典型MEMS器件介紹課件

1、典型MEMS器件介紹09電科2 鐘禮浩 200930570230目 錄 各類典型MEMS器件介紹 2MEMS微機(jī)電系統(tǒng)簡(jiǎn)介 1總結(jié)3MEMS微機(jī)電系統(tǒng)簡(jiǎn)介 MEMS是微機(jī)電系統(tǒng)（Micro-Electro-Mechanical Systems）的英文縮寫(xiě)。MEMS是美國(guó)的叫法，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、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)。MEMS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)械加工技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展起來(lái)的，目前MEMS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，從而進(jìn)行生物化

2、學(xué)等實(shí)驗(yàn)室技術(shù)流程的芯片集成化。 MEMS技術(shù)的發(fā)展開(kāi)辟了一個(gè)全新的技術(shù)領(lǐng)域和產(chǎn)業(yè)，采用MEMS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、真空微電子器件、電力電子器件等在航空、航天、汽車(chē)、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)用前景。MEMS微機(jī)電系統(tǒng)簡(jiǎn)介 未來(lái)三年，在中國(guó)3C產(chǎn)品、汽車(chē)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(guó)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(guó)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(kāi)始，隨著金融危機(jī)導(dǎo)

3、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(guó)MEMS傳感器市場(chǎng)增速將有所回調(diào)。到2013年，中國(guó)MEMS傳感器市場(chǎng)銷(xiāo)售額預(yù)計(jì)將達(dá)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(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(lái)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ME

4、MS傳感器產(chǎn)品已經(jīng)從原來(lái)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MEMS器件介紹-MEMS麥克風(fēng) MEMS（微型機(jī)電系統(tǒng)） 麥克風(fēng)是基于MEMS技術(shù)制造的麥克風(fēng)，簡(jiǎn)單的說(shuō)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)行制造,能夠承受很高的回流焊溫度,容易和 CMOS 工藝及其它音頻電路相集成, 并具有改進(jìn)的噪聲消除性能和良好的 RF 及 EMI 抑制性能.MEMS麥克風(fēng)的全部潛能還有待挖掘，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)出了諸多優(yōu)勢(shì)，特別是中高端手機(jī)應(yīng)用中。MEMS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

5、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(guò)程中的音頻調(diào)試成本。典型MEMS器件介紹-MEMS麥克風(fēng)MEMS麥克風(fēng)的主要參數(shù)。典型MEMS器件介紹-MEMS麥克風(fēng)MEMS麥克風(fēng)的發(fā)展前景對(duì)于大型的半導(dǎo)體制造商來(lái)說(shuō)，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

6、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)?，F(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(gòu)買(mǎi)者的風(fēng)險(xiǎn)。尺寸方面的限制主要來(lái)自MEMS本身。另外，由于音頻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(guò)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(guò)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)

7、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(wú)疑問(wèn)，技術(shù)正在朝著這個(gè)方向發(fā)展。典型MEMS器件介紹-微機(jī)械陀螺儀微機(jī)械陀螺儀的結(jié)構(gòu)微機(jī)械陀螺儀的設(shè)計(jì)和工作原理可能各種各樣，但是公開(kāi)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)物體傳感角速度的概念。利用振動(dòng)來(lái)誘導(dǎo)和探測(cè)科里奧利力而設(shè)計(jì)的微機(jī)械陀螺儀沒(méi)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

8、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MEMS器件介紹-MEMS壓力傳感器MEMS壓力傳感器原理 目前的MEMS壓力傳感器有硅壓阻式壓力傳感器和硅電容式壓力傳感器，兩者都是在硅片上生成的微機(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)量電路的，具有較高的測(cè)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(wú)壓力變化，其輸出為零，幾乎不耗電。其電原理如圖1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2。典型MEMS器件介紹-MEMS壓力傳感器MEMS壓力傳感器的應(yīng)用 MEMS壓力傳感器廣泛應(yīng)用于汽車(chē)電子如TPMS、發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油壓力傳感器、汽車(chē)剎車(chē)系統(tǒng)空氣壓力傳感器、汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣歧管壓力傳感器（TMAP）、柴油機(jī)共軌壓力傳感器。消費(fèi)電子如胎壓計(jì)、血壓計(jì)、櫥用秤、健康秤，洗衣機(jī)、洗碗機(jī)、電冰箱、微波爐、烤箱、吸塵器用壓力傳感器，空調(diào)壓力傳感器，洗衣機(jī)、飲水機(jī)、洗碗機(jī)、太陽(yáng)能熱水器用液位控制壓力傳感器。工業(yè)電子如數(shù)字壓力表、數(shù)字流量表、工業(yè)配料稱重等。 典型的MEMS壓力傳感器管芯（die）結(jié)構(gòu)和電原理如圖7所示，左是電原理圖，即由