2016 MEMS工艺及应用大全 - 图文(2)

2019-02-15 12:26

器平台。该平台集成了3轴加速度计,3轴磁力计,压力传感器,3轴陀螺仪,环境光传感器,并带有一个ColdFire + MCU,以提供一个完全硬件解决方案——还打包提供专用的传感器融合软件。

随着MEMS器件的优势获得认可,MEMS市场步伐也在持续加快。据YoleDéveloppement2012年MEMS产业报告中所述,在接下来6年,MEMS“将继续保持平稳、持续的两位数增长”,2017年全球市场价值将达到210亿美元。

MEMS设计与制造

“有趣的是,这样小的机器会遇到什么问题。首先,如果各部分压力维持相同程度,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,除非旋转速度同比增加,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

MEMS 设计和制造的介绍往往起始于对缩放和小型化的回顾。例如,如果我们问,为什么不能简单地将一个空气压缩机或吊扇收缩到跳蚤大小的规模?答案是压缩定律。跳蚤大小的吊扇与一个1000倍大的正常大小的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。

考虑一个矩形,其面积等于长度和宽度的乘积;如果矩形按比例因子缩小100(即长度/ 100和宽度/ 100),该矩形的面积缩小为原来(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——因此随着缩放越来越小,体积的影响比表面(面积)的影响更大。

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,以及重力为S4。这就解释了水黾(或“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。虽然任何设计中都须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MEMS设计来说非常必要。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,通常须要将该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分类,比如传感器、作动器、微电子元件、机械结构等。集总元件建模采用了这种方法,将系统的物理部分表示为理想化特征的分离元件。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,在可以的情况下,电路建模时电气工程师会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。在该层次上,可以非常方便地将每个元件的物理特性放置在一边,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封装主要是指保护设备免受环境损害,同时还提供一个对外接口以及减轻不必要的外部压力。 MEMS传感器通常须要进行应力测量,过大的应力可能因器件变形及传感器漂移而影响正常功能。

每个MEMS设计的封装往往是唯一的,并且必须进行专门设计。众所周知,在产业中封装成本占总成本的很大一部分——在某些情况下会超过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

源自微电子,MEMS制造的优势在于批处理。就像其它任何产品,MEMS器件规模量产加大了它的经济效益。如同集成电路制造,MEMS制造中光刻方法往往最具成本效益,当然也是最常用的技术。然而,其它处理方式,同时兼具优点和缺点,也在使用,包括化学/物理气相沉积(CVD/ PVD)、外延和干法蚀刻。 尽管很大程度上取决于特定应用,但相比于其电子性能,MEMS器件中使用的材料更看重它们的机械性能。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,而许多传感器和作动器必须使用一些压电或压阻材料。

作者简介:

David Askew 是一个技术专家,特别是在嵌入式系统和软件方面。他拥有美国德州大学阿灵顿分校的电子工程学士学位。

二,MEMS制造工艺现状,及主要工艺与流程

目前,MEMS的制造仍相当多元且欠缺标准化;仍采用YoleDeveloppement所形容的一种产品,一套制程规则。其实MEMS的历史与一般IC产业不同,且其技术蓝图也与半导体产业有所不同。因此,以完全不同制造方式制作相同MEMS装置的业者处处可见,有时还甚至来自同一家公司(例如,CMOS MEMS及混合途径方法都可用于惯性感测器或麦克风)。

然而,当MEMS与前代产品相比成为可快速攻入市场的商品化产品时,任何能够加速商业化流程的事宜也都会广受欢迎。MEMS的封装正朝向与前端制程不同的方向演进,且YoleDeveloppement已经注意到,封装标准化对于支援产量大幅成长的产品出货之重要性将会提高,而与MEMS与感测器内容相关的整体成本将会降低(例如,制造商之间的麦克风封装方式大都相同)。此外,这份报告也显示在前端制程方面,各大公司都正在发展针对不同MEMS装置的独家技术平台。

MEMS的前端制造发展趋势

(来源:YoleDeveloppement,2013年2月;图表显示新MEMS制程采用的时间表。箭头左侧表示技术的开始采用时间--例如,DRIE是从96年时开始运用于Bosch惯性MEMS--YoleDeveloppement预测在未来将可看到越来越多创新的MEMS制程:TSV、微影步进机、薄晶圆的暂时性接合、室温接合)

YoleDeveloppement的报告中,也揭示当MEMS从制程技术性的竞争移转到功能及系统性的竞争时,就有必要采用标准途径来降低封装尺寸及成本。目前,MEMS代工厂仍处于制程技术性的竞争阶段,且必须以更广泛的制程技术来因应新的MEMS设计及结构。

