微機(jī)電運(yùn)�(dòng)傳感器(MEMS Motion Sensor)技�(shù)主要�(yīng)用于汽車(chē)電子�(lǐng)�,但是憑借Wii和iPhone的熱�(mài),該技�(shù)一舉在消費(fèi)電子市場(chǎng)也闖出了一片天��
MEMS�(yùn)�(dòng)傳感器囊括多種傳感器技�(shù)。用�(lái)�(cè)量物體加速度的傳感器叫做加速度傳感器(加速度�(jì));用來(lái)�(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�(jié)合的慣性測(cè)量單元(IMU;Inertial Measurement Unit�。另外,還有�(cè)量高度變化的氣壓�(jì),以及感�(cè)方向的電子羅�(pán)�
目前由于�(jià)格因�,市面上出售的運(yùn)�(dòng)傳感器大都是加速度�(jì)。據(jù)iSuppli�(diào)查顯��2008年加速度�(jì)的出貨量�2007年增�(zhǎng)了將�2倍,�(yù)�(jì)2009年的出貨增長(zhǎng)率可望達(dá)�40%左右�
而陀螺儀的研�(fā)雖然早于加速度�(jì),但是因?yàn)樵O(shè)�(jì)�(jié)�(gòu)較為�(fù)�,單�(jià)始終偏高,在市場(chǎng)上的普及程度反而不如加速度�(jì)。據(jù)iSuppli�(diào)查顯�,陀螺儀至少要到2010年之�,才�(huì)有比較明顯的市場(chǎng)需求出�(xiàn)。不�(guò),陀螺儀的用途仍然很廣。而隨著制造與整合技�(shù)的�(jìn)步以及市�(chǎng)需求的增加,集加速度�(jì)與陀螺儀于一身的IMU芯片,未�(lái)必將成為�(yùn)�(dòng)傳感器真正的�
加速度�(jì)的類(lèi)�
加速度�(jì)的類(lèi)型主要有四種:壓阻式、電容式、壓電式和熱�(duì)流式�
壓阻式:�(jié)�(gòu)�(jiǎn)單,�(shí)�(xiàn)較為容易,特別適合用�(lái)�(cè)量低頻加速度�(yīng)�。不�(guò),這類(lèi)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�(jìn)行補(bǔ)��
電容式:由于利用電容效應(yīng),因此分辨率相當(dāng)�,也具有很高的靈敏度及量�(cè)范圍,其�(dòng)�(tài)響應(yīng)�(shí)間短,適合高頻的加速度�(yīng)�。而且可靠性高,能夠在高溫、高�、強(qiáng)輻射及強(qiáng)磁場(chǎng)等惡劣的�(huán)境中工作,也能耐受極大沖擊,適用范圍極廣。同�(shí)由于電容式為非接觸式量測(cè),所以使用壽命可以很�(zhǎng)。另�,電容式技�(shù)能夠通過(guò)回授控制�(lái)讓加速度�(jì)的振�(dòng)�(jié)�(gòu)維持在線(xiàn)性操作區(qū)�,此特性有助于改善傳感器的靈敏度,也能提升其穩(wěn)定�。不�(guò),電容式加速度�(jì)采梳狀�(jié)�(gòu),在生產(chǎn)�(shè)�(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�,而且具有體積�、響�(yīng)速度�、位移量小和消耗功率低等特�,但由于硅半�(dǎo)體并非壓電材料,而一般的壓電工藝不兼容于IC�(biāo)�(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�(gè)加熱的重氣泡在加速度影響下的�(yùn)�(dòng)�(lái)探測(cè)加速度。該方式�?yàn)椴捎脽醾�?dǎo)原理,其�(jié)�(gòu)中并�(méi)有可�(dòng)部分,所以不�(huì)出現(xiàn)粘�、顆粒等�(wèn)�,而且能承�50000g以上的巨大沖�,也具有低成本優(yōu)�(shì)。不�(guò),它�(duì)�(huán)境溫度的變化更為敏感,響�(yīng)頻率也無(wú)法太快,也有功耗偏高的限制。此外,此類(lèi)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��
陀螺儀的類(lèi)�
陀螺儀的類(lèi)型主要包括音叉式、雙�(zhì)量振�(dòng)�、半球諧振式、環(huán)式及梳狀�(qū)�(dòng)諧振式等�
