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鬼斧神工的MEMS,10種主流MEMS器件原理全解析
2022-06-16
文章詳情

文 | 步日欣

MEMS( Micro Electro Mechanical System,微機電系統(tǒng)),也叫做微電子機械系統(tǒng),指采用微米甚至納米工藝制造的微型智能化機電系統(tǒng)。

MEMS是在微電子技術(shù)基礎上發(fā)展起來的,工藝基礎也是微電子常用的光刻技術(shù),并融合硅微加工、非硅微加工和精密機械加工等技術(shù)。

但與微電子產(chǎn)業(yè)不同的是,MEMS側(cè)重于超精密機械加工,材料的機械屬性放在第一位,涉及微電子、材料、力學、化學、機械學諸多學科領域。

(更多材料,請回復MEMS)

既然是微加工,就需要原材料,微雕還需要個桃核作為藝術(shù)創(chuàng)作的載體呢,MEMS的微機械加工,也需要支撐材料。

目前主流的MEMS支撐材料(襯底)是硅,當然,一些特殊應用,也會用的非硅襯底,比如玻璃、高分子聚合物(塑料)、金屬、紙、砷化鎵等。

為什么硅基會成為MEMS主流?主要還是因為受微電子產(chǎn)業(yè)帶動,硅加工技術(shù)擁有相對比較成熟的工藝,且硅本身也擁有良好的機械性能,擁有極好的強度、硬度、熱導率、熱膨脹系數(shù)等。

常見的MEMS器件產(chǎn)品包括MEMS加速度計、MEMS麥克風、微馬達、微泵、微振子、MEMS光學傳感器、MEMS壓力傳感器、MEMS陀螺儀、MEMS濕度傳感器、MEMS氣體傳感器等等以及它們的集成產(chǎn)品。

所謂傳感器,就是從外界獲取物理環(huán)境數(shù)據(jù),并轉(zhuǎn)化為可處理的數(shù)字電信號的器件;所謂執(zhí)行器,就是根據(jù)處理器指令,向外界施加一定行為動作的器件。

傳感器和執(zhí)行器,都可以通過MEMS技術(shù)來實現(xiàn)微型化。

由此可見,MEMS器件并非單純指代傳感器,涵蓋了傳感器和執(zhí)行器。

(1)MEMS壓力傳感器

MEMS壓力傳感器,顧名思義是測量壓力的。

涉及到壓力測量,提到最多的應用場景就是胎壓測量,也就是測量輪胎充氣程度。

近幾年,智能手機中的壓力傳感器也逐漸成為標配,主要用來測量大氣壓力。測量大氣壓的目的,是為了通過不同高度的氣壓,來計算海拔高度,同GPS定位信號配合,實現(xiàn)更為精確的三維定位,對戶外徒步登山愛好者是一個非常友好的用途。

MEMS壓力傳感器的原理也非常簡單,核心結(jié)構(gòu)就是一層薄膜元件,受到壓力時變形,形變會導致材料的電性能(電阻、電容)改變。因此可以利用壓阻型應變儀來測量這種形變,進而計算受到的壓力。

本圖例展示的是電容式MEMS壓力傳感器原理,當受到壓力時,上下兩個橫隔(傳感器橫隔上部、傳感器下部)之間的間距變化,導致隔板之間的電容變化,據(jù)此可以測算出壓力大小。

(2)MEMS加速度傳感器

MEMS加速度傳感器,顧名思義,是一種能夠測量加速度的MEMS器件。

加速度傳感器最核心的應用,是利用加速度來感測運動和震動,比如消費電子中最廣泛的體感檢測,廣泛應用于游戲控制、手柄振動和搖晃、姿態(tài)識別等等。

MEMS加速度傳感器的原理非常易于理解,那就是高中物理最基礎的牛頓第二定律。力是產(chǎn)生加速度的原因,加速度的大小與外力成正比,與物體質(zhì)量成反比:F=ma。

