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(jī)電系統(tǒng)簡(jiǎn)介微機(jī)電系統(tǒng)簡(jiǎn)介 1總結(jié)總結(jié)3MEMS微機(jī)電系統(tǒng)簡(jiǎn)介微機(jī)電系統(tǒng)簡(jiǎn)介 MEMSMEMS是微機(jī)電系統(tǒng)（是微機(jī)電系統(tǒng)（Micro-Electro-Micro-Electro-Mechanical SystemsMechanical Systems）的英文縮寫。）的英文縮寫。MEMSMEMS是美國的是美國的叫法，在日本被稱為微機(jī)械，在歐洲被稱為微系統(tǒng)，叫法，在日本被稱為微機(jī)械，在歐洲被稱為微系統(tǒng)，它是指可批量制作的，集微型機(jī)構(gòu)、微型傳感器、它是

2、指可批量制作的，集微型機(jī)構(gòu)、微型傳感器、微型執(zhí)行器以及信號(hào)處理和控制電路、直至接口、微型執(zhí)行器以及信號(hào)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)。通信和電源等于一體的微型器件或系統(tǒng)。MEMSMEMS是隨是隨著半導(dǎo)體集成電路微細(xì)加工技術(shù)和超精密機(jī)械加工著半導(dǎo)體集成電路微細(xì)加工技術(shù)和超精密機(jī)械加工技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展起來的，目前技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展起來的，目前MEMSMEMS加工技術(shù)還被加工技術(shù)還被廣泛應(yīng)用于微流控芯片與合成生物學(xué)等領(lǐng)域，從而廣泛應(yīng)用于微流控芯片與合成生物學(xué)等領(lǐng)域，從而進(jìn)行生物化學(xué)等實(shí)驗(yàn)室技術(shù)流程的芯片集成化進(jìn)行生物化學(xué)等實(shí)驗(yàn)室技術(shù)流程的芯片集成化。 MEMSMEMS技術(shù)

3、的發(fā)展開辟了一個(gè)全新的技術(shù)技術(shù)的發(fā)展開辟了一個(gè)全新的技術(shù)領(lǐng)域和產(chǎn)業(yè)，采用領(lǐng)域和產(chǎn)業(yè)，采用MEMSMEMS技術(shù)制作的微傳感器、技術(shù)制作的微傳感器、微執(zhí)行器、微型構(gòu)件、微機(jī)械光學(xué)器件、真空微執(zhí)行器、微型構(gòu)件、微機(jī)械光學(xué)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(xué)、環(huán)境監(jiān)控、軍事以及幾乎人汽車、生物醫(yī)學(xué)、環(huán)境監(jiān)控、軍事以及幾乎人們所接觸到的所有領(lǐng)域中都有著十分廣闊的應(yīng)們所接觸到的所有領(lǐng)域中都有著十分廣闊的應(yīng)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(jì)70年代末80年代初，當(dāng)時(shí)用大型蝕刻硅片結(jié)構(gòu)和背蝕刻膜片制作壓力傳

4、感器。由于薄硅片振動(dòng)膜在壓力下變形，會(huì)影響其表面的壓敏電阻曲線，這種變化可以把壓力轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。后來的電路則包括電容感應(yīng)移動(dòng)質(zhì)量加速計(jì)，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(jì)90年代，主要圍繞著PC和信息技術(shù)的興起。TI公司根據(jù)靜電驅(qū)動(dòng)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(jì)之交，微光學(xué)器件通過全光開關(guān)及相關(guān)器件而成為光纖通訊的補(bǔ)充。盡管該市場(chǎng)現(xiàn)在蕭條，但微光學(xué)器件從長(zhǎng)期看來將是MEMS一個(gè)增長(zhǎng)強(qiáng)勁的領(lǐng)域。目前MEMS產(chǎn)業(yè)呈現(xiàn)的新趨勢(shì)是產(chǎn)品應(yīng)用的擴(kuò)展，其開始向工業(yè)、醫(yī)療、測(cè)試儀器等新領(lǐng)域擴(kuò)張。推動(dòng)第四輪商業(yè)化的其它應(yīng)用包括一些

