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也谈微机电运动传感器

我爱方案网| 微机电运动传感器,传感器,微机电传感器| 2011-03-25
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中心议题:
    * 加速度计的类型
    * 陀螺仪的类型
    * 制造工艺与封装
解决方案:
    * 利用标准CMOS工艺生产MEMS产品
    * 将MEMS机械结构与信号电路分开   


微机电运动传感器(MEMS Motion Sensor)技术主要应用于汽车电子领域,但是凭借Wii和iPhone的热卖,该技术一举在消费电子市场也闯出了一片天地。

据市场研究机构The Information Network调查,2008年全球MEMS应用市场增长率达到了11%,市场规模约78亿美元,其中MEMS在消费电子应用比例接近50%,整体市场规模将近35亿美元。该机构预测,到2012年,全球MEMS应用市场规模将达154亿美元,其中MEMS消费性电子应用规模更可增长到71亿美元。

另一家市场研究机构iSuppli也指出,手机将是MEMS技术下一个最具潜力的应用市场,增长幅度预计可超过汽车传感领域和电脑周边,到2012年,MEMS在手机领域的应用规模更可一举达到8.669亿美元,出货量可达2.009亿颗。

MEMS市场的研究权威Yole Development更认为,2012年MEMS在手机应用的整体市场规模有机会上看25亿美元。

当然,要将MEMS运动传感器技术真正导入消费电子应用,也并非一件容易的事情,首要任务就是克服价格与技术成熟度的问题。不过,有Wii和iPhone热卖在前,市场和主要芯片供应商一致看好该项技术的成长潜力。

MEMS运动传感器技术概述

MEMS运动传感器囊括多种传感器技术。用来测量物体加速度的传感器叫做加速度传感器(加速度计);用来测量物体角速度的传感器叫做角速度传感器(陀螺仪);也有将二者相结合的惯性测量单元(IMU;Inertial Measurement Unit)。另外,还有测量高度变化的气压计,以及感测绝对方向的电子罗盘。

目前由于价格因素,市面上出售的运动传感器大都是加速度计。据iSuppli调查显示,2008年加速度计的出货量较2007年增长了将近2倍,预计2009年的出货增长率可望达到40%左右。

而陀螺仪的研发虽然早于加速度计,但是因为设计结构较为复杂,单价始终偏高,在市场上的普及程度反而不如加速度计。据iSuppli调查显示,陀螺仪至少要到2010年之后,才会有比较明显的市场需求出现。不过,陀螺仪的用途仍然很广。而随着制造与整合技术的进步以及市场需求的增加,集加速度计与陀螺仪于一身的IMU芯片,未来必将成为运动传感器真正的王者。

加速度计的类型

加速度计的类型主要有四种:压阻式、电容式、压电式和热对流式。

压阻式:结构简单,实现较为容易,特别适合用来测量低频加速度应用。不过,这类传感器的电阻值易随温度变化而产生零位漂移及灵敏度漂移,需要进行补偿。

电容式:由于利用电容效应,因此分辨率相当高,也具有很高的灵敏度及量测范围,其动态响应时间短,适合高频的加速度应用。而且可靠性高,能够在高温、高压、强辐射及强磁场等恶劣的环境中工作,也能耐受极大冲击,适用范围极广。同时由于电容式为非接触式量测,所以使用寿命可以很长。另外,电容式技术能够通过回授控制来让加速度计的振动结构维持在线性操作区域,此特性有助于改善传感器的灵敏度,也能提升其稳定性。不过,电容式加速度计采梳状结构,在生产设计具有相当难度,并不容易掌握。

压电式:虽然也能做到回授控制的要求,而且具有体积小、响应速度快、位移量小和消耗功率低等特色,但由于硅半导体并非压电材料,而一般的压电工艺不兼容于IC标准工艺,因此在商业化上仍有许多困难需要克服。

