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基于MEMS技术的加速度传感器分析与应用

出处:网络整理 发布于:2018-01-17 16:21:57 | 619 次阅读

高速发展的电子及其制造技术使微机电系统(Micro-Electro-Mechanical-SySTems ,MEMS)迅速普及。其实基于MEMS技术的加速度传感器、压力传感器、陀螺仪等已经有30余年的应用历史,但由于技术和成本等多方面的原因,这些技术主要应用于工业、军事、汽车制造、仪器仪表,及医疗等领域,而未进入消费类产品市场。目前的情况则已大幅改观,MEMS技术已不像几十年前那样贵如珠宝,低成本、小尺寸、低功耗、高性能的MEMS传感器产品已掀起新的设计和消费浪潮。

基于MEMS技术的多轴加速度传感器目前主要应用于游戏机和手机、硬盘防跌落保护、便携式设备的健身计步测量,以及数码相机/摄相机的防抖等。除此之外,用于测量热效应、光强度及压力等物理量的物理传感器(Physical Sensor)也是未来的重点之一。

ST一直致力于MEMS技术的广泛应用和进行新产品与新技术的开发方面的投入。其率先投资建立了先进的八英寸晶圆生产线,同时推动互补的合作伙伴关系。ST的目标是MEMS产品在消费领域的普及和量产,成为该技术消费性浪潮的推手。

1. MEMS概述

微机电系统指通过硅晶圆微加工技术制造的三维机械电子结构,60年代时开始在半导体厂中出现。人们的日常生活中经常能见到MEMS技术的物理传感器,用来感测加速度、角速度、压力和声压等。

汽车电子是目前发展迅速的市场,MEMS技术在其中随处可见。例如汽车动态控制和安全气囊等所有的主动和被动式安全系统中,都使用加速度或偏移率(Yaw Rate)传感器来保护乘客的生命安全;为降低油耗,压力传感器也应用在引擎歧管(Engine Manifolds)和汽油管(Fuel Lines)中。

MEMS技术在活跃的消费电子市场掀起了产品设计创新的高潮。对于消费性市场来说,微机电产品通常会是在技术与经济考虑下的最佳解决方案,而且提供了微型化和高级程度的未来发展蓝图。最成功的应用之一就是加速度传感器在任天堂的Wii和Sony的PS3游戏机中带来的全新操控体验。过去加速度传感器只被用于汽车中的主动及被动式安全系统当中,一些安全法规的要求是其在汽车电子中应用的驱动力之一。今天,“感测及简化”已成为MEMS在消费产品市场的价值定位所在,扫除使用者和电子设备这个复杂世界之间的所有隔阂也是设计大师Naoto Fukusawa-san的梦想。此外,三轴加速度传感器也可用来设计硬盘放跌落装置,保护数据的安全;便携式设备的UI操控也可以通过它来实现更人性化的功能。

MEMS元件与芯片中的CMOS相同,利用半导体晶圆厂来生产制造。但不同之处是,MEMS元件不仅仅是电子产品,还结合了许多机械结构,如连硅质弹簧(Spring)、电极(Electrode)、薄板(Membrane)和悬臂梁(Canlever)等可移动的机构。此外,硅微加工元件经常会与传统石英或压电式产品存在价格、尺寸及效能上出现竞争。

加速度计和陀螺仪等运动感测器将移动侦测的能力带到硅组件当中。 这类组件在汽车市场的应用会持续增加,一些法案的要求正是其中的驱动力之一;在消费性市场中的应用也将会大幅提高,其增长率会十分快速。 多轴加速度计过去只被用于汽车中的主动及被动式安全系统当中,但现在已更广泛被用于笔记型电脑、硬盘机、手机和游戏控制器中。 除了汽车动态控制系统外,偏移率感测器(陀螺仪)也用于改善数位相机和摄影机的影像稳定性。 此外,运动感测器和磁力计可望整合为运动量测单元,共同为手持设备提供个人化导航功能,进而让电信业者所提供的位置型服务(LBS)能够落实。

