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一文读懂MEMS传感器

传感器技术mp
2017-01-14
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文 | 传感器技术(WW_CGQJS)

导语:

传感器发展到今天,小型化、智能化、集成化,已经是升级换代的必由之路。今天,我们来为大家介绍一下传感器家族的mini型产品——­­MEMS传感器。

什么是MEMS传感器?

MEMS的全称是微型电子机械系统(Micro-ElectroMechanical System),微机电系统是指可批量制作的,将微型机构、微型传感器、微型执行器以及信号处理和控制电路、直至接口、通信和电源等集成于一块或多块芯片上的微型器件或系统。而MEMS传感器就是采用微电子和微机械加工技术制造出来的新型传感器。

MEMS是用传统的半导体工艺和材料,以半导体制造技术为基础发展起来的一种先进的制造技术,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、材料、物理学、化学、生物学、医学等等。经过四十多年的发展,已成为世界瞩目的重大科技领域之一。

加工工艺:

MEMS技术基于已经相当成熟的微电子技术、集成电路技术及其加工工艺。它与传统的IC工艺有许多相似之处,如光刻、薄膜沉积、掺杂、刻蚀、化学机械抛光工艺等,但是有些复杂的微结构难以用IC工艺实现,必须采用微加工技术制造。

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微加工技术包括硅的体微加工技术、表面微加工技术和特殊微加工技术。体加工技术是指沿着硅衬底的厚度方向对硅衬底进行刻蚀的工艺,包括湿法刻蚀和干法刻蚀,是实现三维结构的重要方法。表面微加工是采用薄膜沉积、光刻以及刻蚀工艺,通过在牺牲层薄膜上沉积结构层薄膜,然后去除牺牲层释放结构层实现可动结构。

除了上述两种微加工技术以外,MEMS制造还广泛地使用多种特殊加工方法,其中常见的方法包括键合、LIGA、电镀、软光刻、微模铸、微立体光刻与微电火花加工等。

应用材料:

硅基材料:大部分集成电路和MEMS的原材料是硅(Si),这个神奇的VI族元素可以从二氧化硅中大量提取出来。而二氧化硅是什么?说的通俗一点,就是沙子。沙子君在经历了一系列复杂的加工过程之后,就变成了单晶硅,长这个样子:

这个长长的大柱子,直径可以是 1 inch (2.5 cm) 到 12 inch (30 cm),被切成一层层 500 微米厚的硅片 (英文:wafer,和威化饼同词),长这个样子:

采用以硅为主的材料,电气性能优良,硅材料的强度、硬度和杨氏模量与铁相当,密度与铝类似,热传导率接近钼和钨。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。

非硅材料:近年来,MEMS的材料应用上有被非硅材料逐渐替代的现象,学术研究人员现在开始专注于开发聚合物和纸基微型器件。利用这些材料开发的器件,不仅工艺环保,而且制作设备简单、成本较低。相对硅材料,它们大幅缩减了研发经费预算。许多聚合物和纸基微型器件的创新都指向了医疗应用,对该领域来说,生物相容性和材料的柔性是基本要求。

纸基和聚合物微型器件的功能和性能开发,目前还处于相对早期的阶段,这类器件的生产设施现今也还没有开发出来。这些新技术的成熟和商业化,可能还需要超过10年的时间。所以,基于硅材料的微型器件研究,还有很多创新工作要做,不然就会面临发展停滞的风险。

技术优势:

用MEMS工艺制造传感器、执行器或者微结构, 具有微型化、集成化、智能化、成本低、效能高、可大批量生产等特点, 产能高,良品率高。MEMS技术使数以万计的MEMS芯片(有些工艺也会把集成电路芯片放在同一步骤加工)出现在了每一片wafer上面,如下图所示。

这种批量生产(batch process)的过程目前已经全自动化控制,隔离了人为因素,确保了每一个MEMS芯片之间的工艺误差可以得到严格的控制,从而提高了良品率。切片、封装之后,就成为了一个个的MEMS芯片。从外观上来看,大部分的MEMS芯片和集成电路芯片是差不多的。

综上所述,微米量级的特征尺寸使MEMS传感器可以完成某些传统机械传感器所不能实现的功能。是微型传感器的主力军,正在逐渐取代传统机械传感器,普遍应用于消费电子产品、汽车工业、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。

与传统传感器的区别:

在下面的图片中,以麦克风为例我们来更清晰地认识一下传统麦克风和MEMS麦克风的区别。

传统的驻极体麦克风:

MEMS麦克风:

图中,传统麦克风的七八种机械配件就全部集成在了一块很小的MEMS传感器芯片上了,体积非常小,重量也非常轻。由于是芯片制造,一致性好、功耗低,更易于批量生产。但是对技术的要求那就非常高了。MEMS传感器的出现极大的满足了大家对产品小体积、高性能的要求。

MEMS传感器的分类

MEMS传感器不仅能够感知被测参数,将其转换成方便度量的信号;而且能对所得到的信号进行分析、处理和识别、判断,因此形象地被称为智能传感器。

MEMS传感器的种类繁多,也有很多分类的方法。下面是按照工作原理分类:

每一种MEMS传感器又有很多种细分方法。如加速度计,按检测质量的运动方式划分,有角振动式和线振动式加速度计等,常见的MEMS传感器有压力传感器、加速度传感器、微机械陀螺仪、惯性传感器、MEMS硅麦克风等等;MEMS传感器的品种多到可以以万为单位,且不同MEMS之间参量较多,没有完全标准的工艺。

MEMS工艺流程

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MEMS传感器作为国际竞争战略的重要标志性产业,以其技术含量高、市场前景广阔等特点备受世界各国的关注。近十年来,中国MEMS传感器产业生态系统也正逐步完善,从研发、设计、代工、封测到应用,完整产业链已基本形成,国家对MEMS传感器行业也给予了前所未有的政策支持。我国MEMS产业发展面临了重大的机遇,特别是移动互联网和物联网的快速发展,将对MEMS产业产生深远的影响,并将催生大量新的产品、新的应用,带动MEMS产品在日常生活及工业生产中的普及化。

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