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從原理到制造再到應用,這篇文章終于把MEMS技術講透了!

2017-04-12 19:50:38 來源:知乎
揭開MEMS(微機電系統)的面紗

題圖中所展示為放大后的MEMS結構與一根頭發絲(0.05毫米 )

 

  1. 寫在前面

雖然大部分人對于MEMS(Microelectromechanical systems, 微機電系統/微機械/微系統)還是感到很陌生,但是其實MEMS在我們生產,甚至生活中早已無處不在了,智能手機,健身手環、打印機、汽車、無人機以及VR/AR頭戴式設備,部分早期和幾乎所有近期電子產品都應用了MEMS器件。

MEMS是一門綜合學科,學科交叉現象及其明顯,主要涉及微加工技術,機械學/固體聲波理論,熱流理論,電子學,生物學等等。MEMS器件的特征長度從1毫米1微米,相比之下頭發的直徑大約是50微米。MEMS傳感器主要優點是體積小、重量輕、功耗低、可靠性高、靈敏度高、易于集成等,是微型傳感器的主力軍,正在逐漸取代傳統機械傳感器,在各個領域幾乎都有研究,不論是消費電子產品、汽車工業、甚至航空航天、機械、化工及醫藥等各領域。常見產品有壓力傳感器,加速度計,陀螺,靜電致動光投影顯示器,DNA擴增微系統,催化傳感器

MEMS的快速發展是基于MEMS之前已經相當成熟的微電子技術、集成電路技術及其加工工藝。 MEMS往往會采用常見的機械零件和工具所對應微觀模擬元件,例如它們可能包含通道、孔、懸臂、膜、腔以及其它結構。然而,MEMS器件加工技術并非機械式。相反,它們采用類似于集成電路批處理式的微制造技術。批量制造能顯著降低大規模生產的成本。若單個MEMS傳感器芯片面積為5 mm x 5 mm,則一個8英寸(直徑20厘米)硅片(wafer)可切割出約1000個MEMS傳感器芯片(圖1),分攤到每個芯片的成本則可大幅度降低。因此MEMS商業化的工程除了提高產品本身性能、可靠性外,還有很多工作集中于擴大加工硅片半徑(切割出更多芯片),減少工藝步驟總數,以及盡可能地縮傳感器大小

圖1. 8英寸硅片上的MEMS芯片(5mm X 5mm)示意圖

圖2. 從硅原料到硅片過程。硅片上的重復單元可稱為芯片(chip 或die)。

(流程視頻Computer History Museumyoutube.com/watch?

MEMS需要專門的電子電路IC進行采樣或驅動,一般分別制造好MEMS和IC在同一個封裝內可以簡化工藝,如圖3。不過具有集成可能性MEMS技術的另一個優點。正如之前提到的,MEMS和ASIC (專用集成電路)采用相似的工藝,因此具有極大地潛力將二者集成,MEMS結構可以更容易地與微電子集成。然而,集成二者難度還是非常大,主要考慮因素是如何在制造MEMS保證IC部分的完整性。例如,部分MEMS器件需要高溫工藝,而高溫工藝將會破壞IC的電學特性,甚至熔化集成電路中低熔點材料。MEMS常用的壓電材料氮化鋁由于其低溫沉積技術,因為成為一種廣泛使用post-CMOS compatible(后CMOS兼容)材料。雖然難度很大,但正在逐步實現。與此同時,許多制造商已經采用了混合方法來創造成功商用并具備成本效益的MEMS 產品。一個成功的例子是ADXL203,圖4。ADXL203是完整的高精度、低功耗、單軸/雙軸加速度計,提供經過信號調理的電壓輸出,所有功能(MEMS & IC)均集成于一個單芯片。這些器件的滿量程加速度測量范圍為±1.7 g,既可以測量動態加速度(例如振動),也可以測量靜態加速度(例如重力)。

圖3. MEMS與IC在不同的硅片上制造好了再粘合在同一個封裝內

圖4. ADXL203(單片集成MEMS與IC)

2.通信/移動設備


圖7. 智能手機簡化示意圖(How MEMS Enable Smartphone Featureshttp://smartphoneworld.me/mobile-commerce-2-0-where-payments-location-and-advertising-converge