业界预测加速度传感器和陀螺仪等运动传感器在消费电子产品市场中的应用将持续增加,且增长会十分迅速。

多轴加速度传感器给硅组件带来运动探测能力,目前被广泛用于硬盘驱动器、手持设备、笔记本电脑、手机、游戏机等设备中。陀螺仪也被用于数码相机和摄像机中,为其防抖动功能提供支持。此外,运动传感器和磁力计可望整合为运动传感单元,共同为手持设备提供个人化导航功能,进而为电信运营商所提供的定位类服务(LBS)提供平台。

微型压力传感器曾在汽车中大量应用,主要集中在胎压侦测等;此外,医疗器械也是其主要市场之一。目前随着技术的进步使开发成本逐渐降低和尺寸更加轻薄,微型压力传感器预计将很快被消费类市场接受,并用于无线通讯等新领域。

手机和笔记本电脑由于尺寸的限制,使用表面贴装技术(SMT)的传统驻极体电容式迈克风的时用受到限制,因此基于MEMS技术的电容式硅晶迈克风将在该市场迅速普及。

加速度传感器、陀螺仪、压力传感器等多种元件的集成将是未来的必然趋势。MEMS产品供应商需要基于客户的需求,开发能将多种传感器整合在一起的通用技术平台。THELMA和VENSENS即为ST推出的两款用于传感器整合的技术平台。ST的MEMS产品制造和研发都在先进的八英寸MEMS晶圆厂中进行,能使上市时间缩短,迅速满足市场需求。此外,该公司还在积极开发多轴陀螺仪、压力传感器和电容式硅晶迈克风等,也积极与其它公司合作推出具有市场潜力或满足客户要求的传感器产品。

2. 物理传感器的微加工技术

由于硅晶体具有极佳的电特性、机械特性和热量特性,故已成为MEMS制造中最受欢迎的一种材料。MEMS传感器一般通过与芯片基本制程技术相同的所谓的微加工(Micro-Machining)制程技术来加工和制造。然而,石英、玻璃、塑料和陶瓷等其他材料也可用于微加工或微成形。例如石英和陶瓷就常被用于晶振(CrySTal Resonator)和柯氏力型陀螺仪中。

硅晶体除了具有优越物理特性,其引人注目的另一个原因是产业结构方面的考虑。全球微电子产业已投入庞大的资金并积累大量专业经验来建构一个稳固的产业基础结构。制造商可把用于硅芯片生产而开发的成熟制造技术来生产MEMS元件,并利用硅晶圆同时生产数千个微加工组件。巨大的经济规模曾经是让电子产业成功的重要条件,现在MEMS正可以从这种方式中复制成功的技术和经验,来设计和大量制造硅材质的微电子组件,同时还可致力于电晶体尺寸的进一步缩小。另外,晶圆的制程序要极其严格的程序和流程来管理,因此与其他制程方式相比较,设计可重复性和生产良品率更高。

硅的物理特性很奇特。其材质较脆,但不容易产生塑料性形变;它可以钢铁更坚硬,但重量只有其三分之一。由于材料的这些特性,其与集成电路整合设计后,由MEMS机构中的振膜或悬梁臂等移动结构所产生的电信号即可提供该传感器的测量物理量或控制能力。

MEMS目前被广泛使用主要原因是极小的尺寸、极高的可靠性和低功耗特性,相比其它较大体积的竞争产品能做到更快和更精确的操作。另一方面,对于普通用户来说,尤其是在价格为主导的消费性的领域,成本上的考虑更是不能被忽视的。

目前MEMS元件的尺寸还属于微米级,采用较早期的6英寸晶圆厂即可生产制造;但随着消费市场对相关应用需求的迅速增长以及价格方面的压力,未来几年中,预计许多厂商将会移转到8英寸生产线中。ST早已实现了向8英寸生产线的转移,在技术和成本两方面极佳的竞争优势使公司在市场中占据了主动。

目前许多微加工制程都衍生自基本的IC制造技术,如光刻(Photolithography)、材料沉积(Material Deposion)、反应离子(Reacve Ion)和化学刻蚀(Chemical Etching)等。仅管目前越来越多的组件的制造正在向CMOS制程整合,但由于具体情况的不同,仍需要针对不同的应用做不同的考虑。