5、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(shí)驗(yàn)室生化藥品開發(fā)系統(tǒng)和微型藥品輸送系統(tǒng)的靜態(tài)和移動(dòng)器件。MEMS微機(jī)電系統(tǒng)簡(jiǎn)介微機(jī)電系統(tǒng)簡(jiǎn)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(zhǎng)的帶動(dòng)下，中國MEMS傳感器市場(chǎng)規(guī)模有望進(jìn)一步擴(kuò)大。此外，不斷涌現(xiàn)的新產(chǎn)品以及新應(yīng)用也成為這一市場(chǎng)持續(xù)發(fā)展的重要保障。2011-2013年，中國MEMS傳感器市場(chǎng)將持續(xù)保持兩位數(shù)增長(zhǎng)水平，但從2012年開始，隨著金融危機(jī)導(dǎo)致的恢復(fù)性增長(zhǎng)因素的消退，以及市場(chǎng)基數(shù)的增大，中國MEMS傳感器市場(chǎng)增速將有所回調(diào)。到2013年，中國MEMS傳感器市場(chǎng)銷售額預(yù)計(jì)將達(dá)214.

6、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(shù)已經(jīng)相對(duì)成熟和穩(wěn)定，技術(shù)研發(fā)主要體現(xiàn)在性能及指標(biāo)的優(yōu)化。DMD微鏡陣列為更好應(yīng)用于手機(jī)等便攜設(shè)備，其尺寸的進(jìn)一步微縮也成為研發(fā)重點(diǎn)。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?yīng)用也成為整體MEMS傳感器市場(chǎng)的一大亮點(diǎn)。此外，一些前沿產(chǎn)品如新型MEMS振蕩器、基于MEMS技術(shù)的存儲(chǔ)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(shí)現(xiàn)良好的經(jīng)濟(jì)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(dú)的芯片向模塊和系統(tǒng)解決方案升級(jí)，以加快產(chǎn)品上市進(jìn)程和應(yīng)用推廣。典型典型MEMS器件介紹器件介紹-MEMS麥克風(fēng)麥克

7、風(fēng) MEMSMEMS（微型機(jī)電系統(tǒng)）（微型機(jī)電系統(tǒng)） 麥克風(fēng)是基于麥克風(fēng)是基于MEMSMEMS技術(shù)制造的麥克風(fēng)，簡(jiǎn)單的說就是一個(gè)電技術(shù)制造的麥克風(fēng)，簡(jiǎn)單的說就是一個(gè)電容器集成在微硅晶片上，可以采用表貼工藝進(jìn)容器集成在微硅晶片上，可以采用表貼工藝進(jìn)行制造行制造, ,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 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(jìn)的噪聲消除性能和良好的進(jìn)的噪聲消除性能和良好的 RF RF 及及 EMI EMI 抑制抑制性能性能.MEMS.MEMS麥克風(fēng)的全部潛能還有待挖掘，但麥克風(fēng)的全部潛能還有待挖掘

8、，但是采用這種技術(shù)的產(chǎn)品已經(jīng)在多種應(yīng)用中體現(xiàn)是采用這種技術(shù)的產(chǎn)品已經(jīng)在多種應(yīng)用中體現(xiàn)出了諸多優(yōu)勢(shì)，特別是中高端手機(jī)應(yīng)用中。出了諸多優(yōu)勢(shì)，特別是中高端手機(jī)應(yīng)用中。MEMSMEMS麥克風(fēng)的優(yōu)勢(shì)麥克風(fēng)的優(yōu)勢(shì)目前，實(shí)際使用的大多數(shù)麥克風(fēng)都是ECM(駐極體電容器)麥克風(fēng)，這種技術(shù)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(dòng)膜。和ECM的聚合材料振動(dòng)膜相比，MEMS麥克風(fēng)在不同溫度下的性能都十分穩(wěn)定，其敏感性不會(huì)受溫度、振動(dòng)、濕度和時(shí)間的影響。由于耐熱性強(qiáng)，MEMS麥克風(fēng)可承受260的高溫回流焊，而性能不會(huì)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

