典型MEMS器件介紹

1、典型典型MEMSMEMS器件介紹器件介紹09電科2 鐘禮浩 200930570230目目 錄錄 各類典型各類典型MEMS器件介紹器件介紹 2MEMS微機電系統(tǒng)簡介微機電系統(tǒng)簡介 1總結總結3MEMS微機電系統(tǒng)簡介微機電系統(tǒng)簡介 MEMS是微機電系統(tǒng)（是微機電系統(tǒng)（Micro-Electro-Mechanical Systems）的英文縮寫。）的英文縮寫。MEMS是美是美國的叫法，在日本被稱為微機械，在歐洲被稱為微國的叫法，在日本被稱為微機械，在歐洲被稱為微系統(tǒng)，它是指可批量制作的，集微型機構、微型傳系統(tǒng)，它是指可批量制作的，集微型機構、微型傳感器、微型執(zhí)行器以及信號處理和控制電路、直至感器、微

2、型執(zhí)行器以及信號處理和控制電路、直至接口、通信和電源等于一體的微型器件或系統(tǒng)。接口、通信和電源等于一體的微型器件或系統(tǒng)。MEMS是隨著半導體集成電路微細加工技術和超精是隨著半導體集成電路微細加工技術和超精密機械加工技術的發(fā)展而發(fā)展起來的，目前密機械加工技術的發(fā)展而發(fā)展起來的，目前MEMS加工技術還被廣泛應用于微流控芯片與合成生物學加工技術還被廣泛應用于微流控芯片與合成生物學等領域，從而進行生物化學等實驗室技術流程的芯等領域，從而進行生物化學等實驗室技術流程的芯片集成化片集成化。 MEMS技術的發(fā)展開辟了一個全新的技術技術的發(fā)展開辟了一個全新的技術領域和產(chǎn)業(yè)，采用領域和產(chǎn)業(yè)，采用MEMS技術制作

3、的微傳感器、技術制作的微傳感器、微執(zhí)行器、微型構件、微機械光學器件、真空微執(zhí)行器、微型構件、微機械光學器件、真空微電子器件、電力電子器件等在航空、航天、微電子器件、電力電子器件等在航空、航天、汽車、生物醫(yī)學、環(huán)境監(jiān)控、軍事以及幾乎人汽車、生物醫(yī)學、環(huán)境監(jiān)控、軍事以及幾乎人們所接觸到的所有領域中都有著十分廣闊的應們所接觸到的所有領域中都有著十分廣闊的應用前景。用前景。發(fā)展前景發(fā)展前景 MEMS第一輪商業(yè)化浪潮始于20世紀70年代末80年代初，當時用大型蝕刻硅片結構和背蝕刻膜片制作壓力傳感器。由于薄硅片振動膜在壓力下變形，會影響其表面的壓敏電阻曲線，這種變化可以把壓力轉換成電信號。后來的電路則包括

4、電容感應移動質(zhì)量加速計，用于觸發(fā)汽車安全氣囊和定位陀螺儀。第二輪商業(yè)化出現(xiàn)于20世紀90年代，主要圍繞著PC和信息技術的興起。TI公司根據(jù)靜電驅(qū)動斜微鏡陣列推出了投影儀，而熱式噴墨打印頭現(xiàn)在仍然大行其道。第三輪商業(yè)化可以說出現(xiàn)于世紀之交，微光學器件通過全光開關及相關器件而成為光纖通訊的補充。盡管該市場現(xiàn)在蕭條，但微光學器件從長期看來將是MEMS一個增長強勁的領域。目前MEMS產(chǎn)業(yè)呈現(xiàn)的新趨勢是產(chǎn)品應用的擴展，其開始向工業(yè)、醫(yī)療、測試儀器等新領域擴張。推動第四輪商業(yè)化的其它應用包括一些面向射頻無源元件、在硅片上制作的音頻、生物和神經(jīng)元探針，以及所謂的片上實驗室生化藥品開發(fā)系統(tǒng)和微型藥品輸送系統(tǒng)的

5、靜態(tài)和移動器件。MEMS微機電系統(tǒng)簡介微機電系統(tǒng)簡介 未來三年，在中國3C產(chǎn)品、汽車電子、醫(yī)療電子等產(chǎn)品產(chǎn)量繼續(xù)保持較快增長的帶動下，中國MEMS傳感器市場規(guī)模有望進一步擴大。此外，不斷涌現(xiàn)的新產(chǎn)品以及新應用也成為這一市場持續(xù)發(fā)展的重要保障。2011-2013年，中國MEMS傳感器市場將持續(xù)保持兩位數(shù)增長水平，但從2012年開始，隨著金融危機導致的恢復性增長因素的消退，以及市場基數(shù)的增大，中國MEMS傳感器市場增速將有所回調(diào)。到2013年，中國MEMS傳感器市場銷售額預計將達214.2億元。具體在產(chǎn)品上，主力產(chǎn)品加速度、壓力傳感器、噴墨頭等產(chǎn)品技術已經(jīng)相對成熟和穩(wěn)定，技術研發(fā)主要體現(xiàn)在性能及指

