典型MEMS器件介绍

1、典型典型MEMSMEMS器件介绍器件介绍09电科2 钟礼浩 200930570230目目 录录 各类典型各类典型MEMS器件介绍器件介绍 2MEMS微机电系统简介微机电系统简介 1总结总结3MEMS微机电系统简介微机电系统简介 MEMS是微机电系统（是微机电系统（Micro-Electro-Mechanical Systems）的英文缩写。）的英文缩写。MEMS是美是美国的叫法，在日本被称为微机械，在欧洲被称为微国的叫法，在日本被称为微机械，在欧洲被称为微系统，它是指可批量制作的，集微型机构、微型传系统，它是指可批量制作的，集微型机构、微型传感器、微型执行器以及信号处理和控制电路、直至感器、微

2、型执行器以及信号处理和控制电路、直至接口、通信和电源等于一体的微型器件或系统。接口、通信和电源等于一体的微型器件或系统。MEMS是随着半导体集成电路微细加工技术和超精是随着半导体集成电路微细加工技术和超精密机械加工技术的发展而发展起来的，目前密机械加工技术的发展而发展起来的，目前MEMS加工技术还被广泛应用于微流控芯片与合成生物学加工技术还被广泛应用于微流控芯片与合成生物学等领域，从而进行生物化学等实验室技术流程的芯等领域，从而进行生物化学等实验室技术流程的芯片集成化片集成化。 MEMS技术的发展开辟了一个全新的技术技术的发展开辟了一个全新的技术领域和产业，采用领域和产业，采用MEMS技术制作

3、的微传感器、技术制作的微传感器、微执行器、微型构件、微机械光学器件、真空微执行器、微型构件、微机械光学器件、真空微电子器件、电力电子器件等在航空、航天、微电子器件、电力电子器件等在航空、航天、汽车、生物医学、环境监控、军事以及几乎人汽车、生物医学、环境监控、军事以及几乎人们所接触到的所有领域中都有着十分广阔的应们所接触到的所有领域中都有着十分广阔的应用前景。用前景。发展前景发展前景 MEMS第一轮商业化浪潮始于20世纪70年代末80年代初，当时用大型蚀刻硅片结构和背蚀刻膜片制作压力传感器。由于薄硅片振动膜在压力下变形，会影响其表面的压敏电阻曲线，这种变化可以把压力转换成电信号。后来的电路则包括

4、电容感应移动质量加速计，用于触发汽车安全气囊和定位陀螺仪。第二轮商业化出现于20世纪90年代，主要围绕着PC和信息技术的兴起。TI公司根据静电驱动斜微镜阵列推出了投影仪，而热式喷墨打印头现在仍然大行其道。第三轮商业化可以说出现于世纪之交，微光学器件通过全光开关及相关器件而成为光纤通讯的补充。尽管该市场现在萧条，但微光学器件从长期看来将是MEMS一个增长强劲的领域。目前MEMS产业呈现的新趋势是产品应用的扩展，其开始向工业、医疗、测试仪器等新领域扩张。推动第四轮商业化的其它应用包括一些面向射频无源元件、在硅片上制作的音频、生物和神经元探针，以及所谓的片上实验室生化药品开发系统和微型药品输送系统的

5、静态和移动器件。MEMS微机电系统简介微机电系统简介 未来三年，在中国3C产品、汽车电子、医疗电子等产品产量继续保持较快增长的带动下，中国MEMS传感器市场规模有望进一步扩大。此外，不断涌现的新产品以及新应用也成为这一市场持续发展的重要保障。2011-2013年，中国MEMS传感器市场将持续保持两位数增长水平，但从2012年开始，随着金融危机导致的恢复性增长因素的消退，以及市场基数的增大，中国MEMS传感器市场增速将有所回调。到2013年，中国MEMS传感器市场销售额预计将达214.2亿元。具体在产品上，主力产品加速度、压力传感器、喷墨头等产品技术已经相对成熟和稳定，技术研发主要体现在性能及指

