典型MEMS器件介紹

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-MechanicalSystems）的英文縮寫。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、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。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(lái)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(shuō)出現(xiàn)于世紀(jì)之交，微光學(xué)器件通過(guò)全光開(kāi)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(lái)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(kāi)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)用包括一些面向射頻無(wú)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(kāi)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

未來(lái)三年，在中國(guó)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(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)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MEMS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20Hz~20kHz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(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（MEMSgyroscope）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——旋轉(zhuǎn)物體在有徑向運(yùn)動(dòng)時(shí)所受到的切向力。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-微機(jī)械陀螺儀微機(jī)械陀螺儀的發(fā)展概述

根據(jù)近幾年國(guó)內(nèi)文獻(xiàn)，目前我國(guó)在慣性導(dǎo)航中應(yīng)用研究中的陀螺儀按結(jié)構(gòu)構(gòu)成大致可以分為三類：機(jī)械陀螺儀，光學(xué)陀螺儀，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(lái)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(lái)，人們探索過(guò)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(guó)的清華大學(xué)首先開(kāi)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)漂移誤差小于0.001°/h，中國(guó)和美國(guó)、俄羅斯并列成為世界上掌握靜電陀螺技術(shù)的國(guó)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(guó)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(kāi)展了光纖陀螺的研究。根據(jù)目前掌握的信息看，國(guó)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(guó)外同類產(chǎn)品的水平。從20世紀(jì)開(kāi)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(lái)，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，部分應(yīng)用在低精度的慣性導(dǎo)航產(chǎn)品中[1]。我國(guó)微機(jī)電陀螺的研究開(kāi)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(kāi)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(lái)越高，是未來(lái)陀螺技術(shù)的發(fā)展總趨勢(shì)。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MEMS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)量電橋，作為力電變換測(cè)量電路，將壓力這個(gè)物理量直接變換成電量，其測(cè)量精度能達(dá)0.01-0.03%FS。硅壓阻式壓力傳感器結(jié)構(gòu)如圖3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)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)力硅薄膜與真空腔接觸這一面經(jīng)光刻生成如圖2的電阻應(yīng)變片電橋電路。當(dāng)外面的壓力經(jīng)引壓腔進(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，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，電橋輸出與壓力成正比的電壓信號(hào)。圖4是封裝如集成電路的硅壓阻式壓力傳感器實(shí)物照片。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)用于汽車電子如TPMS、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、汽車發(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