9、。典型典型MEMS器件介紹器件介紹-MEMS麥克風(fēng)麥克風(fēng)MEMSMEMS麥克風(fēng)的主要參數(shù)。麥克風(fēng)的主要參數(shù)。典型典型MEMS器件介紹器件介紹-MEMS麥克風(fēng)麥克風(fēng)MEMSMEMS麥克風(fēng)的發(fā)展前景麥克風(fēng)的發(fā)展前景對(duì)于大型的半導(dǎo)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(shè)計(jì)和制造能力，其次是ASIC設(shè)計(jì)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(gè)MEMS麥克風(fēng)市場(chǎng)，它們必須依賴半導(dǎo)體代工廠提供相關(guān)技術(shù)并和他們分享利潤(rùn)。現(xiàn)在，英飛凌的進(jìn)入意味著該市場(chǎng)擁有了新的選擇，并且降低了元件購買者的風(fēng)險(xiǎn)。尺寸方面的限制主要來自MEMS本身。另外，由于音頻

10、端口不能采用真空工具進(jìn)行操作，尺寸的進(jìn)一步縮小將會(huì)受到制造過程中標(biāo)準(zhǔn)自動(dòng)化貼裝工具的限制。ASIC中將會(huì)集成更多作用：ADC和數(shù)字輸出是第一步；還可利用標(biāo)準(zhǔn)組件，如風(fēng)噪信號(hào)過濾組件；專用接口和信號(hào)預(yù)處理將成為很大的應(yīng)用領(lǐng)域；RF屏蔽也會(huì)得到進(jìn)一步改進(jìn)。在音頻方面，MEMS麥克風(fēng)也會(huì)有很多變化。SMM310不只在20Hz20kHz的頻率范圍內(nèi)針對(duì)人聲進(jìn)行了優(yōu)化，還有較高的聲學(xué)敏感性。很難預(yù)測(cè)何時(shí)會(huì)出現(xiàn)帶有集成式麥克風(fēng)并能記錄美妙立體聲的單芯片攝像電話，但毫無疑問，技術(shù)正在朝著這個(gè)方向發(fā)展。典型典型MEMS器件介紹器件介紹-微機(jī)械陀螺儀微機(jī)械陀螺儀微機(jī)械陀螺儀（微機(jī)械陀螺儀（MEMS gyrosc

11、opeMEMS 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(dòng)量守恒原理，因此它主要是一個(gè)不停轉(zhuǎn)動(dòng)的物體，它的轉(zhuǎn)軸指向不隨承載它的支架的旋轉(zhuǎn)而變化。但是微機(jī)械陀螺儀的工作原理不是這樣的，因?yàn)橐梦C(jī)械技術(shù)在硅片襯底上加工出一個(gè)可轉(zhuǎn)動(dòng)的結(jié)構(gòu)可不是一件容易的事。微機(jī)械陀螺儀利用科里奧利力科里奧利力旋轉(zhuǎn)物體在有徑向運(yùn)動(dòng)時(shí)所受到的切向力。典型典型MEMS器件介紹器件介紹-微機(jī)械陀螺儀微機(jī)械陀螺儀微機(jī)械陀螺儀的結(jié)構(gòu)微機(jī)械陀螺儀的結(jié)構(gòu)微機(jī)械陀螺儀的設(shè)計(jì)和工作原理可能各種各樣，但是公開的 微機(jī)械陀螺結(jié)構(gòu)示意圖微機(jī)械陀螺儀均采用振動(dòng)物體傳感角速度振動(dòng)物體傳感角速度的概念。利用振動(dòng)來誘導(dǎo)和

