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一文讀懂MEMS技術四大主要分類及應用領域
上傳更新:2022-02-26

轉自半導體封裝工程師之家

 

MEMS傳感器是在微電子技術基礎上發展起來的多學科交叉的前沿研究領域。經過四十多年的發展,已成為世界矚目的重大科技領域之一。它涉及電子、機械、材料、物理學、化學、生物學、醫學等多種學科與技術,具有廣闊的應用前景。

如今,MEMS已經是傳感器小型化、智能化、低功耗化最主要的技術!如果沒有MEMS技術,傳感器的未來將黯淡無光。

 

MEMS技術的主要分類

 

1、傳感

傳感MEMS技術是指用微電子微機械加工出來的、用敏感元件如電容、壓電、壓阻、熱電耦、諧振、隧道電流等來感受轉換電信號的器件和系統。它包括速度、壓力、濕度、加速度、氣體、磁、光、聲、生物、化學等各種傳感器,按種類分主要有:面陣觸覺傳感器、諧振力敏感傳感器、微型加速度傳感器、真空微電子傳感器等。

傳感器的發展方向是陣列化、集成化、智能化。由于傳感器是人類探索自然界的觸角,是各種自動化裝置的神經元,且應用領域廣泛,未來將備受世界各國的重視。

 

2、生物

生物MEMS技術是用MEMS技術制造的化學/生物微型分析和檢測芯片或儀器,有一種在襯底上制造出的微型驅動泵、微控制閥、通道網絡、樣品處理器、混合池、計量、增擴器、反應器、分離器以及檢測器等元器件并集成為多功能芯片??梢詫崿F樣品的進樣、稀釋、加試劑、混合、增擴、反應、分離、檢測和后處理等分析全過程。

它把傳統的分析實驗室功能微縮在一個芯片上。生物MEMS系統具有微型化、集成化、智能化、成本低的特點。功能上有獲取信息量大、分析效率高、系統與外部連接少、實時通信、連續檢測的特點。

國際上生物MEMS的研究已成為熱點,不久將為生物、化學分析系統帶來一場重大的革新。

 

3、光學

隨著信息技術、光通信技術的迅猛發展,MEMS發展的又一領域是與光學相結合,即綜合微電子、微機械、光電子技術等基礎技術,開發新型光器件,稱為微光機電系統(MOEMS)。

微光機電系統(MOEMS)能把各種MEMS結構件與微光學器件、光波導器件、半導體激光器件、光電檢測器件等完整地集成在一起。形成一種全新的功能系統。MOEMS具有體積小、成本低、可批量生產、可精確驅動和控制等特點。

較成功的應用科學研究主要集中在兩個方面:

一是基于MOEMS的新型顯示、投影設備,主要研究如何通過反射面的物理運動來進行光的空間調制,典型代表為數字微鏡陣列芯片和光柵光閥。

二是通信系統,主要研究通過微鏡的物理運動來控制光路發生預期的改變,較成功的有光開關調制器、光濾波器及復用器等光通信器件。

MOEMS是綜合性和學科交叉性很強的高新技術,開展這個領域的科學技術研究,可以帶動大量的新概念的功能器件開發。

 

4、射頻

射頻MEMS技術傳統上分為固定的和可動的兩類。固定的MEMS器件包括本體微機械加工傳輸線、濾波器和耦合器,可動的MEMS器件包括開關、調諧器和可變電容。

按技術層面又分為由微機械開關、可變電容器和電感諧振器組成的基本器件層面;由移相器、濾波器和VCO等組成的組件層面;由單片接收機、變波束雷達、相控陣雷達天線組成的應用系統層面。

 

MEMS傳感器的主要應用領域有哪些?

 

1、醫療

MEMS傳感器應用于無創胎心檢測,檢測胎兒心率是一項技術性很強的工作,由于胎兒心率很快,在每分鐘l20~160次之間,用傳統的聽診器甚至只有放大作用的超聲多普勒儀,用人工計數很難測量準確。

具有數字顯示功能的超聲多普勒胎心監護儀,價格昂貴,僅為少數大醫院使用,在中、小型醫院及廣大的農村地區無法普及。此外,超聲振動波作用于胎兒,會對胎兒產生很大的不利作用。盡管檢測劑量很低,也屬于有損探測范疇,不適于經常性、重復性的檢查及家庭使用。

 

通過加速度傳感器將胎兒心率轉換成模擬電壓信號,經前置放大用的儀器放大器實現差值放大。然后進行濾波等一系列中間信號處理,用A/D轉換器將模擬電壓信號轉換成數字信號。通過光隔離器件輸入到單片機進行分析處理,最后輸出處理結果。

基于MEMS加速度傳感器設計的胎兒心率檢測儀在適當改進后能夠以此為終端,做一個遠程胎心監護系統。醫院端的中央信號采集分析監護主機給出自動分析結果,醫生對該結果進行診斷,如果有問題及時通知孕婦到醫院來。該技術有利于孕婦隨時檢查胎兒的狀況,有利于胎兒和孕婦的健康。

 