這些技�(shù)有一�(gè)共同�(diǎn),即它們都是以振動(dòng)塊而非傳統(tǒng)的旋�(zhuǎn)塊(rotating mass)為基礎(chǔ)。主要原因是MEMS技�(shù)中難以做出全程旋�(zhuǎn)的結(jié)�(gòu),而使用振�(dòng)方式并通過(guò)科里奧利效應(yīng)(Coriolis Effect)的�(jì)�,也同樣能夠獲得角速度變化的測(cè)量。在此結(jié)�(gòu)�,振�(dòng)塊為�(qū)�(dòng)�,另外還�(huì)有感�(cè)端,將物理變化量傳送出��
為了形成諧振的動(dòng)�,必須采用適�(dāng)?shù)牟牧?,包括硅�、陶�、石英等,其中以石英的性能(可靠�、靈敏度、抗溫度漂移�,但以硅晶的成本,且能采用標(biāo)�(zhǔn)的CMOS芯片工藝�
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�(wěn)定性,�(jié)合了MEMS制造技�(shù),在2006年推出了“QMEMS”技�(shù)。根�(jù)該公司對(duì)QMEMS的描述就是:通過(guò)微加工技�(shù),使水晶材料具備�(jī)�、電�、光�(xué)、化�(xué)等方面的特性,并增加高精度、高�(wěn)定附加值的技�(shù)�
為此,工程師采用�(lèi)似于生產(chǎn)芯片的制造技�(shù),但使用光罩蝕刻制造時(shí),平坦度的要求會(huì)變得更加�(yán)格。此�,半�(dǎo)體生�(chǎn)�(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�。首�,光刻膠的薄膜平放在晶圓�,在晶圓上有用來(lái)完成元件�(shè)�(jì)的光感應(yīng)式光罩。平面光罩下�(dāng)�(zhí)行紫外線(xiàn)曝光流程后,便可�(chǎn)生出曝光和未曝光的區(qū)�,然后不需要的區(qū)域可藉由化學(xué)洗劑的幫助來(lái)蝕刻�,留所需的形狀�,此晶圓�(huì)�(jìn)行切割并被切成小方塊,所生產(chǎn)出來(lái)的MEMS芯片就可以�(jìn)行封裝了�
但是,為了壓低MEMS�(yùn)�(dòng)傳感器的�(jià)�,擴(kuò)大其市場(chǎng)�(yīng)用范�,一種利用既有標(biāo)�(zhǔn)CMOS工藝�(lái)生產(chǎn)MEMS�(chǎn)品的技�(shù)便應(yīng)�(yùn)而生。這種名為CMOS-MEMS的技�(shù)�(wú)需特殊的生�(chǎn)�(shè)�,可直接在既有的半導(dǎo)體生�(chǎn)流程上完成MEMS的產(chǎn)品。相較于�(guò)去MEMS�(chǎn)品必須先在自有廠�?jī)?nèi)完成�(jī)械結(jié)�(gòu)的生�(chǎn)模式,CMOS-MEMS技�(shù)�(duì)于量�(chǎn)、系�(tǒng)整合和低�(jià)化更有優(yōu)�(shì)�
不論是加速度�(jì)或陀螺儀,最常見(jiàn)也是最可行的作法都是將MEMS�(jī)械結(jié)�(gòu)與負(fù)�(zé)信號(hào)�(diào)整與�(cè)量的電路分開(kāi)�(shè)�(jì),再通過(guò)封裝的方式整合在一�,封裝上可以采取�?;虿⑴牌渲幸环N方式。專(zhuān)家表�,機(jī)械與電路是兩�(gè)差異性很大的元件,要將之�(jié)合存在很大的障礙,如果機(jī)械與電路一定要�(qiáng)行結(jié)�,那么將�(huì)犧牲性能。采用分�(kāi)�(shè)�(jì)的方�,在性能與質(zhì)量上更有保障,因此分�(kāi)�(shè)�(jì)是的方式�
不過(guò),晶圓級(jí)的整合畢竟能夠提供更�(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�,以及封�、測(cè)試上的成�,所以MEMS元件還是�(huì)朝向單芯片的方向�(fā)�。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�(shù)。這是�?yàn)锳DI、Infineon擁有MEMS和電路的所有技�(shù),所以能將其MEMS工藝放在整�(gè)生產(chǎn)流程的中�。而像�(tái)積電、聯(lián)電等�(tái)灣的晶圓代工�,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)�(gòu)