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微機(jī)電運(yùn)動(dòng)傳感器淺談

發(fā)布時(shí)間:2010-01-27

中心議題:
  • 加速度計(jì)的類型
  • 陀螺儀的類型
  • 制造工藝與封裝
解決方案:
  • 利用標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝生產(chǎn)MEMS產(chǎn)品
  • 將MEMS機(jī)械結(jié)構(gòu)與信號(hào)電路分開   

微機(jī)電運(yùn)動(dòng)傳感器(MEMS Motion Sensor)技術(shù)主要應(yīng)用于汽車電子領(lǐng)域,但是憑借Wii和iPhone的熱賣,該技術(shù)一舉在消費(fèi)電子市場(chǎng)也闖出了一片天地。

據(jù)市場(chǎng)研究機(jī)構(gòu)The Information Network調(diào)查,2008年全球MEMS應(yīng)用市場(chǎng)增長(zhǎng)率達(dá)到了11%,市場(chǎng)規(guī)模約78億美元,其中MEMS在消費(fèi)電子應(yīng)用比例接近50%,整體市場(chǎng)規(guī)模將近35億美元。該機(jī)構(gòu)預(yù)測(cè),到2012年,全球MEMS應(yīng)用市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)154億美元,其中MEMS消費(fèi)性電子應(yīng)用規(guī)模更可增長(zhǎng)到71億美元。

另一家市場(chǎng)研究機(jī)構(gòu)iSuppli也指出,手機(jī)將是MEMS技術(shù)下一個(gè)最具潛力的應(yīng)用市場(chǎng),增長(zhǎng)幅度預(yù)計(jì)可超過汽車傳感領(lǐng)域和電腦周邊,到2012年,MEMS在手機(jī)領(lǐng)域的應(yīng)用規(guī)模更可一舉達(dá)到8.669億美元,出貨量可達(dá)2.009億顆。

MEMS市場(chǎng)的研究權(quán)威Yole Development更認(rèn)為,2012年MEMS在手機(jī)應(yīng)用的整體市場(chǎng)規(guī)模有機(jī)會(huì)上看25億美元。

當(dāng)然,要將MEMS運(yùn)動(dòng)傳感器技術(shù)真正導(dǎo)入消費(fèi)電子應(yīng)用,也并非一件容易的事情,首要任務(wù)就是克服價(jià)格與技術(shù)成熟度的問題。不過,有Wii和iPhone熱賣在前,市場(chǎng)和主要芯片供應(yīng)商一致看好該項(xiàng)技術(shù)的成長(zhǎng)潛力。

MEMS運(yùn)動(dòng)傳感器技術(shù)概述

MEMS運(yùn)動(dòng)傳感器囊括多種傳感器技術(shù)。用來測(cè)量物體加速度的傳感器叫做加速度傳感器(加速度計(jì));用來測(cè)量物體角速度的傳感器叫做角速度傳感器(陀螺儀);也有將二者相結(jié)合的慣性測(cè)量單元(IMU;Inertial Measurement Unit)。另外,還有測(cè)量高度變化的氣壓計(jì),以及感測(cè)絕對(duì)方向的電子羅盤。

目前由于價(jià)格因素,市面上出售的運(yùn)動(dòng)傳感器大都是加速度計(jì)。據(jù)iSuppli調(diào)查顯示,2008年加速度計(jì)的出貨量較2007年增長(zhǎng)了將近2倍,預(yù)計(jì)2009年的出貨增長(zhǎng)率可望達(dá)到40%左右。

而陀螺儀的研發(fā)雖然早于加速度計(jì),但是因?yàn)樵O(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜,單價(jià)始終偏高,在市場(chǎng)上的普及程度反而不如加速度計(jì)。據(jù)iSuppli調(diào)查顯示,陀螺儀至少要到2010年之后,才會(huì)有比較明顯的市場(chǎng)需求出現(xiàn)。不過,陀螺儀的用途仍然很廣。而隨著制造與整合技術(shù)的進(jìn)步以及市場(chǎng)需求的增加,集加速度計(jì)與陀螺儀于一身的IMU芯片,未來必將成為運(yùn)動(dòng)傳感器真正的王者。
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加速度計(jì)的類型