例如MEMS元件微加工的尺度大约在数十到数百微米之间,与芯片电路仍有差距;因此湿式蚀刻、生成或电镀薄膜、晶圆堆叠、导通孔(Vias)及干式蚀刻等是今日常见的微加工制造程序。特别应当提到的是,MEMS组件还会用到金或玻璃介质(Glass Frit)等材料,而这些在CMOS制程中是完全禁止的。

为实现差异化的竞争优势,MEMS供应商近几十年来依据自身和设备的特点,以及所擅长的制程步骤,都纷纷开发出适合自己产品的专有微加工制程技术。

各厂商的专有制程可大致分为两大类:体型微加工和表面型微加工。体型微加工通过基板的移除来形成希望做到的结构,是一种“减法制程”。适用于来设计较厚的结构,设计者可以自由地决定需求的基板厚度,不过微加工结构的形状会受到硅基板的结晶面构造的限制。与之相对的表面型微加工则属于“加法制程”,主要流程是根据具体需求通过不同的工序将不同材料层的个别区域移除或留下,基板层则维持原样不动。因为材料层薄膜(Film)在基板上能生成或沉积的厚度有限,该技术开始只限于约2微米的薄型组件,但目前新的晶圆黏合(Wafer Bonding)技术有助于设计出较厚的元件。利用这些光刻技术,原本非常复杂且高度创新的机械性结构也能变得相对简单许多。

3. THELMA和VENSENS微加工制程

ST目前在进行量产的微加工制程有THELMA和VENSENSE两种,均属于体型和表面型微加工技术的混合性制造技术。

THELMA全称为Thick Epitaxial Layer for Microgyroscopes and Accelerometers,主要适用于加速度传感器、陀螺仪及迈克风等高效能和低成本的运动传感器。THELMA制程从标准的硅晶圆开始,其上会有第一层做为隔离的氧化物层(约2微米)。接着会沈积一层互连用的多晶硅层,以及第二牺牲氧化层(约2微米);再在这层中负责作为固定机构的支持端及移动机构的固定端(Anchor)的个别点上进行蚀刻,以产生孔洞。随后一个较厚的垒晶层(约15微米)会在其上生成,再以一片光罩来对这一层进行蚀刻,以产生兼具移动和固定单元的结构。 最后,这一结构下方的牺牲氧化层会以等向性蚀刻(Isotropic Etching)方式被去除,以使移动单元成形。为降低或消除由湿度或空气密度变异而产生的效应,进而影响此元件的共振频率,此结构附近的开放空间充满了空气,通常是干燥的氮气。第二片晶圆会紧接着被黏合到第一片之上,以保护微小的机构在进行射出成形(Injecon Molding)程序时施以的高压下也不会受到破坏。

表一 CMOS、体型、表面型、THELMA、VENSENS微加工制程的比较

VENSENSE为Venice Process for Sensor的缩写,可实现非常小型化的压力传感器。其也由一片标准硅晶圆开始,其结果与采用体型微加工的晶圆黏结制程的结果颇为相似,专属的干式和湿式硅蚀刻混合步骤可以生成单晶硅层,并在其上形成一层厚度小于3微米的牺牲层,结构层的厚度可以达到20微米。但与体型微加工相比,VENSENSE能制出更薄、更小和机械性能更稳定的芯片;此外,孔隙的密合并不需要任何晶圆与晶圆间的黏结,因此密合连结的可靠性更高。

由于单晶硅具有极佳的电子特性,通过布植(Implantation)或扩散(Diffusion)等制程可以将稳定可靠的电阻整合进结构层中。接着这些电阻会和一个铝质金属层相连,实现惠斯通电桥(WheatSTone Bridge)的四个分支。此金属层接着被标准的绝缘体,如Silicon-Oxynitrid等,所覆盖,以提供对外部腐蚀性药剂的保护能力。因电桥具有极佳的单晶硅层压阻特性,因此对压力的改变相当敏感。