2、汽車

MEMS壓力傳感器主要應用在測量氣囊壓力、燃油壓力、發動機機油壓力、進氣管道壓力及輪胎壓力。這種傳感器用單晶硅作材料,以采用MEMS技術在材料中間制作成力敏膜片,然后在膜片上擴散雜質形成四只應變電阻,再以惠斯頓電橋方式將應變電阻連接成電路,來獲得高靈敏度。

車用MEMS壓力傳感器有電容式、壓阻式、差動變壓器式、聲表面波式等幾種常見的形式。

而MEMS加速度計的原理是基于牛頓的經典力學定律,通常由懸掛系統和檢測質量組成,通過微硅質量塊的偏移實現對加速度的檢測,主要用于汽車安全氣囊系統、防滑系統、汽車導航系統和防盜系統等,除了有電容式、壓阻式以外,MEMS加速度計還有壓電式、隧道電流型、諧振式和熱電偶式等形式。其中,電容式MEMS加速度計具有靈敏度高、受溫度影響極小等特點,是MEMS微加速度計中的主流產品。

微陀螺儀是一種角速率傳感器,主要用于汽車導航的GPS信號補償和汽車底盤控制系統,主要有振動式、轉子式等幾種。應用最多的屬于振動陀螺儀,它利用單晶硅或多晶硅的振動質量塊在被基座帶動旋轉時產生的哥氏效應來感測角速度。

例如汽車在轉彎時,系統通過陀螺儀測量角速度來指示方向盤的轉動是否到位,主動在內側或者外側車輪上加上適當的制動以防止汽車脫離車道,通常,它與低加速度計一起構成主動控制系統。

 

3、運動追蹤

在運動員的日常訓練中,MEMS傳感器可以用來進行3D人體運動測量,對每一個動作進行記錄,教練們對結果分析,反復比較,以便提高運動員的成績。

隨著MEMS技術的進一步發展,MEMS傳感器的價格也會隨著降低,這在大眾健身房中也可以廣泛應用。

在滑雪方面,3D運動追蹤中的壓力傳感器、加速度傳感器、陀螺儀以及GPS可以讓使用者獲得極精確的觀察能力,除了可提供滑雪板的移動數據外,還可以記錄使用者的位置和距離。在沖浪方面也是如此,安裝在沖浪板上的3D運動追蹤,可以記錄海浪高度、速度、沖浪時間、漿板距離、水溫以及消耗的熱量等信息。

 

4、消費電子產品

在MEMS Drive出現之前,手機攝像頭主要由音圈馬達移動鏡頭組的方式實現防抖(簡稱鏡頭防抖技術),受到很大的局限。而另一個在市場上較高端的防抖技術:多軸防抖,則是利用移動圖像傳感器(Image Sensor)補償抖動,但由于這個技術體積龐大、耗電量超出手機載荷,一直無法在手機上應用。

憑著微機電在體積和功耗上的突破,最新技術MEMS Drive類似一張貼在圖像傳感器背面的平面馬達,帶動圖像傳感器在三個旋轉軸移動。

MEMS Drive 的防抖技術是透過陀螺儀感知拍照過程中的瞬間抖動,依靠精密算法,計算出馬達應做的移動幅度并做出快速補償。這一系列動作都要在百分之一秒內做完,你得到的圖像才不會因為抖動模糊掉。

目前,全世界有大約600余家單位從事MEMS的研制和生產工作,已研制出包括微型壓力傳感器、加速度傳感器、微噴墨打印頭、數字微鏡顯示器在內的幾百種產品,其中MEMS傳感器占相當大的比例。

MEMS傳感器是采用微電子和微機械加工技術制造出來的新型傳感器。與傳統的傳感器相比,它具有體積小、重量輕、成本低、功耗低、可靠性高、適于批量化生產、易于集成和實現智能化的特點。同時,在微米量級的特征尺寸使得它可以完成某些傳統機械傳感器所不能實現的功能。

 

隨著時間的推移和技術的逐步發展,MEMS所包含的內容正在不斷增加,并變得更加豐富。MEMS內容歸納為集成傳感器、微執行器和微系統。人們還把微機械、微結構、靈巧傳感器和智能傳感器歸入MEMS范疇。

制作MEMS的技術包括微電子技術和微加工技術兩大部分。微電子技術的主要內容有:氧化層生長、光刻掩膜制作、光刻選擇摻雜(屏蔽擴散、離子注入)、薄膜(層)生長、連線制作等。

微加工技術的主要內容有硅表面微加工和硅體微加工(各向異性腐蝕、犧牲層)技術、晶片鍵合技術、制作高深寬比結構的LIGA技術等。利用微電子技術可制造集成電路和許多傳感器。

微加工技術很適合于制作某些壓力傳感器、加速度傳感器、微泵、微閥、微溝槽、微反應室、微執行器、微機械等,這就能充分發揮微電子技術的優勢,利用MEMS技術大批量、低成本地制造高可靠性的微小衛星,必將為大批量生產低成本高可靠性的微小衛星打開大門。

 

總結

 

MEMS技術主要屬于微米技術范疇,MEMS技術大都基于現有技術,用由大到小的技術途徑制作出來的,發展了一批新的集成器件,大大提高了器件的功能和效率,已顯示出了巨大的生命力。

MEMS技術的發展有可能會像微電子一樣,對科學技術和人類生活產生革命性的影響。

 

 

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