加速度計(jì)的類型主要有四種:壓阻式、電容式、壓電式和熱對(duì)流式。

壓阻式:結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,實(shí)現(xiàn)較為容易,特別適合用來測(cè)量低頻加速度應(yīng)用。不過,這類傳感器的電阻值易隨溫度變化而產(chǎn)生零位漂移及靈敏度漂移,需要進(jìn)行補(bǔ)償。

電容式:由于利用電容效應(yīng),因此分辨率相當(dāng)高,也具有很高的靈敏度及量測(cè)范圍,其動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間短,適合高頻的加速度應(yīng)用。而且可靠性高,能夠在高溫、高壓、強(qiáng)輻射及強(qiáng)磁場(chǎng)等惡劣的環(huán)境中工作,也能耐受極大沖擊,適用范圍極廣。同時(shí)由于電容式為非接觸式量測(cè),所以使用壽命可以很長(zhǎng)。另外,電容式技術(shù)能夠通過回授控制來讓加速度計(jì)的振動(dòng)結(jié)構(gòu)維持在線性操作區(qū)域,此特性有助于改善傳感器的靈敏度,也能提升其穩(wěn)定性。不過,電容式加速度計(jì)采梳狀結(jié)構(gòu),在生產(chǎn)設(shè)計(jì)具有相當(dāng)難度,并不容易掌握。

壓電式:雖然也能做到回授控制的要求,而且具有體積小、響應(yīng)速度快、位移量小和消耗功率低等特色,但由于硅半導(dǎo)體并非壓電材料,而一般的壓電工藝不兼容于IC標(biāo)準(zhǔn)工藝,因此在商業(yè)化上仍有許多困難需要克服。

熱對(duì)流式:利用一個(gè)加熱的重氣泡在加速度影響下的運(yùn)動(dòng)來探測(cè)加速度。該方式因?yàn)椴捎脽醾鲗?dǎo)原理,其結(jié)構(gòu)中并沒有可動(dòng)部分,所以不會(huì)出現(xiàn)粘連、顆粒等問題,而且能承受50000g以上的巨大沖擊,也具有低成本優(yōu)勢(shì)。不過,它對(duì)環(huán)境溫度的變化更為敏感,響應(yīng)頻率也無法太快,也有功耗偏高的限制。此外,此類傳感器只能做到二軸的感測(cè)能力,尺寸也比電容式及壓電式大。

陀螺儀的類型

陀螺儀的類型主要包括音叉式、雙質(zhì)量振動(dòng)式、半球諧振式、環(huán)式及梳狀驅(qū)動(dòng)諧振式等。

這些技術(shù)有一個(gè)共同點(diǎn),即它們都是以振動(dòng)塊而非傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)塊(rotating mass)為基礎(chǔ)。主要原因是MEMS技術(shù)中難以做出全程旋轉(zhuǎn)的結(jié)構(gòu),而使用振動(dòng)方式并通過科里奧利效應(yīng)(Coriolis Effect)的計(jì)算,也同樣能夠獲得角速度變化的測(cè)量。在此結(jié)構(gòu)中,振動(dòng)塊為驅(qū)動(dòng)端,另外還會(huì)有感測(cè)端,將物理變化量傳送出去。

為了形成諧振的動(dòng)作,必須采用適當(dāng)?shù)牟牧?,包括硅晶、陶瓷、石英等,其中以石英的性能最佳(可靠性、靈敏度、抗溫度漂移),但以硅晶的成本最低,且能采用標(biāo)準(zhǔn)的CMOS芯片工藝。

