(hù)中間經(jīng)過(guò)了數(shù)層中介。但是可穿戴/直接與用戶(hù)接觸,提升消費(fèi)者科技感,更受年輕用戶(hù)喜愛(ài),例子可見(jiàn)Fitbit等健身手環(huán)。
 
該領(lǐng)域最重要的主要有三大塊:消費(fèi)、健康及工業(yè),我們?cè)诖酥饕懻摳荜P(guān)注的前兩者。消費(fèi)領(lǐng)域的產(chǎn)品包含之前提到的健身手環(huán),還有智能手表等。健康領(lǐng)域,即醫(yī)療領(lǐng)域,主要包括診斷,治療,監(jiān)測(cè)和護(hù)理。
 
比如助聽(tīng)、指標(biāo)檢測(cè)(如血壓、血糖水平),體態(tài)監(jiān)測(cè)。MEMS幾乎可以實(shí)現(xiàn)人體所有感官功能,包括視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、味覺(jué)、嗅覺(jué)(如Honeywell電子鼻)、觸覺(jué)等,各類(lèi)健康指標(biāo)可通過(guò)結(jié)合MEMS與生物化學(xué)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。MEMS的采樣精度,速度,適用性都可以達(dá)到較高水平,同時(shí)由于其體積優(yōu)勢(shì)可直接植入人體,是醫(yī)療輔助設(shè)備中關(guān)鍵的組成部分。
 
傳統(tǒng)大型醫(yī)療器械優(yōu)勢(shì)明顯,精度高,但價(jià)格昂貴,普及難度較大,且一般一臺(tái)設(shè)備只完成單一功能。相比之下,某些醫(yī)療目標(biāo)可以通過(guò)MEMS技術(shù),利用其體積小的優(yōu)勢(shì),深入接觸測(cè)量目標(biāo),在達(dá)到一定的精度下,降低成本,完成多重功能的整合。
 
以近期所了解的一些MEMS項(xiàng)目為例,通過(guò)MEMS傳感器對(duì)體內(nèi)某些指標(biāo)進(jìn)行測(cè)量,同時(shí)MEMS執(zhí)行器(actuator)可直接作用于器官或病變組織進(jìn)行更直接的治療,同時(shí)系統(tǒng)可以通過(guò)MEMS能量收集器進(jìn)行無(wú)線(xiàn)供電,多組單元可以通過(guò)MEMS通信器進(jìn)行信息傳輸。
 
個(gè)人認(rèn)為,MEMS醫(yī)療前景廣闊,不過(guò)離成熟運(yùn)用還有不短的距離,尤其考慮到技術(shù)難度,可靠性,人體安全等。
 
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圖11. MEMS實(shí)現(xiàn)人體感官功能
 
可穿戴設(shè)備中最著名,流行的便數(shù)蘋(píng)果手表了,其實(shí)蘋(píng)果手表和蘋(píng)果手表結(jié)構(gòu)已經(jīng)非常相似了,處理器、存儲(chǔ)單元、通信單元、(MEMS)傳感器單元等,因此對(duì)此不在贅敘。
 
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圖12. 蘋(píng)果手表示意圖
 
三、投影儀
 
投影儀所采用的MEMS微鏡如圖13,14所示。其中掃描電鏡圖則是來(lái)自于TI的Electrostatically-driven digital mirrors for projection systems。
 
每個(gè)微鏡都由若干錨anchor或鉸鏈hinge支撐,通過(guò)改變外部激勵(lì)從而控制同一個(gè)微鏡的不同錨/鉸鏈的尺寸從而微鏡傾斜特定角度,將入射光線(xiàn)向特定角度反射。
 
大量微鏡可以形成一個(gè)陣列從而進(jìn)行大面積的反射。錨/鉸鏈的尺寸控制可以通過(guò)許多方式實(shí)現(xiàn),一種簡(jiǎn)單的方式便是通過(guò)加熱使其熱膨脹,當(dāng)不同想同一個(gè)微鏡的不同錨/鉸鏈通入不同電流時(shí),可以使它們產(chǎn)生不同形變,從而向指定角度傾斜。TI采用的是靜電驅(qū)動(dòng)方式,即通入電來(lái)產(chǎn)生靜電力來(lái)傾斜微鏡。
 