4. 消费电子市场中的运动传感器

消费电子市场有其自身的特点,消费产品需要实现低价、低功耗、低电压、小型化。MEMS产品供应商必须要提高新产品的开发速度,同时还要维持与汽车电子相同的可靠性。

加速度传感器陀螺仪已被广泛用于汽车和医疗器械市场,例如汽车的主动或被动式安全系统和心律调整器等。消费市场的制造手段与汽车电子市场一般采用的大、厚且昂贵的陶瓷等封装技术不同,其比较偏好可表面贴装的封装方式,以及小、薄和低成本的解决方案。例如ST于2002年发布的全模造塑料封装(Full Molded PLGA)目前被业界广泛使用而成为一项制程标准。凭借该技术,ST只用了不到3年的时间即将其3轴加速度传感器系列产品从100立方毫米微型化到10立方毫米的封装尺度。

汽车用传感器不通过电池来供电,因此功耗并不是技术难点,而较高的抗震性能十分重要。此外更广的温度范围和更高的产品可信度也是汽车产品市场的基本要求。而针对消费市场,功耗和电压则成为重点之一。目前消费产品的供电电压已降到1.8 V,电流必须小于1.0 mA。

因为手持设备没有固定的框架作为参考,而用户希望各个方向上的动作都能被加速度传感器探测并实现相应的功能,因此目前多轴传感器方案为消费性市场的主流。

模拟式输出的传感器方案也逐渐被数字式产品所取代,因为数字式方案使产品整合更容易,软件开发更快速。此外,增加中断功能的引脚位能简化最终产品的整合,也是客户的需求之一。针对这些需求,ST开发了二轴、三轴、模拟与数字式加速度传感器以适应不同的应用。ST还提供参考设计和评估套件,及专用开发软件工具。

单芯片单封装的单体式(Monolithic)和双芯片单封装混合式(Hybrid)是市场上的两种主要解决方案。多芯片单封装的解决方案不仅具有最佳的成本效益,还提供了快速量产所需要的模块化和弹性化方面的要求,对消费性市场十分重要。然而,由于实际系统在成本、上市时间等方面的要求,采用最合适的方案才是明智的办法。目前将感测单元和接口电路整合在一起是可行的,但并不一定是最佳解决方案。有时采用标准CMOS技术来制造复杂的控制电路反而更能满足功能和成本两方面的需求。

ST推出的加速度传感器和陀螺仪采用两颗芯片单一封装的系统级封装(SiP)方案。两颗芯片中,一颗通过THELMA微加工技术制造而成,对惯性或柯氏力很敏感;另一颗可以是模拟或数字控制芯片,用并排或堆叠的方式来与THELMA加工成的机械性组件封装在一起。

在SiP构架中,微加工传感器器芯片将加速度转换为差分电容改变量,另一颗接口芯片将微小的电容改变量(atto-farad范围)转换成模拟或数字格式的输出信号。

SiP的方法可加速多轴陀螺仪等新式运动传感器的开发。由于ST采用类似LEGO(乐高)玩具式的模块化设计,陀螺仪的机械和电子模块可使用与已量产的多轴加速度传感器相同的技术平台,设计人员可对多轴加速度传感器中已验证的功能模块进行复用(Re-Use),以加快研发的速度,并实现较低的开发成本。此外,得利于Land Grid Array封装配置实现的弹性,ST可迅速将其芯片中的任意两个模块整合为最终产品,甚至包括接脚的调整。

5. 消费电子市场中的压力传感器

压力传感器的传统应用为压力和气流等物理量的测量,主要场合为工业、汽车和医学等。基于MEMS技术的压力传感器可用于测量电阻或电容变化量等物理值。其加工制造主要采用前文提到的体型加工或表面型加工,或两者的混合方式。压力传感器材料一般为硅半导体,标准的硅基板或更昂贵的绝缘层上覆硅(Silicon-On-Insulator, SOI)基板同样被用来作为起始层材料。

压力传感器可分为电阻式和电容式两种,并分别对应不同的加工制程。体型微加工技术是电阻式压力传感器较佳的选择;而电容式压力传感器一般比较适合采用表面型微加工技术制造。