6、標的優(yōu)化。DMD微鏡陣列為更好應用于手機等便攜設備，其尺寸的進一步微縮也成為研發(fā)重點。除傳統(tǒng)產(chǎn)品外，不斷涌現(xiàn)的新產(chǎn)品如地磁傳感器的規(guī)?；瘧靡渤蔀檎wMEMS傳感器市場的一大亮點。此外，一些前沿產(chǎn)品如新型MEMS振蕩器、基于MEMS技術的存儲器、MEMS電池也正處于研發(fā)階段中，并有望在未來三到五年實現(xiàn)良好的經(jīng)濟效益。另外，在產(chǎn)品形態(tài)上，一些MEMS傳感器產(chǎn)品已經(jīng)從原來單獨的芯片向模塊和系統(tǒng)解決方案升級，以加快產(chǎn)品上市進程和應用推廣。典型典型MEMS器件介紹器件介紹-MEMS麥克風麥克風 MEMS（微型機電系統(tǒng)）（微型機電系統(tǒng)） 麥克風是基于麥克風是基于MEMS技術制造的麥克風，簡單的說就是一個

7、技術制造的麥克風，簡單的說就是一個電容器集成在微硅晶片上，可以采用表貼工藝電容器集成在微硅晶片上，可以采用表貼工藝進行制造進行制造,能夠承受很高的回流焊溫度能夠承受很高的回流焊溫度,容易和容易和 CMOS 工藝及其它音頻電路相集成工藝及其它音頻電路相集成, 并具有改并具有改進的噪聲消除性能和良好的進的噪聲消除性能和良好的 RF 及及 EMI 抑制抑制性能性能.MEMS麥克風的全部潛能還有待挖掘，麥克風的全部潛能還有待挖掘，但是采用這種技術的產(chǎn)品已經(jīng)在多種應用中體但是采用這種技術的產(chǎn)品已經(jīng)在多種應用中體現(xiàn)出了諸多優(yōu)勢，特別是中高端手機應用中?，F(xiàn)出了諸多優(yōu)勢，特別是中高端手機應用中。MEMS麥克風

8、的優(yōu)勢麥克風的優(yōu)勢目前，實際使用的大多數(shù)麥克風都是ECM(駐極體電容器)麥克風，這種技術已經(jīng)有幾十年的歷史。ECM 的工作原理是利用駐有永久電荷的聚合材料振動膜。和ECM的聚合材料振動膜相比，MEMS麥克風在不同溫度下的性能都十分穩(wěn)定，其敏感性不會受溫度、振動、濕度和時間的影響。由于耐熱性強，MEMS麥克風可承受260的高溫回流焊，而性能不會有任何變化。由于組裝前后敏感性變化很小，還可以節(jié)省制造過程中的音頻調(diào)試成本。典型典型MEMS器件介紹器件介紹-MEMS麥克風麥克風MEMS麥克風的主要參數(shù)。麥克風的主要參數(shù)。典型典型MEMS器件介紹器件介紹-MEMS麥克風麥克風MEMS麥克風的發(fā)展前景麥克

9、風的發(fā)展前景對于大型的半導體制造商來說，他們具備制造該產(chǎn)品系列的核心能力。首先是MEMS 設計和制造能力，其次是ASIC設計和制造能力，最后是大容量、低成本的封裝能力。迄今為止，音頻公司一直占據(jù)著幾乎整個MEMS麥克風市場，它們必須依賴半導體代工廠提供相關技術并和他們分享利潤。現(xiàn)在，英飛凌的進入意味著該市場擁有了新的選擇，并且降低了元件購買者的風險。尺寸方面的限制主要來自MEMS本身。另外，由于音頻端口不能采用真空工具進行操作，尺寸的進一步縮小將會受到制造過程中標準自動化貼裝工具的限制。ASIC中將會集成更多作用：ADC和數(shù)字輸出是第一步；還可利用標準組件，如風噪信號過濾組件；專用接口和信號預

