虹科小課堂|MEMS技術(shù)應(yīng)用案例介紹

在上一篇推文《虹科小課堂|帶你了解MEMS傳感器》中，我們大致介紹了MEMS傳感器的分類、市場(chǎng)發(fā)展以及幾類常見的MEMS傳感器。

本文將以廣州虹科電子科技有限公司的合作伙伴——瑞士Truedyne 傳感器公司為例，介紹了他們的MEMS傳感器技術(shù)。更詳細(xì)的技術(shù)干貨，帶你進(jìn)一步揭開MEMS技術(shù)神秘的面紗。

01 丨 開拓—什么是MEMS技術(shù)

MEMS的全稱，是Micro-Electro-Mechanical Systems，即微機(jī)電系統(tǒng)，該技術(shù)是基于硅半導(dǎo)體技術(shù)的基礎(chǔ)上，在復(fù)雜的微系統(tǒng)中結(jié)合了微電子和微機(jī)械等功能。是在融合多種微細(xì)加工技術(shù)，并應(yīng)用微電子技術(shù)和最新成果的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的高科技前沿學(xué)科。

半導(dǎo)體技術(shù)，是通過(guò)使用各種處理技術(shù)，在半導(dǎo)體基板（通常由硅制成）上集成幾個(gè)電子部件（例如光刻和薄膜技術(shù)），并組裝成芯片。由于芯片生產(chǎn)的各個(gè)步驟非常復(fù)雜，因此這些步驟會(huì)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(dǎo)體技術(shù)可實(shí)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(jī)械制造的組件組成。而TrueDyne傳感器公司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(jī)械和流體相關(guān)的性能。

由于對(duì)各個(gè)組件的要求很高，TrueDyne傳感器公司的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(guò)各種組裝和連接技術(shù)將它們組合在一起。[1]

圖1：MEMS芯片的組成“1.晶圓 2.芯片”

02 丨眼界—MEMS技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域：

MEMS技術(shù)變得越來(lái)越重要。它們應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，在我們的日常生活中無(wú)處不在。MEMS系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域包括：汽車工業(yè)應(yīng)用的防盜，安全氣囊控制或車輛側(cè)翻檢測(cè)系統(tǒng)；移動(dòng)通信領(lǐng)域的導(dǎo)航，用于顯示方向或應(yīng)用于移動(dòng)游戲中；微流體系統(tǒng)在醫(yī)學(xué)工程中，特別是在生物分子分析中，也具有巨大的應(yīng)用潛力，在這個(gè)領(lǐng)域的關(guān)鍵詞是芯片實(shí)驗(yàn)室或BioMEMS。

下面以MEMS傳感器的常用四大領(lǐng)域進(jìn)行介紹：

（1）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(zhǔn)確、成本低的要求。其應(yīng)用方向和市場(chǎng)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(dòng)手剎（EPB）、斜坡起動(dòng)輔助（HAS）、胎壓監(jiān)控（EPMS）、引擎防抖、車輛傾角計(jì)量和車內(nèi)心跳檢測(cè)等等。汽車電子產(chǎn)業(yè)被認(rèn)為是MEMS傳感器的第一波應(yīng)用高潮的推動(dòng)者，全球平均每輛汽車包含10個(gè)傳感器，在高檔汽車中，大約采用25至40只MEMS傳感器。

（2）消費(fèi)類電子：

隨著消費(fèi)電子領(lǐng)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(jī)和平板電板的快速發(fā)展，消費(fèi)電子已經(jīng)取代汽車領(lǐng)域成為MEMS最大的應(yīng)用市場(chǎng)。MEMS傳感器在消費(fèi)電子領(lǐng)域的應(yīng)用包括運(yùn)動(dòng)/墜落檢測(cè)、導(dǎo)航數(shù)據(jù)補(bǔ)償、游戲/人機(jī)界面、電源管理、GPS增強(qiáng)/盲區(qū)消除、速度/距離計(jì)數(shù)等等，這些MEMS技術(shù)都在很大程度上提高了用戶體驗(yàn)。

（3）航空航天設(shè)備：

MEMS傳感器應(yīng)用在航空航天領(lǐng)域，要求適應(yīng)在不同的空間環(huán)境，以及航天器某些系統(tǒng)工作時(shí)或在空間環(huán)境作用下產(chǎn)生的誘導(dǎo)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(dòng)機(jī)件的即時(shí)位置傳感器，飛機(jī)狀態(tài)傳感器，飛機(jī)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。

（4）生物醫(yī)療行業(yè)：

MEMS傳感器技術(shù)的突破也為醫(yī)療應(yīng)用帶來(lái)前所未有的便利性和體驗(yàn)。體外診斷、藥物研究、病患監(jiān)測(cè)、給藥方式以及植入式醫(yī)療器械等領(lǐng)域都在不斷發(fā)展，系統(tǒng)集成商們需要?jiǎng)?chuàng)新的技術(shù)來(lái)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(cè)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。

03 丨 聚焦—Truedyne公司的MEMS技術(shù)

幾年來(lái)，TrueDyne 傳感器公司一直致力于利用Coriolis測(cè)量原理開發(fā)和實(shí)現(xiàn)流體微系統(tǒng)或MEMS芯片。Coriolis測(cè)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(duì)測(cè)量流量有效。然而，通過(guò)研究已經(jīng)表明，振動(dòng)硅通道可以非常有效地用于諧振器密度計(jì)中。

如今，TrueDyne傳感器公司的MEMS芯片非常小，尺寸不超過(guò)6.9 x 6.9 x 1.5 mm3。它包含電子組件，流體測(cè)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(gè)晶片進(jìn)行制造：

（1）通過(guò)使用等離子蝕刻技術(shù)，將兩個(gè)硅晶片組成測(cè)量通道。為此，每個(gè)通道的一半被蝕刻到硅晶片中。通過(guò)連接兩個(gè)半部（接合的方法）來(lái)創(chuàng)建通道。

（2）玻璃晶片包含金屬電極，流體孔和溫度傳感器。

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

由于芯片的微型化（測(cè)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(shì)和新的應(yīng)用領(lǐng)域。芯片的微型化是目前MEMS技術(shù)發(fā)展的一大趨勢(shì)，特別是在小批量樣品和結(jié)構(gòu)緊湊的應(yīng)用中，微型化的作用是非常強(qiáng)大的。

硅優(yōu)秀的熱力學(xué)性能和機(jī)械性能，還意味著會(huì)給傳感器帶來(lái)更為強(qiáng)大的功能。硅是良好的熱導(dǎo)體。因此，通道與環(huán)境之間不會(huì)有較大的溫度差。這使得密度測(cè)量時(shí)所需的溫度信息可以精確而容易地確定下來(lái)。