6、标的优化。DMD微镜阵列为更好应用于手机等便携设备，其尺寸的进一步微缩也成为研发重点。除传统产品外，不断涌现的新产品如地磁传感器的规模化应用也成为整体MEMS传感器市场的一大亮点。此外，一些前沿产品如新型MEMS振荡器、基于MEMS技术的存储器、MEMS电池也正处于研发阶段中，并有望在未来三到五年实现良好的经济效益。另外，在产品形态上，一些MEMS传感器产品已经从原来单独的芯片向模块和系统解决方案升级，以加快产品上市进程和应用推广。典型典型MEMS器件介绍器件介绍-MEMS麦克风麦克风 MEMS（微型机电系统）（微型机电系统） 麦克风是基于麦克风是基于MEMS技术制造的麦克风，简单的说就是一个

7、技术制造的麦克风，简单的说就是一个电容器集成在微硅晶片上，可以采用表贴工艺电容器集成在微硅晶片上，可以采用表贴工艺进行制造进行制造,能够承受很高的回流焊温度能够承受很高的回流焊温度,容易和容易和 CMOS 工艺及其它音频电路相集成工艺及其它音频电路相集成, 并具有改并具有改进的噪声消除性能和良好的进的噪声消除性能和良好的 RF 及及 EMI 抑制抑制性能性能.MEMS麦克风的全部潜能还有待挖掘，麦克风的全部潜能还有待挖掘，但是采用这种技术的产品已经在多种应用中体但是采用这种技术的产品已经在多种应用中体现出了诸多优势，特别是中高端手机应用中。现出了诸多优势，特别是中高端手机应用中。MEMS麦克风

8、的优势麦克风的优势目前，实际使用的大多数麦克风都是ECM(驻极体电容器)麦克风，这种技术已经有几十年的历史。ECM 的工作原理是利用驻有永久电荷的聚合材料振动膜。和ECM的聚合材料振动膜相比，MEMS麦克风在不同温度下的性能都十分稳定，其敏感性不会受温度、振动、湿度和时间的影响。由于耐热性强，MEMS麦克风可承受260的高温回流焊，而性能不会有任何变化。由于组装前后敏感性变化很小，还可以节省制造过程中的音频调试成本。典型典型MEMS器件介绍器件介绍-MEMS麦克风麦克风MEMS麦克风的主要参数。麦克风的主要参数。典型典型MEMS器件介绍器件介绍-MEMS麦克风麦克风MEMS麦克风的发展前景麦克

9、风的发展前景对于大型的半导体制造商来说，他们具备制造该产品系列的核心能力。首先是MEMS 设计和制造能力，其次是ASIC设计和制造能力，最后是大容量、低成本的封装能力。迄今为止，音频公司一直占据着几乎整个MEMS麦克风市场，它们必须依赖半导体代工厂提供相关技术并和他们分享利润。现在，英飞凌的进入意味着该市场拥有了新的选择，并且降低了元件购买者的风险。尺寸方面的限制主要来自MEMS本身。另外，由于音频端口不能采用真空工具进行操作，尺寸的进一步缩小将会受到制造过程中标准自动化贴装工具的限制。ASIC中将会集成更多作用：ADC和数字输出是第一步；还可利用标准组件，如风噪信号过滤组件；专用接口和信号预

10、处理将成为很大的应用领域；RF屏蔽也会得到进一步改进。在音频方面，MEMS麦克风也会有很多变化。SMM310不只在20Hz20kHz的频率范围内针对人声进行了优化，还有较高的声学敏感性。很难预测何时会出现带有集成式麦克风并能记录美妙立体声的单芯片摄像电话，但毫无疑问，技术正在朝着这个方向发展。典型典型MEMS器件介绍器件介绍-微机械陀螺仪微机械陀螺仪微机械陀螺仪（微机械陀螺仪（MEMS gyroscope）的工作原理）的工作原理传统的陀螺仪主要是利用角动量守恒原理，因此它主要是一个不停转动的物体，它的转轴指向不随承载它的支架的旋转而变化。但是微机械陀螺仪的工作原理不是这样的，因为要用微机械技术