10、處理將成為很大的應用領域；RF屏蔽也會得到進一步改進。在音頻方面，MEMS麥克風也會有很多變化。SMM310不只在20Hz20kHz的頻率范圍內(nèi)針對人聲進行了優(yōu)化，還有較高的聲學敏感性。很難預測何時會出現(xiàn)帶有集成式麥克風并能記錄美妙立體聲的單芯片攝像電話，但毫無疑問，技術正在朝著這個方向發(fā)展。典型典型MEMS器件介紹器件介紹-微機械陀螺儀微機械陀螺儀微機械陀螺儀（微機械陀螺儀（MEMS gyroscope）的工作原理）的工作原理傳統(tǒng)的陀螺儀主要是利用角動量守恒原理，因此它主要是一個不停轉動的物體，它的轉軸指向不隨承載它的支架的旋轉而變化。但是微機械陀螺儀的工作原理不是這樣的，因為要用微機械技術

11、在硅片襯底上加工出一個可轉動的結構可不是一件容易的事。微機械陀螺儀利用科里奧利力科里奧利力旋轉物體在有徑向運動時所受到的切向力。典型典型MEMS器件介紹器件介紹-微機械陀螺儀微機械陀螺儀微機械陀螺儀的結構微機械陀螺儀的結構微機械陀螺儀的設計和工作原理可能各種各樣，但是公開的 微機械陀螺結構示意圖微機械陀螺儀均采用振動物體傳感角速度振動物體傳感角速度的概念。利用振動來誘導和探測科里奧利力而設計的微機械陀螺儀沒有旋轉部件、不需要軸承，已被證明可以用微機械加工技術大批量生產(chǎn)。絕大多數(shù)微機械陀螺儀依賴于由相互正交的振動和轉動引起的交變科里奧利力。振動物體被柔軟的彈性結構懸掛在基底之上。整體動力學系統(tǒng)是

12、二維彈性阻尼系統(tǒng)，在這個系統(tǒng)中振動和轉動誘導的科里奧利力把正比于角速度的能量轉移到傳感模式。一般的微機械陀螺儀由梳子結構的驅(qū)動部分和電容板形狀的傳感部分組成。有的設計還帶有去驅(qū)動和傳感耦合的結構。典型典型MEMS器件介紹器件介紹-微機械陀螺儀微機械陀螺儀微機械陀螺儀的發(fā)展概述微機械陀螺儀的發(fā)展概述根據(jù)近幾年國內(nèi)文獻，目前我國在慣性導航中應用研究中的陀螺儀按結構構成大致可以分為三類：機械陀螺儀，光學陀螺機械陀螺儀，光學陀螺儀，微機械陀螺儀儀，微機械陀螺儀。機械陀螺儀指利用高速轉子的轉軸穩(wěn)定性來測量載體正確方位的角傳感器。自 1910 年首次用于船載指北陀螺羅經(jīng)以來，人們探索過很多種機械陀螺儀，

13、液浮陀螺、動力調(diào)諧陀螺和靜電陀螺是技術成熟的三種剛體轉子陀螺儀，精度在 10E-6 度/小時10E-4 度/小時范圍內(nèi)，達到了精密儀器領域內(nèi)的高技術水平。在 1965 年，我國的清華大學首先開始研制靜電陀螺，應用背景是“高精度船用 INS”。 1967-1990，清華大學、常州航海儀器廠、上海交通大學等合作研制成功了靜電陀螺工程樣機，其零偏漂移誤差小于0.5/h，隨機漂移誤差小于0.001/h，中國和美國、俄羅斯并列成為世界上掌握靜電陀螺技術的國家。 隨著光電技術的發(fā)展，激光陀螺，光纖陀螺應運而生。與激光陀螺儀相比較，光纖陀螺儀成本較低，比較適合批量生產(chǎn)。我國光纖陀螺的研究起步較晚，但已經(jīng) 取

14、得了很多可喜的成績。航天科工集團、航天科技集團、浙大、北方交大、北航等 單位相繼開展了光纖陀螺的研究。根據(jù)目前掌握的信息看，國內(nèi)的光纖陀螺研制精 度已經(jīng)達到了慣導系統(tǒng)的中低精度要求，有些技術甚至達到了國外同類產(chǎn)品的水平。 從 20 世紀開始，由于電子技術和微機械加工技術的發(fā)展，使微機電陀螺成為現(xiàn)實。從 20 世紀 90年代以來，微機電陀螺已經(jīng)在民用產(chǎn)品上得到了廣泛的應用，部分應用在低精度 的慣性導航產(chǎn)品中1。我國微機電陀螺的研究開始于 1989 年，現(xiàn)在已經(jīng)研制出數(shù)百 微米大小的靜電電機和3mm的壓電電機。清華大學的導航與控制教研組的陀螺技術十分成熟，并已經(jīng)掌握微機械與光波導陀螺技術，現(xiàn)已經(jīng)做