电阻式的工作原理利用了硅晶的压阻特性,将微小的振膜应力转变为微小的电阻值变量,电容式压力传感器则使用两个平行板,一个固定,另一个则是以垂直于芯片平面的方向移动的薄振膜。当出现移动时,这两板之间会出现极小的电容值变化,并产生输出。输出的电阻或电压值会传送给接口电路,并转变为电压值。与运动传感器的作法相同,接口电路可以以芯片或封装造型来实现整合。采用SiP结构可提供较大的设计弹性,并加快产品上市的速度。

厂家的定制化的制程目前是MEMS微加工技术的主流,而并未出现所谓的理想制程。但无论市场上存在多少不同的半导体晶圆厂和制程,消费类产品的关键是一直是价格、尺寸和性能之间的取舍。这种情况造成了目前只有少数的厂商能为消费性市场提供可行的解决方案的现象。例如在标准的体型微加工解决方案中,封装部分往往是成本中的主要部分,而通过VENSENS技术可制造出尺寸仅为0.8mm x 0.8 mm,厚度约0.3 mm的低成本小型化全硅晶式(Full Silicon)压力传感器,其优势就在于使性能与封装方式无关,扫清了进入成本主导的消费产品的障碍。ST最近发布的最新HLGA(Holed Land Grid Array)封装专利技术,可使其压力传感器的生产复用(Re-Use)运动传感器既有生产工具,让消费者能获得更小和更薄的封装。

6.运动与压力传感器的消费性应用类型


手机

MEMS技术的传感器给带来了电子产品用户操作感受的变革。传统手机屏幕上的页面滚动和放大缩小等都需要用户通过按键或转轮等来完成,而且机身的小型化造成了有限的显示尺寸和功能,以及“小按键大手指”等的尴尬现象。结合了MEMS加速度传感器的设备则可省略这些零件实体,实现创新的界面元素。传感器可通过用户的动作判断其意图,用户可能只需要简单地倾斜手中设备,就能浏览电子书或移动地图,使各种复杂的操作变得十分简便。


无线游戏控制器

任天堂的Wii是市场中最成功的一个使用案例。多轴加速度传感器的应用使用户的真实动作变成了手持设备的鼠标功能,系统通过判断其动作和姿态即可实现对游戏中虚拟环境和人物的操作。符合人性的界面使游戏变得更加吸引人,这对于所有目标用户为年轻人的公司来说十分关键。


鼠标和3D Pointer

从键盘转向鼠标是操作方式上的一次进步,也使鼠标成为目前电脑及周边设备上最常见的操作接口。鼠标一般带有2“3个按键,用以输入指令,以及作为与电脑系统连结的通讯接口;用户手持鼠标在二维平面上的动作被用来控制光标或指针在图形化界面中的位置,并执行特定的动作。惯性传感器的出现为鼠标操作带来了新的革命。

在鼠标中内置加速度传感器可使系统监测用户的三维控制动作,并把相关数据发送给电脑操作系统;如整合陀螺仪则更能强化设备的功能和可用性。同时,该技术对于要求低功耗的无线解决方案也十分适合。


硬盘防跌落保护功能

由于大量数据存储的需求,目前除笔记本电脑外,内置硬盘在手机、数码相机、PMP、DV等产品中也大量普及。而便携式设备时常有跌落而造成数据损失的危险。三轴加速度传感器的应用可使这些设备中的数据免受伤害。

加速度传感器可感测到重力加速度,在跌落时,微控器会发出指令要求读写头从敏感的盘片上移开以避免落地时对其可能造成的划伤,使硬盘在三轴方向上获得自由落体保护。

位置服务的辅助导航(LBS)

在GPS广泛普及的今天,其技术也暴露出一些缺陷。GPS设备主要通过接收器对卫星信号的接收来实现定位和路线指示,而其在信号不好的地方,例如高层建筑之间、地下室、隧道、桥梁等,并不能实现100%的可靠性,很难进行准确定位。另外,电池式的GPS设备也往往消耗大量的电力。

