微机电系统(MEMS)技术

　　在不到20年的时间里，微机电系统(MEMS)技术已经从一个有趣的学术实践变成了许多常见产品的组成部分。但与大多数新技术一样，MEMS技术的实际实施也需要一段时间。本文介绍了设计成功的MEMS产品(ADXL2O2E)所面临的设计挑战。

　　在早期的MEMS系统中，采用了一片传感元件(MEMS结构)和另一片芯片上的信号调理电子学的多芯片方法。虽然从过程的角度来看，这种方法比较简单，但它有许多缺点：

　　*整体硅面积一般较大。

　　*多芯片模块需要额外的组装步骤。

　　*多芯片组件的产量一般较低。

　　*需要来自传感器的较大信号来克服芯片到芯片互连的杂散电容，而杂散场需要更大的传感器结构。

　　*通常需要更大的封装来容纳双芯片结构。

　　当然，历史告诉我们，集成是最具成本效益和高性能的解决方案。因此，模拟器件采用一种集成的方式来实现MEMS，其中传感器和信号调理电子都在一个芯片上。

图1

　　最新一代的ADXL2O2E是近几十年来制造集成MEMS加速度计的经验的结果。它是世界上最小的量产，低克，低成本，集成MEMS双轴加速度计.

　　图1显示了ADXL2O2E的机械结构以及图2中的一些关键尺寸。

图2

　　多晶硅弹簧将MEMS结构悬挂在衬底上，这样传感器的主体(也称为证明质量)可以在X和Y轴上移动。加速度导致验证质量偏离其中心位置。四面的正方形证明质量是32套径向手指。

　　这些手指位于固定在基板上的板之间。每根手指和一对固定板组成一个差动电容，通过测量差动电容来确定验证质量的偏转。

　　该传感方法具有动态加速度(即冲击或振动)和静态加速度(即倾斜或重力)的能力。

　　采用同步调制/解调技术测量差动电容。放大后，X和Y轴加速度信号分别经过32 KOhm电阻到输出引脚(CX和Cy)和占空比调制器(总体结构见图3中的框图)。用户可以通过在CX和Cy引脚处添加电容器来限制带宽，从而降低噪声地板。

　　输出信号电压与加速度成正比，脉宽调制(PWM)与加速度成正比.使用PWM输出，用户可以使用计数器直接将ADXL2O2接口到微控制器的数字输入端来解码PWM。

图3

　　MEMS设计面临的挑战

　　微观机械系统的机械设计，甚至是简单的系统，首先需要了解所使用的各种元素的力学行为。虽然机械动力学的基本规则在小型化的世界中仍然遵循，但这些结构中使用的许多材料都没有很好的机械特性。例如，大多数MEMS系统使用多晶硅来建造机械结构。多晶硅是IC世界中一种常见的材料，与IC制造工艺兼容。

　　直到最近，人们还没有做多少工作来充分了解多晶硅的力学性能。此外，在微观世界中，许多材料的力学性能也发生了变化。再一次，多晶硅就是一个很好的例子。在宏观世界中，它很少被用作机械元件。它太脆、太脆弱，除了微小的机械偏转外，其他都承受不了。但在极小的移动MEMS结构(不到几个下午)，它被证明是一个几乎理想的材料。

　　MEMS传感器的电子设计具有很大的挑战性。大多数MEMS传感器(包括ADXL2O2E)的机械系统都是为了实现可变电容器而设计的。电子学用于将可变电容转换为可变电压或电流，放大，线性化，在某些情况下，温度补偿信号。这是一项具有挑战性的任务，因为所涉及的信号非常微小。

　　例如，在ADXL2O2E的情况下，最小的可分辨信号约为2OzF，这是在一个共模信号之上的几个数量级以上！当然，由于成本原因，电子产品必须同时尽可能紧凑。

　　综合办法提出了进一步的挑战。许多改进机械结构的标准生产步骤使电子产品退化，反之亦然。例如，通常的方法扁平多晶硅机械结构是退火(其中结构暴露在受控的高温)。虽然退火过程有利于机械结构，但它可以降解或破坏用于信号调理电子学的BiMOS晶体管。因此，必须设计兼容的机械和电子加工方法。

　　MEMS设计的另一个障碍是没有标准的设计软件。现代集成电路很少是手工设计的。利用复杂的CAD和仿真软件帮助设计和优化设计人员的概念。

　　MEMS设计软件还处于起步阶段，大多数MEMS制造商都开发了部分或全部的CAD和仿真软件，以满足他们的特殊需求。

　　制造工艺设计的挑战也许是最大的挑战。必须设计制造三维MEMS结构的技术.化学蚀刻和沟槽刻蚀可以用来“切割”固体多晶硅的结构，但必须使用额外的工艺步骤来去除图案多晶硅下面的材料，使其能够自由移动。

