高精度與高可靠性:村田MEMS傳感器全解讀

MEMS產(chǎn)品早在1980年就已經(jīng)存在了，與使用了CMOS工藝的一般半導(dǎo)體相比，因為晶圓制成非常復(fù)雜，包裝也很耗功夫，使得工程標(biāo)準(zhǔn)化和低成本變得十分困難，所以只應(yīng)用于限定用途。但是，最近確定了批量生產(chǎn)小型、高性能的MEMS產(chǎn)品的技術(shù)，除了汽車發(fā)動機控制、醫(yī)療器械、噴墨打印機這些常用用途，數(shù)碼相機和智能手機這寫 隨身攜帶的電子產(chǎn)品里也使用了很多的MEMS產(chǎn)品。MEMS產(chǎn)品今后將持續(xù)每年10-15%的增長率，并可預(yù)測在2017年的時候?qū)默F(xiàn)在的9200億日元增長到17000億日元。（Yole Development公司預(yù)測）

株式會社村田制作所在2012年1月份收購了芬蘭的MEMS專業(yè)生產(chǎn)商VTI，VTI改名為Murata Electronics Oy，成為了村田的一員。Murata Electronics Oy運用了獨特的3D-MEMS（三維MEMS）技術(shù)向市場提供了高性能以及高可靠性的MEMS傳感器。

村田制作所的MEMS傳感器

所有東西的運動都是X、Y、Z軸平行的運動和圍繞軸的旋轉(zhuǎn)運動，共表現(xiàn)為6個運動組合。

村田制作所制作了平行運動（平移加速度）傳感的加速度傳感器、旋轉(zhuǎn)運動（角速度）傳感的陀螺儀產(chǎn)品系列，應(yīng)用于依賴高精度運動傳感和高可靠性的特征的汽車、輪船的姿態(tài)控制、產(chǎn)業(yè)用裝置的傾斜測定、醫(yī)療用途等等。

此次特輯將介紹生產(chǎn)具有高精度、高可靠性的傳感器的獨特技術(shù)的3D-MEMS和同時兼具高精度和高可靠性的加速度傳感器以及陀螺儀的特征。

3D-MEMS技術(shù)

使用了3D-MEMS技術(shù)的元件示例說明（圖1）。MEMS元件是由可移動部構(gòu)成的硅晶片和夾在部上下用于結(jié)合、密封的CAP晶圓構(gòu)成?？梢苿硬康募忓N和梳型電極框架用彈簧支撐、紡錘和梳型電極的運動通過CAP晶圓間或者梳型電極之間的電容值的變化來進(jìn)行檢測。村田制作所將凝聚了實現(xiàn)了高精準(zhǔn)度檢測的3D-NEMS技術(shù)的平臺擴(kuò)大到所有產(chǎn)品中，使得有可能為具有穩(wěn)定性和高信賴性的傳感器提供一個合理的價格。一下介紹3D-MEMS技術(shù)的強大特征。

實現(xiàn)高度絕緣、低寄生電容的獨特的VIA結(jié)構(gòu)

從MEMS結(jié)構(gòu)部分的引出電極最早作為VIA結(jié)構(gòu)進(jìn)行量產(chǎn)。硅形成的引出電極的間為玻璃絕緣的獨特VIA結(jié)構(gòu)，同時實現(xiàn)了電極間的高絕緣電阻和低寄生容量、為傳感器的高精度化、高穩(wěn)定性、低消耗電流的實現(xiàn)做出了巨大的貢獻(xiàn)。此外，在任何場所都可能實現(xiàn)電極導(dǎo)出的VIA的結(jié)構(gòu)，為允許元件的設(shè)計自由度和元件的小型化做出了貢獻(xiàn)。

高精度的空間控制技術(shù)創(chuàng)造出高感度和小型化

3D-MEMS結(jié)構(gòu)的另一個重點是，可移動部兩者間形成2.5μm的狹小空間、使高精度的容量測量成為可能。通過高精度的拋光蝕刻技術(shù)，實現(xiàn)了達(dá)到極限的增高的晶圓的平坦性和后述的高精度的晶圓結(jié)合技術(shù)。這個技術(shù)可高精度檢測出移動部的上下方向移動，為元件的高性能化和小型化做出貢獻(xiàn)。

實現(xiàn)高可靠性的原子級密封

可移動部和CAP晶圓通過玻璃和硅的陽極結(jié)合或者硅和氧化硅的直接結(jié)合在晶圓級結(jié)合。無論哪種接合，都是為了加強固定原子之間的接合，為紡錘運動空間的空氣密封以及高可靠性做出了貢獻(xiàn)。另外，一般的晶圓接合中，以元件為單位的接合不良情況時有發(fā)生，我公司運用多種方式對所有產(chǎn)品進(jìn)行嚴(yán)格檢查，只有合格的產(chǎn)品才可出貨。

圖1：3D-MEMS技術(shù)特征

高精度、高可靠性是MEMS結(jié)構(gòu)設(shè)計中一貫徹底堅持的。下面將列舉加速度傳感器和陀螺儀的設(shè)計，并且介紹其中的一部分。