原创深度:MEMS技术的前世今生

什么是MEMS?

微机电系统(MEMS),在欧洲也被称为微系统技术,在日本则被称为微机械,是一类尺寸很小且制造方式特别的器件。MEMS器件的典型长度从1毫米到1微米不等,比人类头发的直径还小很多倍。

MEMS往往会采用常见的机械零件和工具所对应的微观模拟元件,例如它们可能包含通道、孔、悬臂、膜、腔以及其它结构。然而,MEMS器件加工技术并非机械式。相反,它们采用类似于集成电路批量处理的微制造技术。

今天有很多产品都利用了MEMS技术,如微换热器、喷墨打印头、高清投影仪的微镜阵列、压力传感器以及红外探测器等。

为什么需要MEMS?

“他们告诉我有一种小手指指甲大小的电动机。他们说,目前市场上有一种装置,通过它你可以在针头上写祷文。但这也没什么;这是最原始的,只是我打算讨论的方向上暂停的一小步,在其下就是一个惊人的小世界。公元2000年,当他们回顾当前阶段时,他们会想知道为何直到1960年,才有人开始认真地朝这个方向努力。”

--理查德·费曼,《底部仍然存在充足的空间》(There's Plenty of Room at the Bottom)发表于1959年12月29日于加州理工大学(Caltech)举办的美国物理学会年会上。

在这个经典的带预言性质的演讲《底部仍然存在充足的空间》中,理查德·费曼继续描述我们如何在针尖上写出《大英百科全书》的每一卷。但我们可能会问:为什么要在这样一个微小尺寸上操控这些对象?

MEMS器件可以完成许多用宏观器件执行的任务,同时还有很多独特的优势。这其中第一个并且最明显的一个优势就是小型化。如前所述,MEMS尺寸的器件,小到可以使用与目前集成电路类似的批量生产工艺制造。如同集成电路产业一样,批量制造能显著降低大规模生产的成本。一般情况下,MEMS需要的生产材料也少得多,可进一步降低成本。

除了价格更便宜,MEMS器件与比它们更大的对应器件相比,应用范围也更广。在智能手机、相机、气囊控制单元或类似的小型设备中,竭尽所能也设计不出金属球和弹簧加速度计;但将器件尺寸降低几个数量级后,MEMS器件就可以用在放不下传统传感器的应用中。

“图1:TI的数字微镜像素拆解视图。TEXAS
图1:TI的数字微镜像素拆解视图。TEXAS INSTRUMENTS版权所有。

易于集成是MEMS技术的另一个优点。因为它们采用与ASIC制造相似的制造流程,MEMS结构可以更轻松地与微电子集成。将MEMS与CMOS结构集成在一个真正一体化的器件中虽然难度很大,但并非不可能,而且已在逐步实现。与此同时,许多制造商已经采用了混合方法来制造成功商用并具备成本效益的MEMS产品。

Texas Instruments数字微镜器件(DMD)就是其中一个示例。DMD是TI DLP®技术的核心,它广泛应用于商用和教学用投影仪装置以及数字影院中。每16平方微米微镜使用其与其下的CMOS存储单元之间的电势进行静电致动。灰度图像是在脉冲宽度所调制反射镜的开启和关闭状态之间产生的。颜色通过使用三芯片方案(每一基色对应一个芯片),或通过一个单芯片以及一个色环或RGB LED光源来加入。采用后一种技术的设计通过色环的旋转来实现DLP芯片同步,以连续快速的方式显示每种颜色,让观众看到一个完整光谱的图像。
或许MEMS技术的一个最有趣特性是设计师得以展示在如此小尺寸的物理域中发掘物理独特性的能力——这一主题后面会再次谈及。