　　由于MEMS结构的运动部件，标准的注塑模IC封装不能使用。在移动MEMS结构周围必须保持某种类型的腔。因此，可供选择的低成本的空腔包装被开发出来。

　　此外，该包装还必须是机械稳定的，因为外部机械应力可能导致输出变化。

　　即使是普通的任务，如将晶片切割成单一模具，也变得复杂起来。在标准集成电路中，锯切过程产生的颗粒残渣不影响IC。在移动的MEMS结构中，这些粒子会破坏一个装置。

　　用户挑战

　　像几乎所有的电子设备一样，MEMS传感器没有表现出理想的行为。虽然大多数设计师已经学会了如何处理运算放大器和晶体管的非理想行为，但很少有人学习用于补偿非理想微机电系统行为的设计技术。在大多数情况下，教科书或课程中没有这类信息，因为这种技术很新。因此，一般来说，设计师必须从MEMS制造商那里获得这类信息。

　　例如，模拟设备维护一个网站，提供设计工具、参考设计和数十个特定于其MEMS加速度计的应用说明，以方便用户工作。

　　结语

　　与所有新技术一样，MEMS器件的设计者和用户都有一个学习曲线需要克服。这一努力是值得的，因为最新一代MEMS器件高性能和低成本已使创新的新产品在数十个市场。

　　理解MEMS

　　MEMS技术是传感器市场上的一颗新星。然而，围绕它们的能力存在许多误解，传统的传感器继续满足更广泛的应用范围。Sherborne传感器公司的JesseBonfeld研究了MEMS制造、微系统和MEMS器件的发展过程，以及它们对传感器市场的影响。

　　微机电系统(MEMS)既描述了一种设备或传感器，也描述了一种制造过程。MEMS传感器采用微型机械结构的微型器件，通常从1到100米(大约人类头发的厚度)不等，而MEMS制造工艺则提供了一种替代传统的宏观加工和装配技术的方法。

　　微机电系统在欧洲也被称为“微系统”，在日本被称为“微机械”，近年来，随着汽车工业广泛采用微机械运动传感器，以及加速度计和陀螺仪在消费电子产品中的应用越来越多，微机械器件已成为人们关注的焦点。也许最著名的消费电子包括MEMS运动传感器，包括一些领先的智能手机，游戏控制台/控制器。

　　微型机器的兴起

　　MEMS传感器将电气和机械元件组合在一块芯片上或上面，也就是说，它们是机电传感器。以这种方式，MEMS传感器在光谱的一端表示连续的桥接电子传感器，而在另一端表示机械传感器。然而，MEMS传感器的关键标准是，通常有一些具有机械功能的元件-即能够拉伸、偏转、旋转或振动的元件。

　　MEMS的发展来源于微电子工业，并将集成电路(IC)加工的传统技术与MEMS专用工艺相结合和扩展，以产生千分尺(百万分之一米)测量的小型机械结构。与集成电路制造一样，大多数MEMS传感器都是用硅(Si)晶片制造的，其中薄薄的一层材料被沉积在Si基片上，然后选择性地蚀刻掉，留下微观的三维结构，如光束、横膈膜、齿轮、杠杆或弹簧。这种被称为“块状微机械加工”的工艺在1970年代末和1980年代初被商业化，但后来发展了许多其他蚀刻和微机械加工概念和技术(见方框)。

　　第一台微机械压力传感器-也就是最初所称的“扩散式”传感器-是由库利特半导体公司在1960年代中期设计和制造的。压力传感器被称为“压阻式”压力传感器，或称“硅电池”，压力传感器由微机械硅膜片和压阻式应变计组成，这些应变计被扩散到硅或玻璃背板上。隔膜的顶部通过一个端口暴露在环境中，并在压力差的作用下发生变形。然后将膜片变形的范围转换为具有代表性的电信号，该电信号出现在传感器输出端。

　　微传感器和微机电系统

　　硅压力传感器的历史被广泛认为是微传感器进化的代表。微传感器是一种在亚毫米水平上至少有一个物理尺寸的传感器，今天可以用来测量或描述环境或物理状况，如加速度、高度、力、压力或温度。微加工技术也促进了微执行器的发展，微执行器是接受数据信号作为输入，然后根据该信号作为输出执行动作的设备。例如，用于控制气体和液体流动的微型阀门、用于重定向或调节光束的光开关和反射镜，以及用于开发正流体压力的微型泵。

　　集成电路技术和MEMS制造工艺的进步使集成了微传感器、微执行器和微电子集成电路的商业MEMS器件能够提供对物理环境的感知和控制。这些设备，也被称为“微系统”或“智能传感器”，能够通过测量机械、热、生物、化学、光学或磁现象从环境中收集信息。然后，IC处理这些信息并指示致动器通过移动、定位、调节、抽水或滤波来响应。任何设备或系统如果包含某种形式的MEMS制造部件，都可以被视为MEMS设备。在一个特定的微系统中，可以有任意数量的MEMS器件-从几个到几百万不等。

　　对MEMS器件的需求最初是由政府和军事/国防部门推动的。最近，与个人电脑中使用的微芯片相关的半导体制造工艺的成熟，以及与汽车和消费电子行业巨大需求的交叉，推动了MEMS传感器进入主流。当今的MEMS传感器主要是加速度计、陀螺仪和压力传感器。