所以MEMS加速度傳感器本質(zhì)上也是一種壓力傳感器,要計算加速度,本質(zhì)上也是計算由于狀態(tài)的改變,產(chǎn)生的慣性力,常見的加速度傳感器包括壓阻式,電容式,壓電式,諧振式等。

以諧振式加速度計為例,原理類似于繃緊的吉他弦,由于繃緊程度不同,彈奏出的聲音頻率也不同。在諧振式加速度計中,連結(jié)檢測質(zhì)量塊的振梁就充當了吉他弦的角色,當質(zhì)量塊受慣性力產(chǎn)生加速度時,振梁的緊繃程度也會不同,此時對振梁施加一定的震動,并對振梁梳齒進行震動頻率檢測,進而計算加速度。

(3)MEMS陀螺儀(角速度傳感器)

陀螺儀相對來說復雜一點,是一種測量角速度的器件,我們先來介紹一下普通的陀螺儀。

要測量角速度,不是一件容易的事情,必須在運動的物體中,尋找到一個靜止不動的錨定物——這個錨定物就是陀螺。利用的屬性就是高速旋轉(zhuǎn)中的陀螺,角動量很大,旋轉(zhuǎn)軸不隨外界運動狀態(tài)改變而改變,會一直穩(wěn)定指向一個方向。

動物界中穩(wěn)定性最好的就是雞了,所以很多人開玩笑說,雞的腦袋里肯定裝了一個先進的陀螺儀,不管怎么動它,腦袋就是不動。

至于陀螺儀的結(jié)構(gòu),核心就是一個呼呼轉(zhuǎn)不停的轉(zhuǎn)子,作為其他運動物體的靜止錨定物。

再回到MEMS陀螺儀,與傳統(tǒng)的陀螺儀工作原理有差異,因為微雕技術(shù)在硅片襯底上加工出一個可轉(zhuǎn)動的立體轉(zhuǎn)子,并不是一件容易的事。

MEMS陀螺儀陀螺儀利用科里奧利力原理——旋轉(zhuǎn)物體在有徑向運動時所受到的切向力。這種力超出了筆者的高中物理水平,怎么描述這種科里奧利力呢?可以想象一下游樂場的旋轉(zhuǎn)魔盤,人在旋轉(zhuǎn)軸附近最穩(wěn)定,但當大圓盤轉(zhuǎn)速增加時,人就會自動滑向盤邊緣,仿佛被一個力推著一樣向沿著圓盤落后的方向漸漸加速,這個力就是科里奧利力。

就當他是一種特殊的奧利給吧。

所以MEMS陀螺儀的結(jié)構(gòu),就是一個在圓盤上的物體塊,被驅(qū)動,不停地來回做徑向運動或者震蕩。由于在旋轉(zhuǎn)狀態(tài)中做徑向運動,因此就會產(chǎn)生科里奧利力。MEMS陀螺儀通常是用兩個方向的可移動電容板,通過電容變化來測量科里奧利力。

(4)MEMS慣性組合傳感器

慣性組合傳感器,不是一個新的器件,而是由加速度傳感器、陀螺儀、磁傳感器等組合而成,比如三軸、六軸、九軸等,主要實現(xiàn)全方位、立體運動檢測。

慣性傳感器的一個被廣為熟悉的應用領域就是慣性導航,比如飛機/導彈飛行控制、姿態(tài)控制、偏航阻尼等控制應用、以及中程導彈制導、慣性GPS導航等制導應用。

(5)MEMS微流控系統(tǒng)

前面講到的壓力傳感器、加速度、陀螺儀等,屬于傳感器的范疇,而微流控系統(tǒng)(microfluidics ),則屬于執(zhí)行器。

所謂微流控,是流量控制,是一種精確控制和操控液體流動的裝置,使用幾十到幾百微米尺度的管道,一般針對微量流體,用于生物醫(yī)藥診斷領域的高精度和高敏感度的分離和檢測,具有樣品消耗少、檢測速度快、操作簡便、多功能集成、體小和便于攜帶等優(yōu)點。