基于各种原因,许多MEMS产品在商业上取得了巨大成功,其中有很多器件已经获得广泛应用。汽车工业是MEMS技术的主要推动力之一。例如MEMS振动结构陀螺仪,是一款相当便宜的新设备,目前用于汽车防滑或电子稳定控制系统中。Murata Electonics Oy SCX系列MEMS加速度计、陀螺仪和倾斜仪,以及集成了这些功能各种组合的芯片可助力特定的汽车应用——这些应用要求在狭小的空间内实现非常高的精度。基于MEMS的气囊传感器自上世纪90年代起在几乎所有汽车中已经普遍取代了机械式碰撞传感器。图2显示了一个简化的MEMS加速度计示例,同碰撞传感器中使用的类似。一个带有一定质量块的悬臂梁连接到一个或多个固定点以作为弹簧。当传感器沿梁的轴线加速时,该梁会移动一段距离,这段距离可以通过梁的“牙齿”与外部固定导体之间的电容变化来测量。

“图2:简化的MEMS加速度计”
图2:简化的MEMS加速度计

许多商用和工业用喷墨打印机使用基于MEMS技术的打印机喷头,保持墨滴并在需要时精确地放下这些墨滴——这种技术被称为按需投放(DoD)。通过对压电材料(比如锆钛酸铅)组成的元件施加电压,让墨水变形。这增加了打印机喷头墨水室内的压力,让非常少量(相对不可压缩)的墨水从喷嘴中喷出。

“图3:基于MEMS按需投放技术的打印机喷头”
图3:基于MEMS按需投放技术的打印机喷头

与此同时,其它一些MEMS技术才刚开始大规模进入市场。比如欧姆龙(Omron)开发的微机械继电器 (MMR),更快、更高效,片上集成度前所未有。欧姆龙发挥了自己的微机电系统专业优势,为市场带来新款温度传感器:D6T非接触式MEMS温度传感器。D6T在MEMS制造过程中集成了ASIC和热电堆元件,所以这种小型化的非接触式温度传感器大小仅为18 x 14 x 8.8mm(4x4元件类型)。

当然,现在的MEMS技术并不局限于单一的传感器设备。为什么要这样?考虑下人类的感官:一只眼睛给我们提供颜色、运动和(某些)位置信息,而两只眼睛则使我们能够通过双目视觉提高深度知觉。事实上,我们的许多感性经验都需要感官的结合才能有意义。我们的想法是,通过结合感官数据,我们可以弥补每个个体感官的弱点和缺点,并在某种程度上达到对环境的更好理解。对于人类来说,这被称为“多模集成”;在电子学中,这被称为传感器融合。传感器融合,特别是与MEMS相关的传感器融合,是移动设备传感器技术的重要发展。许多制造商已经提供了完整的解决方案,如飞思卡尔(Freescale)面向Windows®8的12轴Xtrinsic传感器平台。该平台将三轴加速度计、三轴磁强计、压力传感器、三轴陀螺仪、环境光传感器与ColdFire+MCU集成在一起,作为一个整体硬件解决方案,然后再将其与专有的传感器融合软件结合。

随着MEMS器件的优势得到认可,MEMS市场继续加快增长的步伐。根据Yole Développement的2012年MEMS行业报告,MEMS“在未来六年将继续保持稳定、可持续的两位数增长”,到2017年全球市场规模将达到210亿美元。

MEMS设计与制造

“考虑这样小的机器会遇到什么问题很有趣。首先,如果各部件的压力维持相同强度,力随面积减小而变化,这样重量以及惯性等将相对无足轻重。换句话说,材料的强度所占比重将增加。比如,随着我们减小尺寸,只有旋转速度同比增加,飞轮离心力导致的压力和膨胀才能维持相同比例。”
-- 理查德·费曼,《底部仍然存在充足的空间》

缩放和小型化

在介绍MEMS设计和制造时,往往会先回顾一下缩放和小型化。例如,如果我们问,为什么不能简单地将空气压缩机或吊扇压缩到跳蚤大小?答案是压缩定律。跳蚤大小的吊扇与相当于其1000倍大的正常大小风扇的运行方式不同,因为所涉及力之间的相互强度发生了变化。比例因子S,有助于理解这中间发生了什么变化。

