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一文读懂MEMS传感器

2018-05-29    来源:    作者:  浏览次数:1798


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成长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。经过四十多年的成长,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,但是有些复杂的微布局难以用IC工艺实现,必需采用微加工技术制造。

微加工技术包罗硅的体微加工技术、表面微加工技术和不凡微加工技术。体加工技术是指沿着硅衬底的厚度标的目的对硅衬底进行刻蚀的工艺,包罗湿法刻蚀和干法刻蚀,是实现三维布局的主要方法。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布局层薄膜,然后去除牺牲层释放布局层实现可动布局。

除了上述两种微加工技术以外,MEMS制造还广泛地使用多种不凡加工方法,其中常见的方法包罗键合、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:大部门集成电路和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,学术研究人员现在最先专注于开发聚合物和纸基微型器件。操作这些材料开发的器件,不仅工艺环保,并且制作设备简单、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,这类器件的出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,不然就会面临成长阻滞的风险。


技术优势:

用MEMS工艺制造传感器、执行器或者微布局, 具有微型化、集成化、智能化、成本低、效能高、可大批量出产等特点,  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程序加工)呈现在了每一片wafer上面,如下图所示。



这种批量出产(batch process)的过程目前已经全主动化控制,隔离了酬报因素,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。从外不雅观上来看,大部门的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,遍及应用于消费电子产物、汽车工业、航空航天、机械、化工及医药等各领域。常见产物有压力传感器,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:

不才面的图片中,以麦克风为例我们来更清楚地熟悉一下传统麦克风和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,更易于批量出产。但是对技术的要求那就非常高了。MEMS传感器的呈现极大的满足了大家对产物小体积、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,将其转换成便利度量的信号;并且能对所得到的信号进行阐发、处理和识别、判定,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:



MEMS工艺流程

一起来看视频↓↓↓



MEMS传感器作为国际竞争战略的主要标识表记标帜性财富,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传感器财富生态系统也正逐步完善,从研发、设计、代工、封测到应用,完整财富链已基本形成,国家对MEMS传感器行业也给予了前所未有的政策撑持。我国MEMS财富成长面临了重大的机遇,特殊是移动互联网和物联网的快速成长,将对MEMS财富产生深远的影响,并将催生大量新的产物、新的应用,带动MEMS产物在日常生活及工业出产中的普及化。



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