MEMS微流控是純粹的機械結(jié)構(gòu),制作微流控芯片的主要材料包括硅、玻璃、石英、高聚物、陶瓷、紙等。

(6)射頻MEMS(含F(xiàn)BAR)

射頻是一個和大家息息相關(guān)的領域,只要涉及到無線通信(2345G、Wi-Fi、藍牙……),就要利用射頻技術(shù)。

因為射頻中核心部件之一是功率放大PA(硅、砷化鎵、氮化鎵器件),因此很多人默認為射頻器件屬于半導體集成電路領域。

但實際上,整個射頻前端(RFFE)中,MEMS器件占主要比例,包括射頻開關(guān)(Switch)、濾波器(SAW、BAW、FBAR等)、振蕩器/諧振器(Oscillator/Resonator)等。

射頻開關(guān)(Switch),并不是一個單純的開關(guān),而是一個切換器,主要用于在射頻設備中對不同方向(接收或發(fā)射)、不同頻率的信號進行切換處理的裝置,實現(xiàn)通道的復用。

濾波器(SAW、BAW、FBAR等),負責接收通道的射頻信號濾波,將接收的多種射頻信號中特定頻率的信號輸出,將其他頻率信號濾除。以SAW聲表面波為例,通過電磁信號-聲波-電磁信號的兩次轉(zhuǎn)換,將不受歡迎的頻率信號濾除。

振蕩器/諧振器(Oscillator/Resonator),振蕩器是將直流電能轉(zhuǎn)變成交流電能的過程,用來產(chǎn)生一定頻率的交流信號,屬于有源器件。諧振器是電路對一定頻率的信號進行諧振,主要是用來篩選出某一頻率,屬于無源器件。

石英晶體振蕩器是利用石英晶體的壓電效應制成的一種諧振器件,基本構(gòu)成是從一塊石英晶體上按一定方位角切下薄片,在它的兩個對應面上涂敷銀層作為電極。

(7)MEMS硅麥克風

麥克風大家都知道,快手上的喊麥就是指的麥克風,對著麥克風歇斯底里的一種亞文化。

而硅麥克風指的是利用MEMS技術(shù),在硅基上制造的微縮麥克風,迎合目前3C產(chǎn)品小型化和集成化趨勢,所以TWS耳機、手機麥克風,才會實現(xiàn)如此集成化效果。

麥克風原理,不管是傳統(tǒng)的駐極體麥克風(electret microphone),還是目前微型化的硅麥,都是利用的聲電轉(zhuǎn)換。

駐極體麥克風的聲電轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵元件是駐極體振動膜——一片極薄的塑料膜片,經(jīng)過高壓電場駐極后,與金屬背電極之間就形成一個電容。當駐極體膜片遇到聲波振動時,引起電容兩端的電場發(fā)生變化,從而產(chǎn)生了隨聲波變化而變化的交變電壓。

與傳統(tǒng)的駐極體麥克風相比, MEMS麥克風具有體積小、功耗低、可靠性高、抗干擾能力強、產(chǎn)品一致性高等特點,已逐步取代駐極體麥克風成為這些消費電子產(chǎn)品中麥克風的主流器件,實現(xiàn)語音采集、消除環(huán)境噪音、提高語音指令的辨析度等多種功能。

(8)MEMS噴墨打印頭

MEMS噴墨打印頭跟前面提到過的微流控系統(tǒng)有點兒類似,只不過微流控系統(tǒng)主要講的是微流體的檢測和分析,而MEMS噴墨打印頭實現(xiàn)的,則是根據(jù)控制器指令,向外噴射墨汁。

總得來說,噴墨打印頭的作用是擠出墨汁,有的是利用壓電薄膜震動來擠壓墨水,有的是利用加熱氣泡變大,將腔體內(nèi)的墨汁擠出。

(9)DMD(數(shù)字微鏡器件)