15、出了微型陀螺儀樣機， 并取得了一些數(shù)據(jù)。東南大學精密儀器與機械系科學研究中心也不斷進行關鍵部件、 微機械陀螺儀和新型慣性裝置與GPS 組合導航系統(tǒng)的開發(fā)研究，滿足了軍民兩用市場的需要。 總之，隨著科學技術的發(fā)展，相比于靜電陀螺的高成本，成本較低的光纖陀螺和微機械陀螺的精度越來越高，是未來陀螺技術的發(fā)展總趨勢。典型典型MEMS器件介紹器件介紹-MEMS壓力傳感器壓力傳感器MEMS壓力傳感器原理壓力傳感器原理 目前的目前的MEMS壓力傳感器有壓力傳感器有硅壓阻式壓力傳感器硅壓阻式壓力傳感器和和硅電容式壓力傳感器硅電容式壓力傳感器，兩者都是在硅片，兩者都是在硅片上生成的微機械電子傳感器。上生成的微機

16、械電子傳感器。 硅壓阻式壓力傳感器是采用高精密半導體電阻應變片組成惠斯頓電橋作為力電變換測量電硅壓阻式壓力傳感器是采用高精密半導體電阻應變片組成惠斯頓電橋作為力電變換測量電路的，具有較高的測量精度、較低的功耗和極低的成本?；菟诡D電橋的壓阻式傳感器，路的，具有較高的測量精度、較低的功耗和極低的成本。惠斯頓電橋的壓阻式傳感器，如無壓如無壓力變化，其輸出為零，幾乎不耗電力變化，其輸出為零，幾乎不耗電。其電原理如圖。其電原理如圖1所示。硅壓阻式壓力傳感器其應變片電橋的所示。硅壓阻式壓力傳感器其應變片電橋的光刻版本如圖光刻版本如圖2。典型典型MEMS器件介紹器件介紹-MEMS壓力傳感器壓力傳感器 MEM

17、S硅壓阻式壓力傳感器采用周邊硅壓阻式壓力傳感器采用周邊固定的圓形應力杯硅薄膜內(nèi)壁，采用固定的圓形應力杯硅薄膜內(nèi)壁，采用MEMS技術直接將四個高精密半導體應變技術直接將四個高精密半導體應變片刻制在其表面應力最大處，組成惠斯頓片刻制在其表面應力最大處，組成惠斯頓測量電橋，作為力電變換測量電路，將壓測量電橋，作為力電變換測量電路，將壓力這個物理量直接變換成電量，其測量精力這個物理量直接變換成電量，其測量精度能達度能達0.01-0.03%FS。硅壓阻式壓力傳感。硅壓阻式壓力傳感器結構如圖器結構如圖3所示，上下二層是玻璃體，所示，上下二層是玻璃體，中間是硅片，硅片中部做成一應力杯，其中間是硅片，硅片中部

18、做成一應力杯，其應力硅薄膜上部有一真空腔，使之成為一應力硅薄膜上部有一真空腔，使之成為一個典型的絕壓壓力傳感器。應力硅薄膜與個典型的絕壓壓力傳感器。應力硅薄膜與真空腔接觸這一面經(jīng)光刻生成如圖真空腔接觸這一面經(jīng)光刻生成如圖2的電的電阻應變片電橋電路。當外面的壓力經(jīng)引壓阻應變片電橋電路。當外面的壓力經(jīng)引壓腔進入傳感器應力杯中，應力硅薄膜會因腔進入傳感器應力杯中，應力硅薄膜會因受外力作用而微微向上鼓起，發(fā)生彈性變受外力作用而微微向上鼓起，發(fā)生彈性變形，四個電阻應變片因此而發(fā)生電阻變化，形，四個電阻應變片因此而發(fā)生電阻變化，破壞原先的惠斯頓電橋電路平衡，電橋輸破壞原先的惠斯頓電橋電路平衡，電橋輸出與壓力成正比的電壓信號。圖出與壓力成正比的電壓信號。圖4是封裝是封裝如集成電路的硅壓阻式壓力傳感器實物照如集成電路的硅壓阻式壓力傳感器實物照片。片。典型典型MEMS器件介紹器件介紹-MEMS壓力傳感器壓力傳感器MEMS壓力傳感器的應用壓力傳感器的應用 MEMS壓力傳感器廣泛應用于汽車電子如壓力傳感器廣泛應用于汽車電子如TPMS、發(fā)動機機油壓力傳感器、汽車剎車系、發(fā)動機機油壓力傳感器、汽車剎車系統(tǒng)空氣