在智能手機中,iPhone 5采用了4個 MEMS傳感器,三星Galaxy S4手機采用了八個MEMS傳感器。iPhone 6 Plus使用了六軸陀螺儀&加速度計(InvenSense MPU-6700)、三軸電子羅盤(AKM AK8963C)、三軸加速度計(Bosch Sensortec BMA280),磁力計大氣壓力計(Bosch Sensortec BMP280)、指紋傳感器(Authen Tec的TMDR92)、距離傳感器環境光傳感器(來自AMS的TSL2581 )和MEMS麥克風。iphone 6s與之類似,稍微多一些MEMS器件,例如采用了4個MEMS麥克風。預計將來高端智能手機將采用數十個MEMS器件以實現多模通信、智能識別、導航/定位等功能。 MEMS硬件也將成為LTE技術亮點部分,將利用MEMS天線開關數字調諧電容器實現多頻帶技術。

以智能手機為主的移動設備中,應用了大量傳感器以增加其智能性,提高用戶體驗。這些傳感器并非手機等移動/通信設備獨有,在本文以及后續文章其他地方所介紹的加速度、化學元素、人體感官傳感器等可以了解相關信息,在此不贅敘。此處主要介紹通信中較為特別的MEMS器件,主要為與射頻相關MEMS器件。

通信系統中,大量不同頻率的頻帶(例如不同國家,不同公司間使用不同的頻率,2G,3G,LTE,CDMD以及藍牙,wifi等等不同技術使用不同的通信頻率)被使用以完成通訊功能,而這些頻帶的使用離不開頻率的產生。聲表面波器件,作為一種片外(off-chip)器件,與IC集成難度較大。表面聲波(SAW)濾波器曾是手機天線雙工器的中流砥柱。2005年,安捷倫科技推出基于MEMS體聲波(BAW)諧振器的頻率器件(濾波器),該技術能夠節省四分之三的空間。BAW器件不同于其他MEMS的地方在于BAW沒有運動部件,主要通過體積膨脹與收縮實現其功能。(另外一個非位移式MEMS典型例子是依靠材料屬性變化的MEMS器件,例如基于相變材料的開關,加入不同電壓可以使材料發生相變,分別為低阻高阻狀態,詳見后續開關專題)。

在此值得一提的事,安華高Avago(前安捷倫半導體事業部)賣的如火如荼的薄膜腔聲諧振器(FBAR)。也是前段時間天津大學在美國被抓的zhang hao研究的東西。得益于AlN氮化鋁壓電材料的沉積技術的巨大進步,AlN FBAR已經被運用在iphone上作為重要濾波器組件。下圖為FBAR和為SMR (Solidly Mounted Resonator)。其原理主要通過固體聲波在上下表面反射形成諧振腔。

圖8. FBAR示意圖,壓電薄膜懸空在腔體至上

圖9. SMR示意圖(非懸空結構,采用Bragg reflector布拉格反射層) (SAW/FBAR設備的工作原理及使用范例

如果所示,其中的紅色線條表示震動幅度。固體聲波在垂直方向發生反射,從而將能量集中于中間橙色的壓電層中。頂部是與空氣的交界面,接近于100%反射。底部是其與布拉格反射層的界面,無法達到完美反射,因此部分能量向下泄露。

實物FBAR掃描電鏡圖。故意將其設計成不平行多邊形是為了避免水平方向水平方向反射導致的諧振,如果水平方向有諧振則會形成雜波。

上圖所示為消除雜波前后等效導納(即阻抗倒數,或者簡單理解為電阻值倒數)。消除雜波后其特性曲線更平滑,效率更高,損耗更小,所形成的濾波器在同頻帶內的紋波更小。

圖示為若干FBAR連接起來形成濾波器。右圖為封裝好后的FBAR濾波器芯片米粒對比,該濾波器比米粒還要小上許多。

3.可穿戴/植入式領域


圖10. 用戶與物聯網

可穿戴/植入式MEMS屬于物聯網IoT重要一部分,主要功能是通過一種更便攜、快速、友好的方式(目前大部分精度達不到大型外置儀器的水平)直接向用戶提供信息。可穿戴/應該說是最受用戶關注,最感興趣的話題了。大部分用戶對汽車、打印機內的MEMS無感,這些器件與用戶中間經過了數層中介。但是可穿戴/直接與用戶接觸,提升消費者科技感,更受年輕用戶喜愛,例子可見Fitbit等健身手環。該領域最重要的主要有三大塊:消費、健康及工業,我們在此主要討論更受關注的前兩者。消費領域的產品包含之前提到的健身手環,還有智能手表等。健康領域,即醫療領域,主要包括診斷,治療,監測和護理。比如助聽、指標檢測(如血壓、血糖水平),體態監測MEMS幾乎可以實現人體所有感官功能,包括視覺、聽覺、味覺、嗅覺(如Honeywell電子鼻)、觸覺等,各類健康指標可通過結合MEMS與生物化學進行監測。MEMS的采樣精度,速度,適用性都可以達到較高水平,同時由于其體積優勢直接植入人體,是醫療輔助設備中關鍵的組成部分。