　　创新与局限

　　通常，MEMS技术被认为是包罗万象的解决方案，而实际上，它们基本上仍然是一种产品，一种过程业务。一些公司自行开发和生产MEMS器件，定义为“IDMS”(集成设备制造商)，而有些公司将生产外包(无工厂)，而其他公司则经营这两种模式。市场上的混乱很大程度上可以归因于这种多样性，以及各种垂直接口使MEMS市场难以界定的方式。

　　在制造方面，由于市场进入成本高和封装MEMS器件的成本高，在传感器市场上经营的公司很少(如果有的话)提供MEMS和另一种技术。同样，一旦一家公司承诺制造MEMS器件，由于利润率低、开发成本高和复杂程度高，该公司很难改变重点。尽管如此，由于采用了批量制造技术，使得MEMS能够实现大量的生产，因此每个设备的成本都非常低。

　　对于任何MEMS制造商来说，直接向最终用户提供产品也是非常罕见的。由于MEMS传感器必须与外部环境相结合，将MEMS器件封装成一个可供终端用户直接使用的高阶组件，增加了额外的复杂性，需要专门知识和专业制造设施。这种市场动态类似于半导体行业，在半导体行业中，微芯片是批量生产、包装并交付给制造商业产品的制造商(如个人计算机)。

　　未来传感器的形状

　　MEMS技术和技术的进步意味着制造商现在能够生产非常有能力的MEMS传感器和设备，但许多不能直接安装到最终的应用程序中，因为它们无法在最终组装的苛刻条件下生存下来。相反，传统的传感器可以生存几乎任何装配过程和任何应用，但被认为是太大和太昂贵。因此，应用于商业产品的MEMS传感器制造商所面临的挑战是如何考虑MEMS的价格和形状因素，并将其封装成能够承受恶劣环境的东西。

　　事实上，这是第二个层次的包装，必须设想和理解的专业制造商前进，以实现增长潜力。今天，大多数工业创新和商业机会集中于现有MEMS器件的应用，以及将MEMS器件封装和集成在一个可供终端用户直接使用的系统中的新方法。

　　随着MEMS市场的复苏，敏捷的原始设备制造商将决定如何将传统的传感器制造技术和性能能力与新兴的MEMS趋势相结合，以克服材料需求和工艺上的局限性。如果后者得到解决，那么可以想象，所有传统的制造技术和传感器类型都将被取代，但在可预见的将来肯定不会。

　　具有更大力和运动范围的MEMS执行器

　　在微机电系统(MEMS)中，有多种力驱动方法可以用来移动结构。最常见的是静电驱动，其中施加电势会在表面之间产生吸引力。然而，目前的微执行器受行程依赖性的影响，无法同时获得大的驱动力和大的驱动行程。这些执行机构通常需要将整个设备足迹或体积的很大一部分用于驱动。此外，高电压往往是必要的，以实现所需的力量。

　　为了解决这些问题，弗吉尼亚大学的研究人员开发了一种基于毛细管力电控制的新型微执行器。这项技术允许在较低的电压水平上增加力量能力。毛细管力致动器(CFA)由两个相互平行的导电电极组成，其中至少一个电极被薄的绝缘介质层覆盖。导电液体桥横跨在两个表面之间，产生一种力，这种力可以通过在电极上施加压差来改变和控制。

　　施加的电势使电介质覆盖的表面电润湿，并减小了液体在表面的接触角。这改变了液体桥的形状和毛细管压力。与其他器件不同，本设计的原理是基于介质层有效面积的增加，而不是介质厚度的减小(静电致动器中的空气)。因此，在毛细管力致动器中，介电厚度可以非常小，而不会对驱动行程产生不利影响。在给定的外加电压下，这比静电驱动产生的力要大得多。

　　这种新的CFA技术允许很容易地实现平面外力(即与设备平面正常的力)，其能力比类似大小的静电执行机构大10-100倍。这一技术可用于广泛的应用，可以很容易地使用现有的工艺。

　　MEMS制造技术

　　体微加工-将Si基片的大部分蚀刻掉，留下所需的微机械元件。

　　晶片键合-允许硅基片(又称‘晶片’)连接到另一个基板上，通常是Si或玻璃，以构造更复杂的三维微结构，如微阀和微泵。

　　表面微加工-如果结构建在基板上而不是在基板内，则不可能使用体微机械加工来制造多组分、集成的微机械结构。

　　微成型-使用模具来定义结构层的沉积，并在陶瓷、玻璃、金属和聚合物等各种材料中制造高宽比3D微结构的工艺。

　　西甲一种将厚膜电阻(大于1mm)和高能x射线光刻技术相结合的微成型工艺，能够在各种材料中制造出高宽比的三维微结构。

　　高宽比微加工(HAR)-将表面微机械加工和块体微机械加工结合起来，使硅结构具有极高的纵横比，通过厚层硅(数百纳米，可达数百微米)。