关于MEMS的技术简介

2020年05月12日 17:12
MEMS全称Micro Electromechanical System(微机电系统),是一种通常在硅晶圆上以IC工艺制备的微机电系统,微机械结构的制备工艺包括光刻、离子束刻蚀、化学腐蚀、晶片键合等,同时在机械结构上制备了电极,以便通过电子技术进行控制。

生活中有哪些MEMS器件?
第一个可转动的MEMS马达于1988年诞生于加州大学伯克利分校,如图1所示;之后于1989年,美国桑迪亚国家实验室研制了第一个横向梳齿驱动器,微机械结构可以在垂直于表面的方向移动。

图.1 加州大学伯克利分校研制的第一个可转动的MEMS马达

图.2 美国桑迪亚国家实验室研制的第一个横向梳齿驱动器

经过30年的发展,MEMS器件已经渗透于我们的生活之中。转屏是智能手机中的一项基本功能,如图.3所示,这项功能是通过MEMS陀螺仪来实现的。图.4展示了传统机械陀螺仪与MEMS陀螺仪的对比,后者比前者小得多,因而得以在智能手机和平板电脑中广泛应用。如图.5所示,出于安全考虑,气囊是汽车中的必备装备,它们会在发生撞车时自动充气膨胀,保护乘客的安全。安全气囊对撞车事件的迅速检测得益于其中的MEMS器件,图.6展示了MEMS加速度计的芯片结构。用于传感检测的MEMS芯片和用于控制的IC芯片通常混合集成在一个壳体里面。此外,MEMS技术在生活中的其他应用包括MEMS麦克风、MEMS投影仪、MEMS压力传感器,等等。


图.3 MEMS陀螺仪在智能手机中的应用—转屏功能


图.4 传统的机械陀螺仪(左)与MEMS陀螺仪(右)


图.5 汽车中的安全气囊(内有MEMS器件)
   
图.6 MEMS加速度计的芯片(左)和封装形式(右)

MEMS技术的特有工艺
MEMS器件与IC芯片的制备工艺非常相似,但MEMS器件有两个重要特征:高深宽比的微结构和悬臂结构,因此需要一些特有的工艺来制备。
第一项特有工艺是用于制备高深宽比结构的LIGA技术,LIGA是X射线光刻技术的德语简称,于1982年由德国卡尔斯鲁厄核研究中心开发出来。LIGA技术的工艺步骤如图4.7所示,包括对基片上光刻胶的X射线光刻、光刻胶显影、在光刻胶结构上的金属电铸、从光刻胶结构中剥模、以结构材料充模(图4.7中的结构材料是聚合物)和脱模,从而制备出最终的微机械结构。

图.7 LIGA技术的工艺步骤

第二项特有工艺是制备悬臂结构表面微加工技术,该技术于1980年代由加州大学伯克利分校的研究人员开发出来。表面微加工技术的工艺步骤如图.8所示,第一步是对带有牺牲层的基片涂覆光刻胶并进行光刻,然后依次对光刻胶和牺牲层进行显影操作。第三步是沉积结构层的材料,然后在第四步,通过光刻将微结构的图形投影于结构层之上的光刻胶。第五步通过刻蚀工艺制备出结构层,然后通过化学腐蚀工艺释放结构层之下的牺牲层,得到最终的悬臂式微结构。

图.8 表面微加工技术的工艺步骤

MEMS器件的驱动机制
MEMS是一种微电机系统,在制备微机械结构之后,需要以电子技术进行驱动。典型的驱动机制如图.9所示,包括静电引力、电磁力、电致伸缩和热电偶。


图.9 MEMS器件的驱动机制

在图9(a)中,悬臂梁底部和基底上部均制备了电极,当两个电极加载偏压时,产生静电吸引,悬臂梁变形,从而实现电信号对机械动作的控制。在图9(b)中,悬臂梁底部和基底上部均制备了电磁线圈,当线圈中通电流时,产生电磁力使悬臂梁发生形变。电磁力可以是引力或者斥力,取决于所通电流的方向。在9(c)中,悬臂梁以磁致伸缩材料制备,当悬臂梁的两端加载电压时会产生伸缩效应。在9(d)中,悬臂梁为双层结构,两层以不同热膨胀系数的金属材料制备。当悬臂梁通电流时,因热电偶效应,将会弯向热膨胀系数较小的材料一侧。
在MEMS器件的所有驱动机制中,静电引力结构因制备简单、易于控制和低功耗,得到最广泛的应用。

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亿源通,是一家专注于光通信无源基础器件研发、制造、销售与服务于一体的无源光通信器件OEM/ODM厂商,主要生产和销售光纤连接类产品(光纤连接器、适配器、跳线),WDM波分复用器,PLC光分路器,MEMS光开关等核心光无源基础器件,广泛应用于光纤到户、4G/5G移动通信、互联网数据中心、国防通信等领域。