从原理到制造再到应用,这篇文章终于把MEMS技术讲透了!

2017-04-12 19:50:38 来源:知乎
揭开MEMS(微机电系统)的面纱

题图中所展示为放大后的MEMS结构与一根头发丝(0.05毫米 )

 

  1. 写在前面

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。

MEMS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1微米,相比之下头发的直径大约是50微米。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。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

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。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。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

图1. 8英寸硅片上的MEMS芯片(5mm X 5mm)示意图

图2. 从硅原料到硅片过程。硅片上的重复单元可称为芯片(chip 或die)。

(流程视频Computer History Museumyoutube.com/watch?

MEMS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MEMS技术的另一个优点。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。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。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,图4。ADXL203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。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)。

图3. MEMS与IC在不同的硅片上制造好了再粘合在同一个封装内

图4. ADXL203(单片集成MEMS与IC)

2.通信/移动设备


图7. 智能手机简化示意图(How MEMS Enable Smartphone Featureshttp://smartphoneworld.me/mobile-commerce-2-0-where-payments-location-and-advertising-converge

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。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。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天线开关数字调谐电容器实现多频带技术。

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。

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。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。BAW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,分别为低阻高阻状态,详见后续开关专题)。

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。

图8. FBAR示意图,压电薄膜悬空在腔体至上

图9. SMR示意图(非悬空结构,采用Bragg reflector布拉格反射层) (SAW/FBAR设备的工作原理及使用范例

如果所示,其中的红色线条表示震动幅度。固体声波在垂直方向发生反射,从而将能量集中于中间橙色的压电层中。顶部是与空气的交界面,接近于100%反射。底部是其与布拉格反射层的界面,无法达到完美反射,因此部分能量向下泄露。

实物FBAR扫描电镜图。故意将其设计成不平行多边形是为了避免水平方向水平方向反射导致的谐振,如果水平方向有谐振则会形成杂波。

上图所示为消除杂波前后等效导纳(即阻抗倒数,或者简单理解为电阻值倒数)。消除杂波后其特性曲线更平滑,效率更高,损耗更小,所形成的滤波器在同频带内的纹波更小。

图示为若干FBAR连接起来形成滤波器。右图为封装好后的FBAR滤波器芯片米粒对比,该滤波器比米粒还要小上许多。

3.可穿戴/植入式领域


图10. 用户与物联网

可穿戴/植入式MEMS属于物联网IoT重要一部分,主要功能是通过一种更便携、快速、友好的方式(目前大部分精度达不到大型外置仪器的水平)直接向用户提供信息。可穿戴/应该说是最受用户关注,最感兴趣的话题了。大部分用户对汽车、打印机内的MEMS无感,这些器件与用户中间经过了数层中介。但是可穿戴/直接与用户接触,提升消费者科技感,更受年轻用户喜爱,例子可见Fitbit等健身手环。该领域最重要的主要有三大块:消费、健康及工业,我们在此主要讨论更受关注的前两者。消费领域的产品包含之前提到的健身手环,还有智能手表等。健康领域,即医疗领域,主要包括诊断,治疗,监测和护理。比如助听、指标检测(如血压、血糖水平),体态监测MEMS几乎可以实现人体所有感官功能,包括视觉、听觉、味觉、嗅觉(如Honeywell电子鼻)、触觉等,各类健康指标可通过结合MEMS与生物化学进行监测。MEMS的采样精度,速度,适用性都可以达到较高水平,同时由于其体积优势直接植入人体,是医疗辅助设备中关键的组成部分。

传统大型医疗器械优势明显,精度高,但价格昂贵,普及难度较大,且一般一台设备只完成单一功能。相比之下,某些医疗目标可以通过MEMS技术,利用其体积小的优势,深入接触测量目标,在达到一定的精度下,降低成本,完成多重功能的整合。以近期所了解的一些MEMS项目为例,通过MEMS传感器对体内某些指标进行测量,同时MEMS执行器(actuator)可直接作用于器官或病变组织进行更直接的治疗,同时系统可以通过MEMS能量收集器进行无线供电,多组单元可以通过MEMS通信器进行信息传输。个人认为,MEMS医疗前景广阔,不过离成熟运用还有不短的距离,尤其考虑到技术难度,可靠性,人体安全等。

图11. MEMS实现人体感官功能

可穿戴设备中最著名,流行的便数苹果手表了,其实苹果手表和苹果手表结构已经非常相似了,处理器、存储单元、通信单元、(MEMS)传感器单元等,因此对此不在赘叙。

图12. 苹果手表示意图*Sensors for Wearable Electronics & Mobile Healthcare

其他领域

4.投影仪

投影仪所采用的MEMS微镜如图13,14所示(Designing MEMS-based DLP pico projectors),其中扫描电镜图则是来自于TI的Electrostatically-driven digital mirrors for projection systems。每个微镜都由若干锚anchor或铰链hinge支撑,通过改变外部激励从而控制同一个微镜的不同锚/铰链的尺寸从而微镜倾斜特定角度,将入射光线向特定角度反射。大量微镜可以形成一个阵列从而进行大面积的反射。锚/铰链的尺寸控制可以通过许多方式实现,一种简单的方式便是通过加热使其热膨胀,当不同想同一个微镜的不同锚/铰链通入不同电流时,可以使它们产生不同形变,从而向指定角度倾斜。TI采用的是静电驱动方式,即通入电来产生静电力来倾斜微镜。