傳統大型醫療器械優勢明顯,精度高,但價格昂貴,普及難度較大,且一般一臺設備只完成單一功能。相比之下,某些醫療目標可以通過MEMS技術,利用其體積小的優勢,深入接觸測量目標,在達到一定的精度下,降低成本,完成多重功能的整合。以近期所了解的一些MEMS項目為例,通過MEMS傳感器對體內某些指標進行測量,同時MEMS執行器(actuator)可直接作用于器官或病變組織進行更直接的治療,同時系統可以通過MEMS能量收集器進行無線供電,多組單元可以通過MEMS通信器進行信息傳輸。個人認為,MEMS醫療前景廣闊,不過離成熟運用還有不短的距離,尤其考慮到技術難度,可靠性,人體安全等。

圖11. MEMS實現人體感官功能

可穿戴設備中最著名,流行的便數蘋果手表了,其實蘋果手表和蘋果手表結構已經非常相似了,處理器、存儲單元、通信單元、(MEMS)傳感器單元等,因此對此不在贅敘。

圖12. 蘋果手表示意圖*Sensors for Wearable Electronics & Mobile Healthcare

其他領域

4.投影儀

投影儀所采用的MEMS微鏡如圖13,14所示(Designing MEMS-based DLP pico projectors),其中掃描電鏡圖則是來自于TI的Electrostatically-driven digital mirrors for projection systems。每個微鏡都由若干錨anchor或鉸鏈hinge支撐,通過改變外部激勵從而控制同一個微鏡的不同錨/鉸鏈的尺寸從而微鏡傾斜特定角度,將入射光線向特定角度反射。大量微鏡可以形成一個陣列從而進行大面積的反射。錨/鉸鏈的尺寸控制可以通過許多方式實現,一種簡單的方式便是通過加熱使其熱膨脹,當不同想同一個微鏡的不同錨/鉸鏈通入不同電流時,可以使它們產生不同形變,從而向指定角度傾斜。TI采用的是靜電驅動方式,即通入電來產生靜電力來傾斜微鏡。

圖13 微鏡的SEM示意圖

圖14 微鏡結構示意圖

德州儀器的數字微鏡器件(DMD),廣泛應用于商用或教學用投影機單元以及數字影院中。每16平方微米微鏡使用其與其下的CMOS存儲單元之間的電勢進行靜電致動。灰度圖像是由脈沖寬度調制的反射鏡的開啟和關閉狀態之間產生的。顏色通過使用三芯片方案(每一基色對應一個芯片),或通過一個單芯片以及一個色環或RGB LED光源來加入。采用后者技術的設計通過色環的旋轉與DLP芯片同步,以連續快速的方式顯示每種顏色,讓觀眾看到一個完整光譜的圖像 (5分鐘帶你了解什么是MEMS)。

TI有一個非常非常具體生動的視頻介紹該產品,你可以在這個視頻中看到整個微鏡陣列如何對光進行不同角度的折射(youtube.com/watch?)。

圖15 微鏡反射光線示意圖

5.MEMS 加速度計

加速度傳感器是最早廣泛應用的MEMS之一。MEMS,作為一個機械結構為主的技術,可以通過設計使一個部件(圖15中橙色部件)相對底座substrate產生位移(這也是絕大部分MEMS的工作原理),這個部件稱為質量塊(proof mass)。質量塊通過錨anchor,鉸鏈hinge,或彈簧spring與底座連接。綠色部分固定在底座。當感應到加速度時,質量塊相對底座產生位移。通過一些換能技術可以將位移轉換為電能,如果采用電容式傳感結構(電容的大小受到兩極板重疊面積或間距影響),電容大小的變化可以產生電流信號供其信號處理單元采樣。通過梳齒結構可以極大地擴大傳感面積,提高測量精度,降低信號處理難度。加速度計還可以通過壓阻式、力平衡式和諧振式等方式實現。

圖15 MEMS加速度計結構示意圖

圖16 MEMS加速度計中位移與電容變化示意圖

汽車碰撞后,傳感器的proof mass產生相對位移,信號處理單元采集該位移產生的電信號,觸發氣囊。更直觀的效果可以觀看視頻。

圖17. 汽車碰撞后加速度計的輸出變化。 可參見一下鏈接(youtube.com/watch?youtube.com/watch?