DMD(Digital Micromirror Device,數(shù)字微鏡器件),主要應用于DLP(Digital Light Processing,數(shù)字光處理)領域,即影像的投影。

投影,簡單理解就是各種投影儀,將數(shù)字畫面信號,通過一系列的匯聚、反射,投射到外部的過程。

在投影系統(tǒng)中,DMD芯片是其中的核心部件之一。這個方寸之間的小芯片上,密密麻麻地排列著百萬數(shù)量級的微鏡片(精密、微型的反射鏡)矩陣,每一面反射鏡都可以獨立反轉(zhuǎn)運動,正負方向翻轉(zhuǎn),每秒鐘翻轉(zhuǎn)次數(shù)高達數(shù)萬次。

每一個微鏡片控制投影畫面中的一個像素,借助微鏡裝置的反轉(zhuǎn),反射需要的光,同時通過光吸收器吸收不需要的光來實現(xiàn)影像的投影,形成不同亮度、灰度和對比度的圖像。

(10)熱電堆(Thermopile)

新冠疫情初期,除了口罩之外,另外一類奇貨可居的商品,就是熱電堆傳感器了。價格飆升10倍有余,微信群里一堆倒爺?shù)教幵儐栍袥]有貨源。

熱電堆是一種熱釋紅外線傳感器 ,由一系列熱電偶串聯(lián)組成,是一種溫度檢測器件,主要作用是為了實現(xiàn)無接觸式紅外測溫,比如非接觸式的額溫槍、耳溫槍。

熱電堆紅外傳感器利用塞貝克熱電效應(Seebeck effect),由一系列熱電偶串聯(lián)組成,熱電偶兩端由兩種不同材料組成,當一端接觸熱端、一端接觸冷端時,會在兩種不同材料之間會產(chǎn)生一個電勢差,電勢差的大小代表了兩種不同材料之間的溫度差。

(11)磁傳感器

磁傳感器并非像名字顯示的那樣,只是為了測量磁場強度的器件,而是根據(jù)受外界影響,敏感元件磁性能變化,來檢測外部環(huán)境變化的器件,可檢測的外界因素有磁場、電流、應力應變、溫度、光等。

磁傳感器主要分為四大類,霍爾效應(Hall Effect)傳感器、各向異性磁阻(AMR)傳感器、巨磁阻(GMR)傳感器和隧道磁阻(TMR)傳感器。

其中,磁阻傳感器是第四代磁傳感技術(shù),基于納米薄膜技術(shù)和半導體制備工藝,通過探測磁場信息來精確測量電流、位置、方向、轉(zhuǎn)動、角度等物理參數(shù)。

MEMS技術(shù)可以將傳統(tǒng)的磁傳感器小型化,因此MEMS磁傳感器具有體積小、性能高、成本低、功耗低、高靈敏和批量生產(chǎn)等優(yōu)點,制備襯底材料以Si為主,消除了磁傳感器制備必須采用特殊磁性材料及其對被測磁場的影響。

作者簡介:步日欣

創(chuàng)道投資咨詢創(chuàng)始人,北京郵電大學創(chuàng)業(yè)導師、經(jīng)管學院特聘導師、天津市集成電路產(chǎn)業(yè)協(xié)會顧問、北京芯合匯集成電路產(chǎn)業(yè)平臺顧問、威海雙創(chuàng)街創(chuàng)業(yè)導師。電子工程本科、計算機碩士學位,具有證券從業(yè)資格、基金從業(yè)資格、通過CFA LII考試,先后就職于亞信咨詢、中科院賽新資本、東旭集團金控集團等,擁有IT研發(fā)、咨詢、投融資十五年以上經(jīng)驗,關(guān)注投資領域為人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、集成電路、智能制造、云計算、大數(shù)據(jù)等。

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