高科技产品中微机电系统应用研究

2018-06-19 02:14张霞刘宏波顾文周细应于治水
无线互联科技 2018年3期
关键词:交叉学科

张霞 刘宏波 顾文 周细应 于治水

摘要:文章以CMOS为引子,概述MEMS的研究性质、主要特征;以通信/移动设备、智能手环为例,解读高科技产品中MEMS的应用状况:最后介绍MEMS与CMOS的差异,提出了我国发展MEMS的基本设想。

关键词:MEMS; CMOS;微加工;交叉学科

虽然大部分人对于微机电系统/微机械/微系统(MicroElectromechanical Systems,MEMS)感到很陌生,但是其实MEMS在人们生活中早己無处不在了。智能手机、健身手环、打印机、汽车、无人机(车)以及可穿戴/植入的VR/AR头戴式设备、物联网等,这些电子产品都应用了MEMS器件(见图1)。

1 MEMS概述

微机电系统技术是建立在微米/纳米技术( micro/nanotechnology)基础上的21世纪前沿技术,是指对微米/纳米材料进行设计、加工、制造、测量和控制的微电子技术和微加工技术(包括硅体微加工、硅表面微加工、LIGA和晶片键合等技术相结合的制造工艺),将机械(运动)构件(装置)、光学系统、发音系统、电控系统、无线驱动、化学分析、计算系统等系统级芯片集成为一个整体单元的微型系统(各种性能优异、价格低廉、微型化的传感器、执行器、驱动器和微系统)。

MEMS是一门新型综合学科,学科交叉现象极其明显,将对未来人类生活产生革命性的影响,主要涉及微加工技术,材料物理与化学、精密光学、电子学,生物学、机械学/固体声波理论,热流理论等。对MEMS的研究主要包括理论基础研究、制造工艺研究及应用研究3类。理论研究主要是研究微尺寸效应、微摩擦、微构件的机械效应以及微机械、微传感器、微执行器等的设计原理和控制研究等:制造工艺研究包括微材料性能、微加工工艺技术、微器件的集成和装配以及微测量技术等;应用研究主要是将所研究的成果,如微型电机、微型阀、微型传感器以及各种专用微型机械投入使用。

2 MEMS特征

MEMS器件的特征长度是1mm~1μm,相比之下头发的直径大约是50μm。MEMS可以看作互补式金属氧化物半导体(Complementary Metal Oxide Semiconductor, CMOS)集成电路的扩展。如果将CMOS比喻为人的大脑和神经网络,那么MEMS就是大脑智慧的“手臂”,为这信息系统提供了获取信号的微传感器和执行命令的微执行器。

MEMS的快速发展是基于MEMS之前已经相当成熟的微电子技术、集成电路技术及其加工工艺。MEMS往往会采用常见的机械零件和工具所对应微观模拟元件,例如它们可能包含通道、孔、悬臂、膜、腔以及其他结构。然而,MEMS器件加工技术并非机械式。相反,它们采用类似于集成电路批处理式的微制造技术。批量制造能显著降低大规模生产的成本。若单个MEMS传感器芯片面积为5 mmX5 mm,则一个8英寸(直径20 cm)硅片(wafer)可切割出约1000个MEMS传感器芯片,分摊到每个芯片的成本则可大幅度降低[1]。因此,MEMS商业化的工程除了提高产品本身性能、可靠性外,还有很多工作集中于扩大加工硅片半径(切割出更多芯片),减少工艺步骤总数,以及尽可能地缩传感器大小。3 MEMS与通信/移动设备 在智能手机中,iPhone 5采用了4个MEMS传感器,三星Galaxy S4手机采用了8个MEMS传感器。iPhone 6 Plus使用了六轴陀螺仪&加速度(InvenSense MPU-6700)、三轴电子罗盘(AKM AK8963C)、三轴加速度计(Bosch SensortecBMA280)、磁力计、大气压力计(Bosch SensortecBMP280)、指纹传感器(Authen Tec的TMDR92)、距离传感器、环境光传感器(来自AMS的TSL2581)和MEMS麦克风。iphone 6s与之类似,稍微多一些MEMS器件,例如采用了4个MEMS麦克风。预计将来高端智能手机将采用数十个MEMS器件以实现多模通信、智能识别、导航/定位等功能。MEMS硬件也将成为LTE技术亮点部分,将利用MEMS天线开关和数字调谐电容器实现多频带技术。

以智能手机为主的移动设备中,应用了大量传感器以增加其智能性,提高用户体验。通信系统中,大量不同频率的频带(例如不同国家间使用不同的频率,2G,3G,LTE,CDMD以及蓝牙、WiFi等不同技术使用不同的通信频率)被使用以完成通信功能,而这些频带的使用离不开频率的产生。声表面波(Surface Acoustic Wave,SAW)器件,作为一种片外(off-chip)器件,与IC集成难度较大。MEMS的SAW和体声波(Bulk Acoustic Wave,BAW)谐振器的频率器件是手机天线双工器的中流砥柱。另一个MEMS典型例子是依靠材料属性变化的MEMS器件,例如基于相变材料的开关,加入不同电压可以使材料发生相变,分别为低阻和高阻状态。

4 可穿戴/植入式领域与MEMS

可穿戴/植入式MEMS属于物联网重要一部分,主要功能是通过一种更便携、快速、友好的方式(目前大部分精度达不到大型外置仪器的水平)直接向用户提供信息。可穿戴是最受用户关注、最感兴趣的话题,与用户接触,提升消费者科技感,更受年轻用户喜爱,例如Fitbit消费健身手环、苹果手表等如图2所示。

该领域最主要有三大块:消费、健康及工业。健康领域,即医疗领域,主要包括诊断、治疗、监测和护理。比如助听、指标检测(如血压、血糖水平)、体态监测。MEMS几乎可以实现人体所有感官功能,包括视觉、听觉、味觉、嗅觉(如Honeywell电子鼻)、触觉等,各类健康指标可通过结合MEMS与生物化学进行监测。MEMS的采样精度、速度、适用性都可以达到较高水平,同时由于其体积优势可直接植入人体,是医疗辅助设备中关键的组成部分。

传统大型医疗器械优势明显,精度高,但价格昂贵,普及难度较大,且一般一台设备只完成单一功能。相比之下,某些医疗目标通过MEMS传感器,利用其体积小的优势,深入接触测量目标,对体内某些指标进行测量,在达到一定的精度下,降低成本,直接作用于器官或病变组织进行更直接的治疗。同时系统可以通过MEMS能量收集器进行无线供电,多组单元可以通过MEMS通信器进行信息传输,完成多重功能的整合[2]。MEMS医疗前景广阔,尤其需考虑技术难度、可靠性、人体安全等。

5 结语

MEMS传感器主要优点是体积小、重量轻、功耗低、可靠性高、灵敏度高、易于集成等,是微型传感器的主力军。常见的压力传感器、加速度计、陀螺、静电致动光投影显示器、DNA扩增微系统、催化传感器等,将逐渐取代传统机械传感器,在各个领域几乎都有涉及,包括消费电子产品、汽车工业,甚至航空航天、机械、化工及医药等各领域。MEMS与CMOS在各方面依然存在很大差异:(1)设计思路;(2)基底材料;(3)工艺步骤:(4)构件封装;(5)技术生命周期等[3]。我国应充分利用现有基础,紧贴国际MEMS技术发展的大脉搏,根据国家发展战略方针,在对社会经济发展有重要影响的工业自动化、信息技术等行业,掌握与MEMS技术相关的设计、加工、测试、封装、装配和系统集成等具有自主知识产权的理论方法和关键技术。

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