12、探測(cè)科里奧利力而設(shè)計(jì)的微機(jī)械陀螺儀沒有旋轉(zhuǎn)部件、不需要軸承，已被證明可以用微機(jī)械加工技術(shù)大批量生產(chǎn)。絕大多數(shù)微機(jī)械陀螺儀依賴于由相互正交的振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)引起的交變科里奧利力。振動(dòng)物體被柔軟的彈性結(jié)構(gòu)懸掛在基底之上。整體動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)是二維彈性阻尼系統(tǒng)，在這個(gè)系統(tǒng)中振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)誘導(dǎo)的科里奧利力把正比于角速度的能量轉(zhuǎn)移到傳感模式。一般的微機(jī)械陀螺儀由梳子結(jié)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)部分和電容板形狀的傳感部分組成。有的設(shè)計(jì)還帶有去驅(qū)動(dòng)和傳感耦合的結(jié)構(gòu)。典型典型MEMS器件介紹器件介紹-微機(jī)械陀螺儀微機(jī)械陀螺儀微機(jī)械陀螺儀的發(fā)展概述微機(jī)械陀螺儀的發(fā)展概述根據(jù)近幾年國內(nèi)文獻(xiàn)，目前我國在慣性導(dǎo)航中應(yīng)用研究中的陀螺儀按結(jié)構(gòu)構(gòu)成大致可以

13、分為三類：機(jī)械陀螺儀，光學(xué)陀螺機(jī)械陀螺儀，光學(xué)陀螺儀，微機(jī)械陀螺儀儀，微機(jī)械陀螺儀。機(jī)械陀螺儀指利用高速轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)軸穩(wěn)定性來測(cè)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(jī)械陀螺儀， 液浮陀螺、動(dòng)力調(diào)諧陀螺和靜電陀螺是技術(shù)成熟的三種剛體轉(zhuǎn)子陀螺儀，精度在 10E-6 度/小時(shí)10E-4 度/小時(shí)范圍內(nèi)，達(dá)到了精密儀器領(lǐng)域內(nèi)的高技術(shù)水平。在 1965 年，我國的清華大學(xué)首先開始研制靜電陀螺，應(yīng)用背景是“高精度船用 INS”。 1967-1990，清華大學(xué)、常州航海儀器廠、上海交通大學(xué)等合作研制成功了靜電陀螺工程樣機(jī)，其零偏漂移誤差小于0.5/h，隨機(jī)漂移

14、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(shù)的國家。 隨著光電技術(shù)的發(fā)展，激光陀螺，光纖陀螺應(yīng)運(yùn)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) 取得了很多可喜的成績(jī)。航天科工集團(tuán)、航天科技集團(tuán)、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(dá)到了慣導(dǎo)系統(tǒng)的中低精度要求，有些技術(shù)甚至達(dá)到了國外同類產(chǎn)品的水平。 從 20 世紀(jì)開始，由于電子技術(shù)和微機(jī)械加工技術(shù)的發(fā)展，使微機(jī)電陀螺成為現(xiàn)實(shí)。從 20 世紀(jì) 90年代以來，微機(jī)電陀螺已經(jīng)在民用產(chǎn)品上得到了廣泛的應(yīng)用，

15、部分應(yīng)用在低精度 的慣性導(dǎo)航產(chǎn)品中1。我國微機(jī)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(jī)和3mm的壓電電機(jī)。清華大學(xué)的導(dǎo)航與控制教研組的陀螺技術(shù)十分成熟，并已經(jīng)掌握微機(jī)械與光波導(dǎo)陀螺技術(shù)，現(xiàn)已經(jīng)做出了微型陀螺儀樣機(jī)， 并取得了一些數(shù)據(jù)。東南大學(xué)精密儀器與機(jī)械系科學(xué)研究中心也不斷進(jìn)行關(guān)鍵部件、 微機(jī)械陀螺儀和新型慣性裝置與GPS 組合導(dǎo)航系統(tǒng)的開發(fā)研究，滿足了軍民兩用市場(chǎng)的需要。 總之，隨著科學(xué)技術(shù)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(jī)械陀螺的精度越來越高，是未來陀螺技術(shù)的發(fā)展總趨勢(shì)。典型典型MEMS器件介紹器件介紹-MEMS壓力傳感器壓力傳感器M