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圖13 微鏡的SEM示意圖
 
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圖14 微鏡結(jié)構(gòu)示意圖
 
德州儀器的數(shù)字微鏡器件(DMD),廣泛應(yīng)用于商用或教學(xué)用投影機(jī)單元以及數(shù)字影院中。每16平方微米微鏡使用其與其下的CMOS存儲(chǔ)單元之間的電勢(shì)進(jìn)行靜電致動(dòng)。灰度圖像是由脈沖寬度調(diào)制的反射鏡的開(kāi)啟和關(guān)閉狀態(tài)之間產(chǎn)生的。
 
顏色通過(guò)使用三芯片方案(每一基色對(duì)應(yīng)一個(gè)芯片),或通過(guò)一個(gè)單芯片以及一個(gè)色環(huán)或RGB LED光源來(lái)加入。采用后者技術(shù)的設(shè)計(jì)通過(guò)色環(huán)的旋轉(zhuǎn)與DLP芯片同步,以連續(xù)快速的方式顯示每種顏色,讓觀眾看到一個(gè)完整光譜的圖像。
 
TI有一個(gè)非常非常具體生動(dòng)的視頻介紹該產(chǎn)品,你可以在這個(gè)視頻中看到整個(gè)微鏡陣列如何對(duì)光進(jìn)行不同角度的折射。
 
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圖15 微鏡反射光線(xiàn)示意圖
 
四、MEMS 加速度計(jì)
 
加速度傳感器是最早廣泛應(yīng)用的MEMS之一。MEMS,作為一個(gè)機(jī)械結(jié)構(gòu)為主的技術(shù),可以通過(guò)設(shè)計(jì)使一個(gè)部件(圖15中橙色部件)相對(duì)底座substrate產(chǎn)生位移(這也是絕大部分MEMS的工作原理),這個(gè)部件稱(chēng)為質(zhì)量塊(proof mass)。質(zhì)量塊通過(guò)錨anchor,鉸鏈hinge,或彈簧spring與底座連接。
 
綠色部分固定在底座。當(dāng)感應(yīng)到加速度時(shí),質(zhì)量塊相對(duì)底座產(chǎn)生位移。通過(guò)一些換能技術(shù)可以將位移轉(zhuǎn)換為電能,如果采用電容式傳感結(jié)構(gòu)(電容的大小受到兩極板重疊面積或間距影響),電容大小的變化可以產(chǎn)生電流信號(hào)供其信號(hào)處理單元采樣。通過(guò)梳齒結(jié)構(gòu)可以極大地?cái)U(kuò)大傳感面積,提高測(cè)量精度,降低信號(hào)處理難度。加速度計(jì)還可以通過(guò)壓阻式、力平衡式和諧振式等方式實(shí)現(xiàn)。
 
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圖15 MEMS加速度計(jì)結(jié)構(gòu)示意圖
 
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圖16 MEMS加速度計(jì)中位移與電容變化示意圖
 
汽車(chē)碰撞后,傳感器的proof mass產(chǎn)生相對(duì)位移,信號(hào)處理單元采集該位移產(chǎn)生的電信號(hào),觸發(fā)氣囊。更直觀的效果可以觀看視頻。
 
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圖17. 汽車(chē)碰撞后加速度計(jì)的輸出變化。
 
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實(shí)物圖,比例尺為20微米,即20/1000毫米。
 
五、打印噴嘴
 
一種設(shè)計(jì)精巧的打印噴如下圖所示。兩個(gè)不同大小的加熱元件產(chǎn)生大小不一的氣泡從而將墨水噴出。具體過(guò)程為:1,左側(cè)加熱元件小于右側(cè)加熱元件,通入相同電流時(shí),左側(cè)產(chǎn)生更多熱量,形成更大氣泡。左側(cè)氣泡首先擴(kuò)大,從而隔絕左右側(cè)液體,保持右側(cè)液體高壓力使其噴射。噴射后氣泡破裂,液體重新填充該腔體。
 
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圖18. 采用氣泡膨脹的噴墨式MEMS
 
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圖19. HP生產(chǎn)的噴墨式MEMS相關(guān)產(chǎn)品
 
另一種類(lèi)型MEMS打印噴頭,也是通過(guò)加熱,氣泡擴(kuò)大將墨水?dāng)D出:
 
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MEMS噴頭nozzle及加熱器heater實(shí)物圖:
 
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還有一種類(lèi)型是通過(guò)壓電薄膜震動(dòng)來(lái)擠壓墨水出來(lái):
 
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六、開(kāi)關(guān)/繼電器
 
MEMS繼電器與開(kāi)關(guān)。其優(yōu)勢(shì)是體積小(密度高,采用微工藝批量制造從而降低成本),速度快,有望取代帶部分傳統(tǒng)電磁式繼電器,并且可以直接與集成電路IC集成,極大地提高產(chǎn)品可靠性。
 