制造工藝與封裝

制造的材料不同,所使用的工藝也不同。利用石英制造的代表廠商,例如日本的Epson Toyocom,該公司以石英(QUARTZ)材料的穩(wěn)定性,結(jié)合了MEMS制造技術(shù),在2006年推出了“QMEMS”技術(shù)。根據(jù)該公司對(duì)QMEMS的描述就是:通過微加工技術(shù),使水晶材料具備機(jī)械、電子、光學(xué)、化學(xué)等方面的特性,并增加高精度、高穩(wěn)定附加值的技術(shù)。

為此,工程師采用類似于生產(chǎn)芯片的制造技術(shù),但使用光罩蝕刻制造時(shí),平坦度的要求會(huì)變得更加嚴(yán)格。此外,半導(dǎo)體生產(chǎn)設(shè)備必須調(diào)整成能適合處理石英原料,而非原先所使用的硅晶。首先,光刻膠的薄膜平放在晶圓上,在晶圓上有用來完成元件設(shè)計(jì)的光感應(yīng)式光罩。平面光罩下當(dāng)執(zhí)行紫外線曝光流程后,便可產(chǎn)生出曝光和未曝光的區(qū)域,然后不需要的區(qū)域可藉由化學(xué)洗劑的幫助來蝕刻掉,留所需的形狀。最后,此晶圓會(huì)進(jìn)行切割并被切成小方塊,所生產(chǎn)出來的MEMS芯片就可以進(jìn)行封裝了。

但是,為了壓低MEMS運(yùn)動(dòng)傳感器的價(jià)格,擴(kuò)大其市場(chǎng)應(yīng)用范圍,一種利用既有標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝來生產(chǎn)MEMS產(chǎn)品的技術(shù)便應(yīng)運(yùn)而生。這種名為CMOS-MEMS的技術(shù)無需特殊的生產(chǎn)設(shè)備,可直接在既有的半導(dǎo)體生產(chǎn)流程上完成MEMS的產(chǎn)品。相較于過去MEMS產(chǎn)品必須先在自有廠房?jī)?nèi)完成機(jī)械結(jié)構(gòu)的生產(chǎn)模式,CMOS-MEMS技術(shù)對(duì)于量產(chǎn)、系統(tǒng)整合和低價(jià)化更有優(yōu)勢(shì)。

不論是加速度計(jì)或陀螺儀,最常見也是最可行的作法都是將MEMS機(jī)械結(jié)構(gòu)與負(fù)責(zé)信號(hào)調(diào)整與測(cè)量的電路分開設(shè)計(jì),再通過封裝的方式整合在一起,封裝上可以采取堆?;虿⑴牌渲幸环N方式。專家表示,機(jī)械與電路是兩個(gè)差異性很大的元件,要將之結(jié)合存在很大的障礙,如果機(jī)械與電路一定要強(qiáng)行結(jié)合,那么將會(huì)犧牲性能。采用分開設(shè)計(jì)的方式,在性能與質(zhì)量上更有保障,因此分開設(shè)計(jì)是最好的方式。

不過,晶圓級(jí)的整合畢竟能夠提供更優(yōu)異的元件緊湊度,有助于降低尺寸與量產(chǎn)成本,也能減少額外元件及阻抗損耗,以及封裝、測(cè)試上的成本,所以MEMS元件還是會(huì)朝向單芯片的方向發(fā)展。據(jù)了解,目前有些IDM大廠,如ADI、Infineon等已可做到CMOS-MEMS的單芯片工藝技術(shù)。這是因?yàn)锳DI、Infineon擁有MEMS和電路的所有技術(shù),所以能將其MEMS工藝放在整個(gè)生產(chǎn)流程的中段。而像臺(tái)積電、聯(lián)電等臺(tái)灣的晶圓代工廠,雖然也有CMOS-MEMS工藝,但是都偏向于先做完CMOS的IC電路,再完成MEMS的結(jié)構(gòu)。
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