微机电系统(MEMS)技术所面临的挑战有哪些

        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，一个芯片上采用了传感元件（MEMS结构）和另一个芯片上的信号调节电子元件的多芯片方法。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，模拟设备采用了一种集成的MEMS方法，其中传感器和信号调节电子设备都在一个芯片上。
        
        图1
        最新一代ADXL2O2E是近几十年经验积累的结果，构建了集成MEMS加速度计。它是世界上最小的批量生产，低G，低成本，集成MEMS双轴加速度计。
        ADXL2O2E的机械结构如图1所示，一些关键尺寸如图2所示。
        
        图2
多晶硅弹簧将MEMS结构悬挂在基板上方，使得传感器的主体（也称为检测质量）可以在X和Y轴上移动。加速度导致检测质量从其中心位置偏转。方形检验质量的四边围绕着32组径向指状物。这些指状物位于固定在基板上的板之间。每个指状物和一对固定板构成差动电容器，并且通过测量差动电容来确定检测质量的偏转。该传感方法具有感测动态加速度（即冲击或振动）和静态加速度（即倾斜或重力）的能力。
        使用同步调制/解调技术测量差分电容。放大后，X轴和Y轴加速度信号分别通过一个32KOhm的电阻到达输出引脚（Cx和Cy）和一个占空比调制器（整体架构可以在图3的框图中看到）。用户可以通过在Cx和Cy引脚处添加电容来限制带宽，从而降低本底噪声。
        输出信号是与加速度成比例的电压和与加速度成比例的脉冲宽度调制（PWM）。使用PWM输出，用户可以使用计数器将ADXL2O2直接连接到微控制器的数字输入以解码PWM。
        