其尺寸微小,接近于固態(tài)開(kāi)關(guān),而電路通斷采用與機(jī)械接觸(也有部分產(chǎn)品采用其他通斷方式),其優(yōu)勢(shì)劣勢(shì)基本上介于固態(tài)開(kāi)關(guān)與傳統(tǒng)機(jī)械開(kāi)關(guān)之間。MEMS繼電器與開(kāi)關(guān)一般含有一個(gè)可移動(dòng)懸臂梁,主要采用靜電致動(dòng)原理,當(dāng)提高觸點(diǎn)兩端電壓時(shí),吸引力增加,引起懸臂梁向另一個(gè)觸電移動(dòng),當(dāng)移動(dòng)至總行程的1/3時(shí),開(kāi)關(guān)將自動(dòng)吸合(稱(chēng)之為pull in現(xiàn)象)。pull in現(xiàn)象在宏觀世界同樣存在,但是通過(guò)計(jì)算可以得知所需的閾值電壓高得離譜,所以我們?nèi)粘V袔缀醪粫?huì)看到。
 
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圖20. MEMS開(kāi)關(guān)斷合示意圖
 
再貼上幾張實(shí)物圖片,與示意圖并非完全一致,但是原理類(lèi)似,都是控制著一個(gè)間隙gap接觸與否:
 
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生物試驗(yàn)類(lèi)
 
MEMS器件由于其尺寸接近生物細(xì)胞,因此可以直接對(duì)其進(jìn)行操作。
 
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圖21. MEMS操作細(xì)胞示意圖
 
七、NEMS(納機(jī)電系統(tǒng))
 
NEMS(Nanoelectromechanical systems, 納機(jī)電系統(tǒng))與MEMS類(lèi)似,主要區(qū)別在于NEMS尺度/重量更小,諧振頻率高,可以達(dá)到極高測(cè)量精度(小尺寸效應(yīng)),比MEMS更高的表面體積比可以提高表面?zhèn)鞲衅鞯拿舾谐潭?(表面效應(yīng)),且具有利用量子效應(yīng)探索新型測(cè)量手段的潛力。
 
首個(gè)NEMS器件由IBM在2000年展示, 如圖22所示。器件為一個(gè) 32X32的二維懸臂梁(2D cantilever array)。該器件采用表面微加工技術(shù)加工而成(MEMS中采用應(yīng)用較多的有體加工技術(shù),當(dāng)然MEMS也采用了不少表面微加工技術(shù),關(guān)于微加工技術(shù)將會(huì)在之后的專(zhuān)題進(jìn)行介紹)。
 
該器件設(shè)計(jì)用來(lái)進(jìn)行超高密度,快速數(shù)據(jù)存儲(chǔ),基于熱機(jī)械讀寫(xiě)技術(shù)(thermomechanical writing and readout),高聚物薄膜作為存儲(chǔ)介質(zhì)。該數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)來(lái)源于AFM(原子力顯微鏡)技術(shù),相比磁存儲(chǔ)技術(shù),基于AFM的存儲(chǔ)技術(shù)具有更大潛力。
 
快速熱機(jī)械寫(xiě)入技術(shù)(Fast thermomechanical writing)基于以下概念(圖23),‘寫(xiě)入’時(shí)通過(guò)加熱的針尖局部軟化/融化下方的聚合物polymer,同時(shí)施加微小壓力,形成納米級(jí)別的刻痕,用來(lái)代表一個(gè)bit。加熱時(shí)通過(guò)一個(gè)位于針尖下方的阻性平臺(tái)實(shí)現(xiàn)。
 
對(duì)于‘讀’,施加一個(gè)固定小電流,溫度將會(huì)被加熱平臺(tái)和存儲(chǔ)介質(zhì)的距離調(diào)制,然后通過(guò)溫度變化讀取bit。 而溫度變化可通過(guò)熱阻效應(yīng)(溫度變化導(dǎo)致材料電阻變化)或者壓阻效應(yīng)(材料收到壓力導(dǎo)致形變,從而導(dǎo)致導(dǎo)致材料電阻變化)讀取。
 
從原理到制造再到應(yīng)用,這篇文章終于把MEMS技術(shù)講透了!
 
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圖22. IBM 二維懸臂梁NEMS掃描電鏡圖(SEM)其針尖小于20nm
 
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圖23.快速熱機(jī)械寫(xiě)入技術(shù)示意圖

本文轉(zhuǎn)載自知乎。 
 
 
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