11、在硅片衬底上加工出一个可转动的结构可不是一件容易的事。微机械陀螺仪利用科里奥利力科里奥利力旋转物体在有径向运动时所受到的切向力。典型典型MEMS器件介绍器件介绍-微机械陀螺仪微机械陀螺仪微机械陀螺仪的结构微机械陀螺仪的结构微机械陀螺仪的设计和工作原理可能各种各样，但是公开的 微机械陀螺结构示意图微机械陀螺仪均采用振动物体传感角速度振动物体传感角速度的概念。利用振动来诱导和探测科里奥利力而设计的微机械陀螺仪没有旋转部件、不需要轴承，已被证明可以用微机械加工技术大批量生产。绝大多数微机械陀螺仪依赖于由相互正交的振动和转动引起的交变科里奥利力。振动物体被柔软的弹性结构悬挂在基底之上。整体动力学系统是

12、二维弹性阻尼系统，在这个系统中振动和转动诱导的科里奥利力把正比于角速度的能量转移到传感模式。一般的微机械陀螺仪由梳子结构的驱动部分和电容板形状的传感部分组成。有的设计还带有去驱动和传感耦合的结构。典型典型MEMS器件介绍器件介绍-微机械陀螺仪微机械陀螺仪微机械陀螺仪的发展概述微机械陀螺仪的发展概述根据近几年国内文献，目前我国在惯性导航中应用研究中的陀螺仪按结构构成大致可以分为三类：机械陀螺仪，光学陀螺机械陀螺仪，光学陀螺仪，微机械陀螺仪仪，微机械陀螺仪。机械陀螺仪指利用高速转子的转轴稳定性来测量载体正确方位的角传感器。自 1910 年首次用于船载指北陀螺罗经以来，人们探索过很多种机械陀螺仪，

13、液浮陀螺、动力调谐陀螺和静电陀螺是技术成熟的三种刚体转子陀螺仪，精度在 10E-6 度/小时10E-4 度/小时范围内，达到了精密仪器领域内的高技术水平。在 1965 年，我国的清华大学首先开始研制静电陀螺，应用背景是“高精度船用 INS”。 1967-1990，清华大学、常州航海仪器厂、上海交通大学等合作研制成功了静电陀螺工程样机，其零偏漂移误差小于0.5/h，随机漂移误差小于0.001/h，中国和美国、俄罗斯并列成为世界上掌握静电陀螺技术的国家。 随着光电技术的发展，激光陀螺，光纤陀螺应运而生。与激光陀螺仪相比较，光纤陀螺仪成本较低，比较适合批量生产。我国光纤陀螺的研究起步较晚，但已经 取

14、得了很多可喜的成绩。航天科工集团、航天科技集团、浙大、北方交大、北航等 单位相继开展了光纤陀螺的研究。根据目前掌握的信息看，国内的光纤陀螺研制精 度已经达到了惯导系统的中低精度要求，有些技术甚至达到了国外同类产品的水平。 从 20 世纪开始，由于电子技术和微机械加工技术的发展，使微机电陀螺成为现实。从 20 世纪 90年代以来，微机电陀螺已经在民用产品上得到了广泛的应用，部分应用在低精度 的惯性导航产品中1。我国微机电陀螺的研究开始于 1989 年，现在已经研制出数百 微米大小的静电电机和3mm的压电电机。清华大学的导航与控制教研组的陀螺技术十分成熟，并已经掌握微机械与光波导陀螺技术，现已经做