请考虑一个矩形,其面积等于长度和宽度的乘积;如果该矩形按比例因子100倍进行缩小 (即长度/ 100,宽度/ 100),那么该矩形的面积将缩小为原来的 (1/100) ^2= 1/10000。因此,面积的比例因子是S2。同样,体积的比例因子是S3—因此随着压缩比例越来越高,体积受到的影响比表面 (面积) 更大。

在一个给定的规模上,谨慎考虑不同力的比例因子可以揭示其中最相关的物理现象。表面张力的比例因子是S1,压力以及静电相关的力是S2,磁场力是S3,重力为S4。这就解释了水黾 (或称“水臭虫”) 为什么可以在水面上行走,以及为何一对滚球轴承的表现与一个双星系统不同。虽然任何设计中都需要开发完整的数学模型,但比例因子有助于指导我们如何设计MEMS大小的器件。

子系统建模

由于亚毫米器件的直观性不强,模型对于MEMS设计来说尤为重要。一般来说,一个完整的微机电系统太过复杂,难以从整体上进行模型分析,因此,通常需要将模型划分为多个子系统。

子系统建模的其中一种方式是按功能进行部件分类,比如传感器、执行器、微电子元件、机械结构等。集总元件建模采用了这种方法,将系统的物理部件表示为特征理想化的分立元件。电子电路以同样的方式进行建模,使用理想化的电阻、电容、二极管以及各种复杂元件。据我们了解,电路建模时电气工程师会尽量使用大大简化的基尔霍夫电路定律,而不是使用麦克斯韦方程。

再次,如同电子领域一样,系统可以使用框图进行更抽象的建模。在这个层级,可以非常方便地将每个元件的物理特性放到一边,而仅使用传递函数来描述系统。这种MEMS模型将更有利于控制理论技术,这是用于实现最高性能设计的一套重要工具。

设计集成

尽管标准IC设计通常由一系列步骤组成,但MEMS设计则截然不同;设计、布局、材料以及MEMS封装本质上是交织在一起的。正因为如此,MEMS设计比IC设计更复杂 — 通常要求每一个设计“阶段”同步发展。

MEMS封装过程可能是与CMOS设计分歧最大的地方。MEMS封装主要是保护器件免受环境损害,同时还提供一个对外接口以及减轻不必要的外部压力。MEMS传感器经常需要进行应力测量,过大的应力会造成器件变形及传感器漂移,从而影响正常功能。

每个MEMS设计的封装往往是唯一的,并且必须进行专门设计。业内众所周知,封装成本会占总成本的很大一部分 — 在有些情况下会超过50%。

MEMS封装没有统一标准,仅最近就有多种封装技术涌现,其中包括MEMS晶圆级封装 (WLP) 和硅通孔 (TSV) 技术。

制造

与微电子一样,MEMS制造的优势在于批量处理。和其它产品也一样,MEMS器件的规模量产增加了它的经济效益。就像集成电路制造一样,MEMS制造中光刻方法往往最具成本效益,当然也最常用。不过同时兼具优点和缺点的其它工艺,也在使用,包括化学/物理气相沉积 (CVD / PVD)、磊晶和干法蚀刻。

尽管很大程度上取决于具体应用,但相比于其电子性能,MEMS器件中使用的材料更被看重的是它们的机械性能。所需的机械性能可能包括:高刚度,高断裂强度和断裂韧性,化学惰性,以及高温稳定性。微光学机电系统 (MOEMS) 可能需要透明的基底,而许多传感器和执行器必须使用一些压电或压阻材料。

要学习关于MEMS器件的更多知识,欢迎访问贸泽电子网站。另外,从振荡器、开关、麦克风和电容式触摸传感器到流量、位置、运动、压力、光学和磁性传感器,还有数百种MEMS器件。MEMS技术将继续发展,并且还将继续缩小技术实现的尺寸。

“作者:David
作者:David Askew

David Askew是贸泽电子的技术内容专员,主要专长在于嵌入式系统和软件领域。他拥有美国德州大学阿灵顿分校的电子工程学士学位。

该发布文章为独家原创文章,转载请注明来源。对于未经许可的复制和不符合要求的转载我们将保留依法追究法律责任的权利。

推荐阅读