MEMS技術分析 什么是MEMS技術

　　虹科傳感器事業(yè)部

　　簡介：本節(jié)以truedyne sensor公司為例，介紹了他們的MEMS傳感器技術的積累過程。MEMS傳感器的技術核心，是硅諧振測量通道，與傳統(tǒng)的諧振器技術相比，MEMS傳感器具有許多的優(yōu)點，例如：更小的尺寸、更加廣泛的應用，以及即使是在低壓、極短的放映時間內(nèi)也能達到精確的氣體密度測量。

　　1.什么是MEMS技術：

　　MEMS的全稱，是Micro-Electro-Mechanical Systems，即微機電系統(tǒng)，該技術是基于硅半導體技術的基礎上，在復雜的微系統(tǒng)中結合了微電子和微機械等功能。是在融合多種微細加工技術，并應用微電子技術和最新成果的基礎上發(fā)展起來的高科技前沿學科。

　　半導體技術，是通過使用各種處理技術，在半導體基板（通常由硅制成）上集成幾個電子部件（例如光刻和薄膜技術），并組裝成芯片。由于芯片生產(chǎn)的各個步驟非常復雜，因此這些步驟會倍增。這些芯片，是由圓形、方形或圓盤形的晶圓制作成的，而晶圓的材料通常與所需基板的材料一致。

　　半導體技術可實現(xiàn)電子電路的微型化，在傳統(tǒng)的電子產(chǎn)品中，電子電路由機械制造的組件組成。 而TrueDyne Sensors AG MEMS芯片具有更高的集成度，不僅具有電子功能，而且還具有與機械和流體相關的性能。

　　由于對各個組件的要求很高，TrueDyne Sensors 公司的MEMS芯片通常不限于硅基板。 取而代之的是，將不同的材料用于不同的組件，并通過各種組裝和連接技術將它們組合在一起。［1］

　　圖1：MEMS芯片的組成“1.晶圓 2.芯片”

　　2.MEMS技術的應用領域：

　　MEMS技術變得越來越重要。它們應用領域非常廣泛，在我們的日常生活中無處不在。MEMS系統(tǒng)的應用領域包括：汽車工業(yè)應用的防盜，安全氣囊控制或車輛側翻檢測系統(tǒng)；移動通信領域的導航，用于顯示方向或著應用于移動游戲中；微流體系統(tǒng)在醫(yī)學工程中，特別是在生物分子分析中，也具有巨大的應用潛力，在這個領域的關鍵詞是芯片實驗室或BioMEMS。

　　下面以MEMS傳感器的常用四大領域進行介紹：［2］

　?。?）汽車電子：MEMS傳感器可滿足汽車環(huán)境苛刻、可靠性高、精度準確、成本低的要求。其應用方向和市場需求包括車輛的防抱死系統(tǒng)（ABS）、電子車身穩(wěn)定程序（ESP）、電控懸掛（ECS）、電動手剎（EPB）、斜坡起動輔助（HAS）、胎壓監(jiān)控（EPMS）、引擎防抖、車輛傾角計量和車內(nèi)心跳檢測等等。汽車電子產(chǎn)業(yè)被認為是MEMS傳感器的第一波應用高潮的推動者，全球平均每輛汽車包含10個傳感器，在高檔汽車中，大約采用25至40只MEMS傳感器。

　?。?）消費類電子：隨著消費電子領域大發(fā)展及產(chǎn)品創(chuàng)新不斷涌現(xiàn)，特別是受益于智能手機和平板電板的快速發(fā)展，消費電子已經(jīng)取代汽車領域成為MEMS最大的應用市場。MEMS傳感器在消費電子領域的應用包括運動/墜落檢測、導航數(shù)據(jù)補償、游戲/人機界面、電源管理、GPS增強/盲區(qū)消除、速度/距離計數(shù)等等，這些MEMS技術都在很大程度上提高了用戶體驗。