热对流式:利用一个加热的重气泡在加速度影响下的运动来探测加速度。该方式因为采用热传导原理,其结构中并没有可动部分,所以不会出现粘连、颗粒等问题,而且能承受50000g以上的巨大冲击,也具有低成本优势。不过,它对环境温度的变化更为敏感,响应频率也无法太快,也有功耗偏高的限制。此外,此类传感器只能做到二轴的感测能力,尺寸也比电容式及压电式大。

陀螺仪的类型

陀螺仪的类型主要包括音叉式、双质量振动式、半球谐振式、环式及梳状驱动谐振式等。

这些技术有一个共同点,即它们都是以振动块而非传统的旋转块(rotating mass)为基础。主要原因是MEMS技术中难以做出全程旋转的结构,而使用振动方式并通过科里奥利效应(Coriolis Effect)的计算,也同样能够获得角速度变化的测量。在此结构中,振动块为驱动端,另外还会有感测端,将物理变化量传送出去。

为了形成谐振的动作,必须采用适当的材料,包括硅晶、陶瓷、石英等,其中以石英的性能最佳(可靠性、灵敏度、抗温度漂移),但以硅晶的成本最低,且能采用标准的CMOS芯片工艺。
 

制造工艺与封装

制造的材料不同,所使用的工艺也不同。利用石英制造的代表厂商,例如日本的Epson Toyocom,该公司以石英(QUARTZ)材料的稳定性,结合了MEMS制造技术,在2006年推出了“QMEMS”技术。根据该公司对QMEMS的描述就是:通过微加工技术,使水晶材料具备机械、电子、光学、化学等方面的特性,并增加高精度、高稳定附加值的技术。

为此,工程师采用类似于生产芯片的制造技术,但使用光罩蚀刻制造时,平坦度的要求会变得更加严格。此外,半导体生产设备必须调整成能适合处理石英原料,而非原先所使用的硅晶。首先,光刻胶的薄膜平放在晶圆上,在晶圆上有用来完成元件设计的光感应式光罩。平面光罩下当执行紫外线曝光流程后,便可产生出曝光和未曝光的区域,然后不需要的区域可藉由化学洗剂的帮助来蚀刻掉,留所需的形状。最后,此晶圆会进行切割并被切成小方块,所生产出來的MEMS芯片就可以进行封装了。

但是,为了压低MEMS运动传感器的价格,扩大其市场应用范围,一种利用既有标准CMOS工艺来生产MEMS产品的技术便应运而生。这种名为CMOS-MEMS的技术无需特殊的生产设备,可直接在既有的半导体生产流程上完成MEMS的产品。相较于过去MEMS产品必须先在自有厂房内完成机械结构的生产模式,CMOS-MEMS技术对于量产、系统整合和低价化更有优势。

不论是加速度计或陀螺仪,最常见也是最可行的作法都是将MEMS机械结构与负责信号调整与测量的电路分开设计,再通过封装的方式整合在一起,封装上可以采取堆栈或并排其中一种方式。专家表示,机械与电路是两个差异性很大的元件,要将之结合存在很大的障碍,如果机械与电路一定要强行结合,那么将会牺牲性能。采用分开设计的方式,在性能与质量上更有保障,因此分开设计是最好的方式。

不过,晶圆级的整合毕竟能够提供更优异的元件紧凑度,有助于降低尺寸与量产成本,也能减少额外元件及阻抗损耗,以及封装、测试上的成本,所以MEMS元件还是会朝向单芯片的方向发展。据了解,目前有些IDM大厂,如ADI、Infineon等已可做到CMOS-MEMS的单芯片工艺技术。这是因为ADI、Infineon拥有MEMS和电路的所有技术,所以能将其MEMS工艺放在整个生产流程的中段。而像台积电、联电等台湾的晶圆代工厂,虽然也有CMOS-MEMS工艺,但是都偏向于先做完CMOS的IC电路,再完成MEMS的结构。

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