        图3
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        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件的机械性能。虽然在小型化的世界中仍然遵循机械动力学的基本规则，但是在这些结构中使用的许多材料没有良好的机械特征。例如，大多数MEMS系统使用多晶硅来构建机械结构。多晶硅是IC世界中熟悉的材料，并且与IC制造工艺兼容。
        直到最近，还没有完成多晶硅机械性能的工作。此外，许多材料的机械性能在微观世界中发生了变化。同样，多晶硅就是一个很好的例子。在宏观世界中，它很少用作机械元素。它太脆弱，不易受到机械偏转的影响。但是在MEMS结构极小的运动中（不到几分钟），它几乎是一种理想的材料。
        MEMS传感器的电子设计非常具有挑战性。大多数MEMS传感器（包括ADXL2O2E）机械系统设计用于实现可变电容器。电子器件用于将可变电容转换为可变电压或电流，放大，线性化，并且在某些情况下，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，最小的可分辨信号大约为20zF，这比共模信号高出几个数量级！当然，出于成本原因，电子设备必须同时制造得尽可能紧凑。
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        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会降低电子设备的性能，反之亦然。例如，通常将多晶硅机械结构压扁的方法是退火（其中结构暴露于受控高温下）。退火过程有利于器件的机械结构，但可以降解或破坏信号调理电子学中使用的BIMOS晶体管。因此，必须设计出兼容的机械和电子加工方法。
        MEMS设计的另一个障碍是标准设计软件不可用。现代集成电路很少用手工设计。复杂的计算机辅助设计和仿真软件用于帮助设计和优化设计人员的概念。微机电系统的设计软件还处于起步阶段，大多数微机电系统制造商开发部分或全部的计算机辅助设计和仿真软件，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，不能使用标准的塑料注射成型集成电路包装。移动MEMS结构周围必须保持一定类型的空腔。因此，开发了替代低成本的空腔包装。
        此外，由于外部机械应力可能导致输出变化，该包装也必须机械稳定。
        即使是普通的任务，如将晶圆切割成单个模具，也变得复杂起来。在标准IC中，锯切过程产生的颗粒残留物不会影响IC。在移动的MEMS结构中，这些粒子会破坏设备。
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        用户挑战
        与几乎所有的电子设备一样，MEMS传感器并没有表现出理想的性能。虽然大多数设计人员已经学会了如何处理运算放大器和晶体管的非理想行为，但很少有人学会了用于补偿非理想MEMS行为的设计技术。在大多数情况下，这种类型的信息在教科书或课程中是不可用的，因为这种技术是相当新的。因此，一般来说，设计师必须从MEMS制造商处获得此类信息。
        例如，模拟设备通过设计工具、参考设计和几十个特定于其MEMS加速度计的应用说明来维护一个网站，以方便用户工作。
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        结语
        与所有新技术一样，MEMS设备的设计者和用户都有一个学习曲线需要克服。这项努力是值得的，因为最新一代的MEMS设备高性能和低成本已使创新的新产品在数十个市场。
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        理解MEMS
        MEMS技术是传感器市场的新星。然而，围绕其能力存在许多误解，传统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）既描述了一种装置或传感器，又描述了一种制造工艺。MEMS传感器包括微型机械结构的微型装置，通常在1-100微米（大约相当于人头发的厚度）范围内，而MEMS制造工艺提供了传统宏观加工和装配技术的替代品。
        近年来，随着汽车工业广泛采用MEMS运动传感器，加速度计和陀螺仪在消费电子产品中的应用越来越多，MEMS设备在欧洲也被称为“微系统”，在日本也被称为“微机械”。也许最著名的消费类电子产品（包括MEMS运动传感器）包括一些领先的智能手机和游戏机/控制器。
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        微型机器的兴起
        MEMS传感器将电气和机械元件结合到一个芯片中或芯片上，即它们是机电传感器。通过这种方式，MEMS传感器在频谱一端代表一个连续的桥接电子传感器，在另一端代表一个机械传感器。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、旋转或振动的元件。
        微机电系统的发展源于微电子工业，它将集成电路（IC）加工的传统技术与微机电系统的特殊工艺相结合并加以扩展，以产生微米级（百万分之一米）的小型机械结构。与集成电路制造一样，大多数微机电系统传感器都是用硅（Si）晶片制造的，硅基片上沉积了薄层材料，然后选择性地蚀刻掉，留下微观的三维结构，如梁、横膈膜、齿轮、杠杆或弹簧。这种被称为“批量微加工”的工艺在70年代末和80年代初被商业化，但此后又发展出许多其他蚀刻和微加工概念和技术。
        第一个微机械压力传感器，即最初所知的“扩散”传感器，是由Kulite半导体公司在20世纪60年代中期设计和制造的。压力传感器被称为“压阻”压力传感器，或“硅电池”，由微机械硅薄膜WI构成。压阻式应变计扩散到它里面，融合到硅或玻璃背板上。隔膜的顶面通过一个孔暴露在环境中，并随着其上的压差而变形。然后，隔膜变形的程度被转换成一个代表性的电信号，出现在传感器输出端。
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        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发展的代表。微传感器是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条件，如加速度、高度、力、压力或温度。微加工技术也使微执行器的发展成为可能，微执行器是一种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装置。例如，用于控制气体和液体流动的微型阀、用于重定向或调节光束的光学开关和反射镜以及用于产生正流体压力的微型泵。
        集成电路技术和微机电系统制造工艺的进步使集成了微传感器、微执行器和微电子技术的商用微机电系统设备能够感知和控制物理环境。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、光学或磁性现象，从环境中收集信息。然后，集成电路处理这些信息，并指示执行器通过移动、定位、调节、泵送或过滤进行响应。如果任何设备或系统包含某种形式的MEMS制造组件，则可将其视为MEMS设备。在一个特定的微系统中，可以有任意数量的MEMS设备——从仅有的几个到几百万个。
        对微机电系统设备的需求最初是由政府和军事/国防部门推动的。最近，随着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，促使MEMS传感器成为主流。目前主要的MEMS传感器是加速度计、陀螺仪和压力传感器。
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        创新与局限
        通常情况下，MEMS技术被认为是无所不包的解决方案，而事实上，它们基本上仍是一个产品、一个过程的业务。许多公司自己开发和生产MEMS设备，并被定义为“IDMS”（集成设备制造商），而一些外包生产（无晶圆厂半导体）和其他运营这两种模式。市场上的许多混乱可以归因于这种多样性，各种垂直线随后的接口方式使得MEMS市场难以定义。
        在制造方面，很少有公司（如果有的话）在传感器市场上运营，因为市场准入成本高，包装MEMS设备的成本高，所以它们提供MEMS和其他技术。同样，一旦一家公司致力于制造MEMS设备，由于利润率低、开发成本高和复杂性大，该公司很难改变关注点。也就是说，由于采用了批量制造技术，MEMS确实能够实现大批量生产，因此每个设备的成本非常低。
        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。考虑到MEMS传感器必须与外部环境接口，将MEMS设备包装成更高阶的组件，最终用户可以直接使用，这就增加了一层额外的复杂性，需要专业知识和专业制造设施。这一市场动态类似于半导体行业，在半导体行业中，芯片是批量生产、包装并交付给制造商用产品（如个人电脑）的制造商。
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        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出功能强大的MEMS传感器和设备，但许多传感器和设备无法直接安装到最终应用程序中，因为它们无法经受最终组装的严酷考验。相反，传统的传感器几乎可以在任何组装过程和任何应用程序中存活下来，但被认为是太大和太贵了。因此，用于商业产品的MEMS传感器制造商面临的挑战是将MEMS的价格和形状因素考虑在内，并将其包装成能够承受恶劣环境的产品。
        事实上，这是第二层次的包装，必须预见和理解的专业制造商前进，以实现增长潜力。如今，大多数行业创新和商业机会都集中在现有MEMS设备的应用上，此外，还有将MEMS设备打包和集成到最终用户可以直接使用的系统中的新方法。
        随着微机电系统市场恢复增长，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微机电系统趋势相结合，以克服材料需求和工艺的局限性。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替换，但在可预见的未来肯定不会。
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        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)。