15、出了微型陀螺仪样机， 并取得了一些数据。东南大学精密仪器与机械系科学研究中心也不断进行关键部件、 微机械陀螺仪和新型惯性装置与GPS 组合导航系统的开发研究，满足了军民两用市场的需要。 总之，随着科学技术的发展，相比于静电陀螺的高成本，成本较低的光纤陀螺和微机械陀螺的精度越来越高，是未来陀螺技术的发展总趋势。典型典型MEMS器件介绍器件介绍-MEMS压力传感器压力传感器MEMS压力传感器原理压力传感器原理 目前的目前的MEMS压力传感器有压力传感器有硅压阻式压力传感器硅压阻式压力传感器和和硅电容式压力传感器硅电容式压力传感器，两者都是在硅片，两者都是在硅片上生成的微机械电子传感器。上生成的微机

16、械电子传感器。 硅压阻式压力传感器是采用高精密半导体电阻应变片组成惠斯顿电桥作为力电变换测量电硅压阻式压力传感器是采用高精密半导体电阻应变片组成惠斯顿电桥作为力电变换测量电路的，具有较高的测量精度、较低的功耗和极低的成本。惠斯顿电桥的压阻式传感器，路的，具有较高的测量精度、较低的功耗和极低的成本。惠斯顿电桥的压阻式传感器，如无压如无压力变化，其输出为零，几乎不耗电力变化，其输出为零，几乎不耗电。其电原理如图。其电原理如图1所示。硅压阻式压力传感器其应变片电桥的所示。硅压阻式压力传感器其应变片电桥的光刻版本如图光刻版本如图2。典型典型MEMS器件介绍器件介绍-MEMS压力传感器压力传感器 MEM

17、S硅压阻式压力传感器采用周边硅压阻式压力传感器采用周边固定的圆形应力杯硅薄膜内壁，采用固定的圆形应力杯硅薄膜内壁，采用MEMS技术直接将四个高精密半导体应变技术直接将四个高精密半导体应变片刻制在其表面应力最大处，组成惠斯顿片刻制在其表面应力最大处，组成惠斯顿测量电桥，作为力电变换测量电路，将压测量电桥，作为力电变换测量电路，将压力这个物理量直接变换成电量，其测量精力这个物理量直接变换成电量，其测量精度能达度能达0.01-0.03%FS。硅压阻式压力传感。硅压阻式压力传感器结构如图器结构如图3所示，上下二层是玻璃体，所示，上下二层是玻璃体，中间是硅片，硅片中部做成一应力杯，其中间是硅片，硅片中部

18、做成一应力杯，其应力硅薄膜上部有一真空腔，使之成为一应力硅薄膜上部有一真空腔，使之成为一个典型的绝压压力传感器。应力硅薄膜与个典型的绝压压力传感器。应力硅薄膜与真空腔接触这一面经光刻生成如图真空腔接触这一面经光刻生成如图2的电的电阻应变片电桥电路。当外面的压力经引压阻应变片电桥电路。当外面的压力经引压腔进入传感器应力杯中，应力硅薄膜会因腔进入传感器应力杯中，应力硅薄膜会因受外力作用而微微向上鼓起，发生弹性变受外力作用而微微向上鼓起，发生弹性变形，四个电阻应变片因此而发生电阻变化，形，四个电阻应变片因此而发生电阻变化，破坏原先的惠斯顿电桥电路平衡，电桥输破坏原先的惠斯顿电桥电路平衡，电桥输出与压力成正比的电压信号。图出与压力成正比的电压信号。图4是封装是封装如集成电路的硅压阻式压力传感器实物照如集成电路的硅压阻式压力传感器实物照片。片。典型典型MEMS器件介绍器件介绍-MEMS压力传感器压力传感器MEMS压力传感器的应用压力传感器的应用 MEMS压力传感器广泛应用于汽车电子如压力传感器广泛应用于汽车电子如TPMS、发动机机油压力传感器、汽车刹车系、发动机机油压力传感器、汽车刹车系统空气