DR(Dead Reckoning)采用惯性定位方式可有效弥补GPS的不足,与之形成互补。DR系统会掌握行车的距离和转动偏移的方向来计算相对位置,因此加速度传感器、陀螺仪和磁力计可被用来建立一套运动量测单元来实现这一功能。MEMS设备的低功耗也可有效节省电力。

计步器

人们越来越关注自己的身体健康,各种辅助设备也被广泛应用。计步器能够用来测量用户行走的距离和速度,以确定其消耗的能量。计步器中的输出是垂直于平面运动的一组周期性信号,其被安置于鞋中并可与其他设备进行无线通讯。目前计步器已成为PND设备的一项重要功能,MP3播放器和多媒体手机也开始整合此项功能。

天气预报和高度计

压力传感器能让GPS设备或手持设备判断使用者所在的高度,并具有天气预报的功能。当用户拨打紧急电话时,GPS和压力感测器将能自动传送出用户在某建筑物中的位置和楼层高度。

数码相机/摄像机防抖功能

数码相机和摄像机的防抖功能可消除用户按快门瞬间的抖动对成像的影响,目前手机中普遍加入照相功能,这意味着陀螺仪在此市场具有极大的发展潜力。压电振动式陀螺仪被广泛应用于数码相机和摄像机的防抖模块,MEMS陀螺仪具有减少空间维度和降低功耗的功能优势,能同时量测pitch和roll轴的角加速度,也很容易与其它的运动感测器集成在一起。

MEMS的新兴应用领域

消费电子市场的新型应用甚将“MEMS的消费性浪潮”进一步推至“MEMS狂潮”。除了以上介绍的产品,MEMS技术还为其他许多创新性应用提供了广阔空间。MEMS必须专注于客户的需求,迎合微型化和多感测器丛集的设计趋势。ST在MEMS技术方面将继续其小型化的目标,另一方面,技术平台的改良和产品路线图的调整也是公司的重点。此外,让客户定制化及标准化的封装能实现多传感器的融合(如HLGA与一般的LGA封装能完全兼容)等也是ST十分关注的领域。

无线传感器网络(Wireless Sensor Network,WSN)是许多公司和研究机构积极开发的另一块市场。WSN曾广泛用于军事、安防和科学监测等领域,目前也逐步走向民用,例如在汽车电子中的胎压检测系统实际上就是一个简单的五节点WSN,其中传感器的设计包含了MEMS压力传感器和加速度开关。

WSN由于还存在一些技术性的障碍,能否实现商业化量产还是未知数;但无论如何,厂商和产业界都能从为消费产品市场小型低功耗MEMS传感器产品的研发实践中获得收益。

Motes指由传感器、接收器、控制器、电池和天线等组成的无线传感器模组,主要用以测量物理量的改变,如压力、温度、热量、气流、受力、振动、加速度、撞击、扭力、湿度、应变力和影像等。该概念也正逐渐走向商业化。

有许多应用可以用到无线传感器模组,例如家居自动化、工业控制、安全监控、建筑工程、农业、环境监控等;目前由于市场对安全性、娱乐性、便利性和效率等的要求,以及一些政府和机构的强制性要求,给无线传感器模组的普及带来了机遇,同时也给MEMS供应商带来了挑战,因为其需要有将不同技术整合到单一模组化格式中的能力。ST正是考虑到这方面的需求,投资先进的八英寸晶圆厂,为Motes的量产建立生产制程平台。

无线传感器模组中传感器的选用也要依据具体情况。传感器并不一定要采用MEMS技术,有些应用中选用已发展较长时间的传统感测器也许会更合适。无线传感器模组的潜在市场很大,当技术上的瓶颈被克服,其将成为人们日常生活中的一部分。

结论

MEMS技术正在逐步走向民用和消费类市场,我们正处于“MEMS狂潮”的开端,ST将以其完善的生产基础、高效的执行能力、对消费电子市场的深入了解,以及先进而稳定的生产研发技术平台作为此次新浪潮的重要推动者。ST认为,以压力传感器、加速度传感器为代表的MEMS技术将在未来的产品中扮演越来越重要的角色,并带来席卷整个业界的威力;WSN可带来无穷无尽的创新应用,在攻克技术难关后必将进一步推动MEMS的创新革命。

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