　?。?）航空航天設備：

　　MEMS傳感器應用在航空航天領域，要求適應在不同的空間環(huán)境，以及航天器某些系統(tǒng)工作時或在空間環(huán)境作用下產(chǎn)生的誘導環(huán)境，航空航天傳感器主要有狀態(tài)傳感器，環(huán)境傳感器之分，前者包括各種活動機件的即時位置傳感器，飛機狀態(tài)傳感器，飛機姿態(tài)傳感器等，環(huán)境傳感器主要有溫度傳感器、濕度傳感器、氧氣傳感器、壓力傳感器、流量傳感器等。

　?。?）生物醫(yī)療行業(yè)：

　　MEMS傳感器技術的突破也為醫(yī)療應用帶來前所未有的便利性和體驗。體外診斷、藥物研究、病患監(jiān)測、給藥方式以及植入式醫(yī)療器械等領域都在不斷發(fā)展，系統(tǒng)集成商們需要創(chuàng)新的技術來迅速提高產(chǎn)品性能、降低產(chǎn)品成本、縮小產(chǎn)品尺寸，生物醫(yī)療行業(yè)中常用的MEMS傳感器包括：醫(yī)用測壓傳感器、植入式傳感器、壓電聚合傳感器、心臟起搏器、MEMS加速度傳感器、生物傳感器等。

　　3.Truedyne傳感器公司的MEMS技術

　　幾年來，TrueDyne 傳感器公司一直致力于利用Coriolis測量原理開發(fā)和實現(xiàn)流體微系統(tǒng)或MEMS芯片。 Coriolis測量原理所需的流體通道由硅基板形成，并集成到MEMS芯片中。在TrueDyne傳感器公司的研究中，該系統(tǒng)尚未能被證明對測量流量有效。然而，通過研究已經(jīng)表明，振動硅通道可以非常有效地用于諧振器密度計中。

　　如今，TrueDyne傳感器公司的MEMS芯片非常小，尺寸不超過6.9 x 6.9 x 1.5 mm3。 它包含電子組件，流體測量通道和溫度傳感器。TrueDyne 傳感器公司的MEMS芯片總共使用四個晶片進行制造：

　?。?）通過使用等離子蝕刻技術，將兩個硅晶片組成測量通道。。為此，每個通道的一半被蝕刻到硅晶片中。 通過連接兩個半部（接合的方法）來創(chuàng)建通道。

　?。?）玻璃晶片包含金屬電極，流體孔和溫度傳感器。

　　（3）另一個硅晶片用于在真空中封裝測量通道。這使得測量通道可以在沒有空氣阻尼的情況下振蕩。

　　由于芯片的微型化（測量通道= 0.5 μl體積）和通道材料的優(yōu)秀質(zhì)量（硅），使得MEMS芯片具有許多優(yōu)勢和新的應用領域。芯片的微型化是目前MEMS技術發(fā)展的一大趨勢，特別是在小批量樣品和結構緊湊的應用中，微型化的作用是非常強大的。

　　硅優(yōu)秀的熱力學性能和機械性能，還意味著會給傳感器帶來更為強大的功能。硅是良好的熱導體。 因此，通道與環(huán)境之間不會有較大的溫度差。這使得密度測量時所需的溫度信息可以精確而容易地確定下來。

　　圖2：MEMS芯片“1.薄膜溫度傳感器，2.狹縫，3.測量通道，4.真空，5.電極”

　　硅的機械性質(zhì)對于密度測量也是有利的。硅通道的低自重和低剛性意味著可以實現(xiàn)非常高的測量靈敏度。 該性質(zhì)對于輕質(zhì)液體和氣體特別重要。 因此，仍可以在低壓的環(huán)境下以高靈敏度進行氣體測量（當前指定的壓力范圍在1至20 bar之間）。此外硅通道可以以很高的頻率振動。這樣可以縮短測量時間，并使測量信號不受外部機械干擾振動的影響。

　　參考文獻：

　　［1］ Praxiswissen Mikrosystemtechnik， F. V?lklein und T. Zetterer， 2006， Vieweg+Teubner Verlag

　?。?］ 傳感器四大應用領域詳解 https://tech.hqew.com/fangan_1764444MEMS