實物圖,比例尺為20微米,即20/1000毫米。

6.打印噴嘴

一種設計精巧的打印噴如下圖所示。兩個不同大小的加熱元件產生大小不一的氣泡從而將墨水噴出。具體過程為:1,左側加熱元件小于右側加熱元件,通入相同電流時,左側產生更多熱量,形成更大氣泡。左側氣泡首先擴大,從而隔絕左右側液體,保持右側液體高壓力使其噴射。噴射后氣泡破裂,液體重新填充該腔體。

圖18. 采用氣泡膨脹的噴墨式MEMS

圖19. HP生產的噴墨式MEMS相關產品

另一種類型MEMS打印噴頭,也是通過加熱,氣泡擴大將墨水擠出:


MEMS噴頭nozzle及加熱器heater實物圖:

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還有一種類型是通過壓電薄膜震動來擠壓墨水出來:

7.開關/繼電器

MEMS繼電器與開關。其優勢是體積小(密度高,采用微工藝批量制造從而降低成本),速度快,有望取代帶部分傳統電磁式繼電器,并且可以直接與集成電路IC集成,極大地提高產品可靠性。其尺寸微小,接近于固態開關,而電路通斷采用與機械接觸(也有部分產品采用其他通斷方式),其優勢劣勢基本上介于固態開關傳統機械開關之間。MEMS繼電器與開關一般含有一個可移動懸臂梁,主要采用靜電致動原理,當提高觸點兩端電壓時,吸引力增加,引起懸臂梁向另一個觸電移動,當移動至總行程的1/3時,開關將自動吸合(稱之為pull in現象)。pull in現象在宏觀世界同樣存在,但是通過計算可以得知所需的閾值電壓高得離譜,所以我們日常中幾乎不會看到。

圖20. MEMS開關斷合示意圖

再貼上幾張實物圖片,與示意圖并非完全一致,但是原理類似,都是控制著一個間隙gap接觸與否:


另一類獨特的MEMS開關-相變開關,相變材料是一類獨特的材料,也是前段時間IBM人工神經元采用的材料,可參看文章:

從IBM人工神經元說起--相變材料與MEMS - 微機電系統(MEMS) - 知乎專欄

生物試驗類

MEMS器件由于其尺寸接近生物細胞,因此可以直接對其進行操作。( youtube.com/watch?).

圖21. MEMS操作細胞示意圖

NEMS(納機電系統)

NEMS(Nanoelectromechanical systems, 納機電系統)與MEMS類似,主要區別在于NEMS尺度/重量更小,諧振頻率高,可以達到極高測量精度(小尺寸效應),比MEMS更高的表面體積比可以提高表面傳感器的敏感程度,(表面效應),且具有利用量子效應探索新型測量手段的潛力。

首個NEMS器件由IBM在2000年展示, 如圖5所示。器件為一個 32X32的二維懸臂梁(2D cantilever array)。該器件采用表面微加工技術加工而成(MEMS中采用應用較多的有體加工技術,當然MEMS也采用了不少表面微加工技術,關于微加工技術將會在之后的專題進行介紹)。該器件設計用來進行超高密度,快速數據存儲,基于熱機械讀寫技術(thermomechanical writing and readout),高聚物薄膜作為存儲介質。該數據存儲技術來源于AFM(原子力顯微鏡)技術,相比磁存儲技術,基于AFM的存儲技術具有更大潛力。

快速熱機械寫入技術(Fast thermomechanical writing)基于以下概念(圖6),‘寫入’時通過加熱的針尖局部軟化/融化下方的聚合物polymer,同時施加微小壓力,形成納米級別的刻痕,用來代表一個bit。加熱時通過一個位于針尖下方的阻性平臺實現。對于‘讀’,施加一個固定小電流,溫度將會被加熱平臺和存儲介質的距離調制,然后通過溫度變化讀取bit。 而溫度變化可通過熱阻效應(溫度變化導致材料電阻變化)或者壓阻效應(材料收到壓力導致形變,從而導致導致材料電阻變化)讀取。

圖5. IBM 二維懸臂梁NEMS掃描電鏡圖(SEM)其針尖小于20nm

圖6.快速熱機械寫入技術示意圖

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