图13 微镜的SEM示意图

图14 微镜结构示意图

德州仪器的数字微镜器件(DMD),广泛应用于商用或教学用投影机单元以及数字影院中。每16平方微米微镜使用其与其下的CMOS存储单元之间的电势进行静电致动。灰度图像是由脉冲宽度调制的反射镜的开启和关闭状态之间产生的。颜色通过使用三芯片方案(每一基色对应一个芯片),或通过一个单芯片以及一个色环或RGB LED光源来加入。采用后者技术的设计通过色环的旋转与DLP芯片同步,以连续快速的方式显示每种颜色,让观众看到一个完整光谱的图像 (5分钟带你了解什么是MEMS)。

TI有一个非常非常具体生动的视频介绍该产品,你可以在这个视频中看到整个微镜阵列如何对光进行不同角度的折射(youtube.com/watch?)。

图15 微镜反射光线示意图

5.MEMS 加速度计

加速度传感器是最早广泛应用的MEMS之一。MEMS,作为一个机械结构为主的技术,可以通过设计使一个部件(图15中橙色部件)相对底座substrate产生位移(这也是绝大部分MEMS的工作原理),这个部件称为质量块(proof mass)。质量块通过锚anchor,铰链hinge,或弹簧spring与底座连接。绿色部分固定在底座。当感应到加速度时,质量块相对底座产生位移。通过一些换能技术可以将位移转换为电能,如果采用电容式传感结构(电容的大小受到两极板重叠面积或间距影响),电容大小的变化可以产生电流信号供其信号处理单元采样。通过梳齿结构可以极大地扩大传感面积,提高测量精度,降低信号处理难度。加速度计还可以通过压阻式、力平衡式和谐振式等方式实现。

图15 MEMS加速度计结构示意图

图16 MEMS加速度计中位移与电容变化示意图

汽车碰撞后,传感器的proof mass产生相对位移,信号处理单元采集该位移产生的电信号,触发气囊。更直观的效果可以观看视频。

图17. 汽车碰撞后加速度计的输出变化。 可参见一下链接(youtube.com/watch?youtube.com/watch?

实物图,比例尺为20微米,即20/1000毫米。

6.打印喷嘴

一种设计精巧的打印喷如下图所示。两个不同大小的加热元件产生大小不一的气泡从而将墨水喷出。具体过程为:1,左侧加热元件小于右侧加热元件,通入相同电流时,左侧产生更多热量,形成更大气泡。左侧气泡首先扩大,从而隔绝左右侧液体,保持右侧液体高压力使其喷射。喷射后气泡破裂,液体重新填充该腔体。

图18. 采用气泡膨胀的喷墨式MEMS

图19. HP生产的喷墨式MEMS相关产品

另一种类型MEMS打印喷头,也是通过加热,气泡扩大将墨水挤出:


MEMS喷头nozzle及加热器heater实物图:

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还有一种类型是通过压电薄膜震动来挤压墨水出来:

7.开关/继电器

MEMS继电器与开关。其优势是体积小(密度高,采用微工艺批量制造从而降低成本),速度快,有望取代带部分传统电磁式继电器,并且可以直接与集成电路IC集成,极大地提高产品可靠性。其尺寸微小,接近于固态开关,而电路通断采用与机械接触(也有部分产品采用其他通断方式),其优势劣势基本上介于固态开关传统机械开关之间。MEMS继电器与开关一般含有一个可移动悬臂梁,主要采用静电致动原理,当提高触点两端电压时,吸引力增加,引起悬臂梁向另一个触电移动,当移动至总行程的1/3时,开关将自动吸合(称之为pull in现象)。pull in现象在宏观世界同样存在,但是通过计算可以得知所需的阈值电压高得离谱,所以我们日常中几乎不会看到。

图20. MEMS开关断合示意图

再贴上几张实物图片,与示意图并非完全一致,但是原理类似,都是控制着一个间隙gap接触与否:


另一类独特的MEMS开关-相变开关,相变材料是一类独特的材料,也是前段时间IBM人工神经元采用的材料,可参看文章:

从IBM人工神经元说起--相变材料与MEMS - 微机电系统(MEMS) - 知乎专栏

生物试验类

MEMS器件由于其尺寸接近生物细胞,因此可以直接对其进行操作。( youtube.com/watch?).

图21. MEMS操作细胞示意图

NEMS(纳机电系统)

NEMS(Nanoelectromechanical systems, 纳机电系统)与MEMS类似,主要区别在于NEMS尺度/重量更小,谐振频率高,可以达到极高测量精度(小尺寸效应),比MEMS更高的表面体积比可以提高表面传感器的敏感程度,(表面效应),且具有利用量子效应探索新型测量手段的潜力。

首个NEMS器件由IBM在2000年展示, 如图5所示。器件为一个 32X32的二维悬臂梁(2D cantilever array)。该器件采用表面微加工技术加工而成(MEMS中采用应用较多的有体加工技术,当然MEMS也采用了不少表面微加工技术,关于微加工技术将会在之后的专题进行介绍)。该器件设计用来进行超高密度,快速数据存储,基于热机械读写技术(thermomechanical writing and readout),高聚物薄膜作为存储介质。该数据存储技术来源于AFM(原子力显微镜)技术,相比磁存储技术,基于AFM的存储技术具有更大潜力。

快速热机械写入技术(Fast thermomechanical writing)基于以下概念(图6),‘写入’时通过加热的针尖局部软化/融化下方的聚合物polymer,同时施加微小压力,形成纳米级别的刻痕,用来代表一个bit。加热时通过一个位于针尖下方的阻性平台实现。对于‘读’,施加一个固定小电流,温度将会被加热平台和存储介质的距离调制,然后通过温度变化读取bit。 而温度变化可通过热阻效应(温度变化导致材料电阻变化)或者压阻效应(材料收到压力导致形变,从而导致导致材料电阻变化)读取。

图5. IBM 二维悬臂梁NEMS扫描电镜图(SEM)其针尖小于20nm

图6.快速热机械写入技术示意图

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