这种技术途径与通常只专注于单一类型MEMS设计的无晶圆厂公司是不同的,该种公司的主要任务是找到最有经验与可靠的代工伙伴来说服客户自己的强项所在;同时,整合元件大厂(IDM)则通常是仰赖已制式化运作的MEMS制程来制造其产品(如ST的THELMA)。由于总是必须面对MEMS制造技术前景的最前线变革,故代工厂的挑战也往往是最大的。

YoleDeveloppement的MEMS的前端制造发展趋势报告也清楚点出了主要的前端制造技术改革;例如,芯片尺寸封装(CSP)技术中的硅穿孔(TSV)也正逐渐渗透到MEMS产业。在此方面,该机构分析了意法半导体(STMicroelectronics)自家工厂采用TSV来接合MEMS芯片与主机板的独家方法。

ST的方法免除焊垫(bond pad)的需求,将之以使用气隙蚀刻(etched-out air gaps)绝缘的多晶硅通孔来取代;采用其基础MEMS制程,但规模约十倍大。根据ST的报告,减少了20%~30%的芯片尺寸,可抵销采用TSV制程微增的成本,使得总成本反而降低。

MEMS结构层制造流程实例

然而,因为芯片小型化有其限制,故各个研发机构正着手发展新的检测原理(例如,Tronic的M&NEMS概念)来降低MEMS的硅芯片尺寸。此技术是基于压阻硅纳米线(piezoresistive nanowires)而不是纯电容式检测(capacitive detection),且着眼于装置效能及芯片尺寸上的技术跃进。此举将奠定新一代动作感测应用的组合式感测器基础,且可让多自由度感测器明显的减少表面积及改善效能。

YoleDeveloppement在一系列的MEMS技术中列出数种可望在未来几年崭露头角的技术,包括:硅穿孔、室温接合、薄膜PZT、暂时性接合、Cavity SOI、CMOS MEMS。其他的MEMS 技术(如金接合),亦可能广泛运用于缩减芯片尺寸且同时维持晶圆级封装的高度密封性。

MEMS制程技术简介

采用半导体技术来制造MEMS元件是MEMS技术走向产品化的标志。MEMS元件一般采用与芯片制程相同的CMOS、Bipolar或BiCMOS制造技术。为充分利用全球半导体产业成熟的制造技术的商业渠道等资源,业界仍致力于将标准化的半导体制造技术用于MEMS元件的加工制造。采用CMOS制程的MEMS制造工艺能够使其随批次生产、光罩制程的微型化先进制程演进,让产品尺寸变得更小,并提高量产的良品率,从规模经济中受益。

由于采用了半导体制造技术,MEMS元器件也和芯片一样,采用硅作为主要原材料。硅元素具有十分优秀的物理和电特性,其不易折断,使用周期可以达到上百万次。单晶硅运动特性非常可靠,其遵守胡克定律,又几乎没有弹性滞后现象,因此耗能几乎为零。

硅晶圆虽然具有优异的特性和量产的经济效益,但它仍是相当复杂和相对较昂贵的材料,因此其他材料也成为业界的选择对象。塑料聚合体(Polymer)提供了多样化的材料特性,并可实现规模化量产;此外,金属及陶瓷材料具有极佳的可靠性,也是可行的MEMS制造材料。

MEMS技术的选用要依据不同的应用或市场合理选用。其主要技术包括表面微加工技术(Surface Micro-Machining)、体型微加工技术( Bulk Micro-Machining),与LIGA技术等;另外还有一些常应用或整合在一起的技术,如电铸、芯片黏合以及特别的保护与封装技术等。

1. 体型微加工

体型微加工技术针对硅基材直接进行干式或湿式蚀刻,以形成所需的微结构,让硅晶圆具备机械性能。一般的作法是使用氢氧化钾等碱性溶液来腐蚀平板印刷后留下来的硅,由于硅材料具有晶向性,沿特定晶体方向的腐蚀速度比其它方向的要高1000倍。

体型微加工是最早开始采用的硅晶式MEMS组件制造技术,其在80及90年代成为主流的MEMS组件制造技术。由于体型微加工利用硅基材的晶格特性做为微结构,将硅晶圆的所有厚度都用来构建微机械结构,因此能获得较强壮与坚固的结构,相比之下表面微加工技术的产品则比较脆弱。体型微加工的缺点是加工上局限和成本。单晶硅材料的制造成本也较贵,该技术也很难做出多变与复杂的结构。

2. 表面型微加工

表面型微加工制程包括几个主要的步骤:首先在硅晶上沉积牺牲层(Sacrificial Layer),通过光刻(Lithography)技术将设计好的保留区域图形完整且精确地复制到晶圆上,再利用蚀刻将不要的部分去除;接着沉积结构层(Structure Layer),再蚀刻掉不要的部分;最后再将牺牲层全部蚀刻移除,即可制成可活动的机械结构。


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