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[技术] 关于MEMS技术的部分技术

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发表于 2018-10-10 | |阅读模式
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关于MEMS技术的部分技术& z! J' g1 Q. u, _! ]* v" t8 K

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$ f+ e' w% m0 _! A( q( r) AMEMS的快速发展基于相关技术的相对成熟,但是MEMS对于大部分人来说还是比较陌生的。对此,本文将详细为你讲述MEMS技术,带你全方位的了解MEMS。6 F4 U% q: H  z& P

# z  v7 @3 F5 O" i5 G/ o写在前面7 H, {% R) t/ B

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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。
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% x, u0 x8 G1 O8 _5 ?# AMEMS是一门综合学科,学科交叉现象及其明显,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。
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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。; A7 ]" P* g3 U9 y. V% I
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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。; {' y. r' z5 ?0 a7 o) i8 {: S
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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。: }, v8 I6 C- h/ M" u
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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(图1),分摊到每个芯片的成本则可大幅度降低。1 J+ W/ w1 J% K7 u0 g" J- K

; j, F4 b7 u7 c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。
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6 L9 ?. g/ X. d! i, M+ ]5 v9 jMEMS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粘在同一个封装内可以简化工艺,如图3。不过具有集成可能性是MEMS技术的另一个优点。
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& t3 A9 ~& |) F8 i1 \. F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。
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9 D( C" J* e! p, P: i$ I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。
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  [+ p/ Y" K9 m2 p" }+ J) b# T; i2 \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ADXL203,2 p0 I- S0 @+ ^" p0 v( ]

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# @" a9 C9 O" @3 I! a# AADXL203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)。在智能手机中,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。
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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。1 S( w" _$ J$ Z9 p8 V5 z5 f
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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。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。, i2 Z( @/ |  n# y! `+ e1 t

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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。这些传感器并非手机等移动/通信设备独有,在本文以及后续文章其他地方所介绍的加速度、化学元素、人体感官传感器等可以了解相关信息,在此不赘叙。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。1 Q/ k3 O  h& w) Y8 G

4 W" |# x+ ^& [. o( N8 u, d# D通信系统中,大量不同频率的频带(例如不同国家,不同公司间使用不同的频率,2G,3G,LTE,CDMD以及蓝牙,wifi等等不同技术使用不同的通信频率)被使用以完成通讯功能,而这些频带的使用离不开频率的产生。
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9 p6 {7 P( j2 R$ \2 ~3 ], [" T- h6 I声表面波器件,作为一种片外(off-chip)器件,与IC集成难度较大。表面声波(SAW)滤波器曾是手机天线双工器的中流砥柱。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。
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0 @) y, _. `8 r* `7 Z5 n2 I% lBAW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)。' t) ~) V! ]/ w7 n0 P. y
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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)。也是前段时间天津大学在美国被抓的zhang hao研究的东西。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。
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