《MEMS微机电》-概述-《芯苑》

随着物联网、智能穿戴设备的兴起,MEMS传感器也是现在IC行业炒作的热点。当然我们的MEMS传感器除了智能终端,还有汽车电子以及工业4.0都是未来MEMS的用武之地。未来的终端都是有思维的、有感知的,而这个思维和感知就是要依赖MEMS传感器。

在智能手机上,MEMS传感器提供在声音性能、场景切换、手势识别、方向定位、以及温度/压力/湿度传感器等应用。而在汽车上,MEMS传感器借助气囊碰撞传感器、胎压监测系统(TPMS)和车辆稳定性控制增强车辆的性能。医疗领域,通过MEMS传感器研成功制出微型胰岛素注射泵,并使心脏搭桥移植和人工细胞组织成为现实中可实际使用的治疗方式。在可穿戴应用中,MEMS传感器可实现运动追踪、心跳速率测量等。

1、何为MEMS传感器:

MEMS的全称是微型电子机械系统(Micro-ElectroMechanicalSystem),微机电系统是将微型机构、微型传感器、微型执行器以及信号处理和控制电路、通信和电源等于一体的微型器件或系统。所以它包含两个部分:一个是Electronic电子电路部分,一个是Mechanical机械部分。狭义的理解可以说是用微米技术在芯片上制造微型机械,并将其与对应专用电路(ASIC)集成为一个整体的技术。所以它是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平台。当然广义的MEMS不仅仅是半导体材料的工艺,其他比如光纤探测等等都算的,我是半导体人,所以只着重讲基于半导体工艺的MEMS技术。

为什么要有MEMS传感器呢?主要就是因为它起始于IC制造技术,相对于传统的机械结构,它更小型化而且尺寸更容易控制(IC制造的CD和OVL对于MEMS制造来说应该太easy了)。而且在机械和电信号的转换过程中更容易整合减小AC/DC转换的互联损失等。而硅的材料特性与金属类似比如硬度与铁相似,密度与铝相似,导热性与钨相似,所以适合制造具有机械特性的元件。

MEMS传感器其实就包含两个部分:传感器和执行器。传感器用来探测和感知物理和化学现象(温度、振动、光、磁场、PH值、离子浓度等),而执行器是感知到物理化学信号之后产生机械运动(力和扭矩)。所以又可以称之为换能器,实现将信号由一种能量转换成另外一种能量(电能、机械能、化学能、辐射能、磁能、热能等)。

大家办公室都有的喷墨打印机就是基于硅的机械加工技术,由于半导体制造技术的微小结构,是的喷嘴阵列非常密集(>300/打印头)实现了高密度分辨率的打印技术(1000dpi),由于喷墨空腔小(40ng),所以小型加热器就可以迅速使墨汁升温和降温得到高速打印,该技术最早由惠普公司与1978年提出,并成了激光打印机的廉价取代技术。

1989年美国UC-Berkeley多晶硅静电马达,直径小于120um,厚度1um,可以在350V电压下达到500rpm转速,这也是激起业界对MEMS热情的第一步。

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2、MEMS传感器发展史:

应该说MEMS技术的起源应该是IC制造技术,而最早提出这个概念的应该是1984年由Petersen发表的《Silicon as a mechanical material》。随后几年产业便有了MEMS的术语,而且逐渐在业界被广泛接受,这个名称包含了该领域研究的尺寸(um)、实现方式(电子和机械结合)、研究课题(系统)。在1984年以前的20年几乎都是萌芽阶段主要研究一些零散部件以及各向异性蚀刻的三维加工技术等等。

直到1990年之后全世界才开始真正工业化MEMS传感器,最早应该就是ADI吧,它主要搞的汽车安全气囊的惯性传感器,还有TI的数字光学处理芯片(光传感器)。大家比较熟悉的应该就是气囊惯性传感器,汽车撞击刹那气囊会自动弹开保护车内人员,这个比较有意思,它的原理就是利用叉指状两组电极,一组固定接在阳极上,一组悬浮接在比较长的支撑梁上,这样当外面有加速度的时候,悬浮的支撑梁会发生漂移使得瞬间与相邻的那一组固定叉指间距变化使得电容发生变化,通过探测电容变化来感知是否有外力碰撞的加速度。(当然这个叉指的机械任性就比较重要,别加速度来了它断了,还有它的悬浮漂移特性也很重要F=m*a,所以悬浮条的重量取决于长度和厚度)