16、EMSMEMS壓力傳感器原理壓力傳感器原理 目前的目前的MEMSMEMS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(jī)械電子傳感器。上生成的微機(jī)械電子傳感器。 硅壓阻式壓力傳感器是采用高精密半導(dǎo)體電阻應(yīng)變片組成惠斯頓電橋作為力電變換測(cè)量硅壓阻式壓力傳感器是采用高精密半導(dǎo)體電阻應(yīng)變片組成惠斯頓電橋作為力電變換測(cè)量電路的，具有較高的測(cè)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，電路的，具有較高的測(cè)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，如無如無壓力變化，其輸出為零，幾乎

17、不耗電壓力變化，其輸出為零，幾乎不耗電。其電原理如圖。其電原理如圖1 1所示。硅壓阻式壓力傳感器其應(yīng)變片電橋所示。硅壓阻式壓力傳感器其應(yīng)變片電橋的光刻版本如圖的光刻版本如圖2 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 MEMSMEMS硅壓阻式壓力傳感器采用周硅壓阻式壓力傳感器采用周邊固定的圓形應(yīng)力杯硅薄膜內(nèi)壁，采用邊固定的圓形應(yīng)力杯硅薄膜內(nèi)壁，采用MEMSMEMS技術(shù)直接將四個(gè)高精密半導(dǎo)體應(yīng)變片技術(shù)直接將四個(gè)高精密半導(dǎo)體應(yīng)變片刻制在其表面應(yīng)力最大處，組成惠斯頓測(cè)刻制在其表面應(yīng)力最大處，組成惠斯頓測(cè)量電橋，作為力電變換測(cè)量電路，將壓力量電橋，作為力電變換測(cè)量電路，將壓力

18、這個(gè)物理量直接變換成電量，其測(cè)量精度這個(gè)物理量直接變換成電量，其測(cè)量精度能達(dá)能達(dá)0.01-0.03%FS0.01-0.03%FS。硅壓阻式壓力傳感器。硅壓阻式壓力傳感器結(jié)構(gòu)如圖結(jié)構(gòu)如圖3 3所示，上下二層是玻璃體，中所示，上下二層是玻璃體，中間是硅片，硅片中部做成一應(yīng)力杯，其應(yīng)間是硅片，硅片中部做成一應(yīng)力杯，其應(yīng)力硅薄膜上部有一真空腔，使之成為一個(gè)力硅薄膜上部有一真空腔，使之成為一個(gè)典型的絕壓壓力傳感器。應(yīng)力硅薄膜與真典型的絕壓壓力傳感器。應(yīng)力硅薄膜與真空腔接觸這一面經(jīng)光刻生成如圖空腔接觸這一面經(jīng)光刻生成如圖2 2的電阻的電阻應(yīng)變片電橋電路。當(dāng)外面的壓力經(jīng)引壓腔應(yīng)變片電橋電路。當(dāng)外面的壓力經(jīng)引

19、壓腔進(jìn)入傳感器應(yīng)力杯中，應(yīng)力硅薄膜會(huì)因受進(jìn)入傳感器應(yīng)力杯中，應(yīng)力硅薄膜會(huì)因受外力作用而微微向上鼓起，發(fā)生彈性變形，外力作用而微微向上鼓起，發(fā)生彈性變形，四個(gè)電阻應(yīng)變片因此而發(fā)生電阻變化，破四個(gè)電阻應(yīng)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，電橋輸出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(hào)。圖與壓力成正比的電壓信號(hào)。圖4 4是封裝如是封裝如集成電路的硅壓阻式壓力傳感器實(shí)物照片。集成電路的硅壓阻式壓力傳感器實(shí)物照片。典型典型MEMS器件介紹器件介紹-MEMS壓力傳感器壓力傳感器MEMSMEMS壓力傳感器的應(yīng)用壓力傳感器的應(yīng)用 MEMSMEMS壓力傳感器廣泛應(yīng)用于汽車電子如壓力傳感器廣泛應(yīng)用于汽車電子如TPMSTPMS、發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油壓力傳感器、汽車剎車系統(tǒng)空氣發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油壓力傳感器、汽車剎車系統(tǒng)空氣壓力傳感器、汽