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MEMS发展的第三个阶段活跃期应该是2000年之后吧,整个工业体系应该已经形成,如HP公司的喷墨打印机(5亿美金销售额),Epson/Lexmark的喷墨打印做到了6亿美金。TI的光学数字处理(DLP)做到了9亿美金,ADI的气囊传感器也做到1.5亿,Freescale的压力传感器做到2亿美金等等。

后来包括MEMSIC和STMicro的加速度计、InvenSense的陀螺仪,SiTime的晶振等等都是比较知名的传感器公司。而在医疗领域也开始取得重大进步,比如胶囊内窥镜、MEMS注射针头、DNA识别等等。比较有感觉的是胶囊内窥镜有了这个还怕做胃镜和肠镜吗?MEMS注射针头更高级,以后打针根本就是无痛的,打针痛是因为碰到了皮下神经末梢,位于皮下70um深,而我们的注射只需要在50um皮层完成即可,我们可以利用MEMS注射控制深度在50~70um就可以实现无痛注射。

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3、MEMS传感器的工艺挑战:

因为电学特性已经在IC制造时代很成熟了,所以MEMS技术主要应该偏重机械和物理特性,比如悬臂梁的刚性以及膜层的谐振特性等等。而典型的MEMS器件都是um~cm级别,由于等比例缩小原则,尺寸越小硬度越高,谐振频率,灵敏度越高等。打个比方木棍越短越难折断就是这个道理,再打个比方跳蚤可以跳高超过自己身高十倍,而大象可以吗?这就是为什么需要MEMS实现机械性能。但是不是所有的东西都是越小越好,半导体IC制造界有一个叫等比例缩小(Scanable),同样在MEMS也有比例尺定律,很多在大尺寸时候可以忽略的效应在小尺寸下就很突出,比如悬臂梁的弹性常数(灵敏度)、支撑梁的谐振频率(频率带宽)、总电容(灵敏度)等等都随着尺寸变化而变化。

而它的制造工艺主要分为体硅(Bulk-Si)以及表面硅(Surface-Si)工艺,说起来比较拗口,研究过半导体IC的人应该都知道Mesa工艺也就是台面工艺,这就是我们的Bulk-Si工艺,它是在Si衬底上吃一个个凹槽来实现机械结构(MESA是吃凹槽达到隔离效果)。

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所以后来发展到Surface Silicon工艺,主要是它与成熟的CMOS技术兼容,所以又叫做CMOS-MEMS。它主要靠薄膜生长(Poly, PSG, Metal)通过蚀刻的方式得到所要的结构,他与CMOS最大的区别是,CMOS制程的Film都是贴在衬底上一层层累积上去的,可是MEMS的膜层通过蚀刻之后是悬浮站立在衬底上(Free Standing),这在受力和振动情况下对这个悬臂梁的物理和机械考研是很严格的。

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4、MEMS传感器的发展趋势:

MEMS是个看起来很美的行业,充其量也就是个小而美吧,单独从事MEMS行业的公司很难生存,首先它跟半导体行业挂钩,这个行业本身就是个烧钱的行业风险高。第二个传感器本来就是品种复杂设计千变万化的,每个产品都是独立事件,没有类似CMOS的标准工艺以及标准参数,所以很多FAB不提供MEMS制造服务,这就使得MEMS公司必须自己有FAB,走回半导体制造界1987年以前的IDM路线,比如中国的MEMSIC。如何让MEMS制造标准化走半导体代工的路线将是业界研究的重点,也是最重要的driving force。

后面再开具体课程研究CMOS-Based MEMS技术和市场吧,以及各种MEMS的原理及实现方法。

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