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MEMS--微机电系统


首先先来解释什么是MEMS。Microelectromechanical Systems, 这个让老美念起来都绕口的词,中文叫做“微机械机电系统”。MEMS的飞速发展,是因为传统机电工艺制成的驱动器和传感器,在体积价格产能上无法适应电子消费、工业界、科学研究乃至军工的需求。上世纪80年代末,随着集成电路工业的迅速发展,把驱动器和传感器和集成电路芯片集成在一起, 就成为了科技发展的必然趋势,这也就促成了MEMS的诞生。

【传统机电工艺和MEMS的对比】
——传统的加速度计

Endevco 公司的压电加速度计


体积比成年人的大拇指要大一点。如果再加上电路和读出设备,一般需要一个手提箱才能带着走。再看价格和产能,压电材料(常见的石英,陶瓷)需要很精确的传统工业加工技术,无法批量生产,价格也是MEMS加速度计的上千倍。

——传统的陀螺仪

Northrop Grumman的军用半球形陀螺仪

可以从图中直观的看出其和一个美元quarter硬币的大小对比。为了保证性能,这样一个陀螺仪的产量之低,和价格之高也是可想而知的。

那么现在问题来了 - 我们总不能把这么大的加速度计和陀螺仪放在手机里面吧(除非我们都回到大哥大时代)。而正因为有了MEMS技术,我们手机里面的加速度计和陀螺仪可以变成是这样小的体积:


【使用MEMS技术的好处】
列举几个最重要的:
  • 原材料价格低廉,产量充足。
大部分集成电路和MEMS的原材料是硅(Si),这个神奇的VI族元素可以从二氧化硅中大量提取出来。而二氧化硅是什么?说的通俗一点,就是沙子。沙子君在经历了一系列复杂的加工过程之后,就变成了单晶硅,长这个样子:

这个长长的大柱子,直径可以是 1 inch (2.5 cm) 到 12 inch (30 cm),被切成一层层 500 微米厚的硅片 (英文:wafer,和威化饼同词),长这个样子:


  • 批量生产 - 产能高,良品率高
MEMS驱动器和传感器大部分都含有微机械机构。试想一下,我们要检测一个一微米长的弹簧移动了一纳米(微米尺度的悬臂梁在纳米尺度的范围内移动),这种加工精度在传统机械加工工艺上面是难以实现的。正因为有了MEMS技术,现在我们可以使数以万计的MEMS芯片(有些工艺也会把集成电路芯片放在同一步骤加工)出现在了每一片wafer上面,如下图所示。

这种批量生产(batch process)的过程目前已经全自动化控制,隔离了人为因素,确保了每一个MEMS芯片之间的工艺误差可以得到严格的控制,从而提高了良品率。切片、封装之后,就成为了一个个的MEMS芯片。从外观上来看,大部分的MEMS芯片和集成电路芯片是差不多的。

  • 纳米技术本身的优势。

曾几何时,微米和纳米技术被称为了科技的代言词,但大部分人根本不理解微米和纳米技术是什么。其实对于MEMS传感器来讲,最大的优势是体积和表面积的比数值小(体积:表面积)。我们都知道体积是跟长度的三次方,而面积是长度的二次方。所以把一个MEMS器件等比例缩小的结果就是体积:表面积会缩小,这样会使得MEMS器件的信噪比增加(也就是有好处)。


MEMS“民用”工艺
我觉得更常用的说法应该是“商用”MEMS工艺。与其对应的还有“军用”MEMS工艺,还有做科学研究用的“科研”MEMS工艺。

最成功的几个“商用”MEMS工艺其实屈指可数:
  • 惯性传感器:加速度器和陀螺仪。代表公司及工艺:InvenSense的Nasiri工艺,ST Microelectronic的THELMA工艺,Analog Devices的IMU工艺,博世(Bosch)的Bosch Process。这个技术用在了导航方面,比如大疆无人机,虚拟现实和体感输入(智能手机、PlayStation手柄等),汽车安全气囊和ABS防抱死系统。

图: InvenSense的Nasiri工艺。其6轴惯性传感器用在了目前最新的iPhone6

  • 喷墨打印机。代表公司及工艺:Epson的压电喷墨头,Canon的memjet(热驱动)。

图:Epson的压电喷墨头

  • 投影仪DLP芯片。代表公司和工艺:Texas Instruments(德州仪器)的DLP (Digital Light Processing)技术,用在了目前全世界大于90%的投影仪当中。

图:TI的DLP技术

  • 压力传感器。代表公司和工艺:ST Microelectronics和Bosch的压力传感器,用到了Piezoresistive压阻技术,用于GPS、登山手表和智能手机上。

图:Bosch的BMP180芯片。左边是ASIC电路,右边是压力传感器。可以看到,压力传感器东南西北四个方向都有压阻电阻,用来检测硅薄膜受到压力之后的形变。

  • 麦克风。
MEMS的麦克风也是近几年才取代了过去磁感线圈式的麦克风。以美国的Knowles和中国的歌尔声学为主,MEMS麦克风已经基本替换了大部分手机中的传统麦克风。技术实现上也相对简单,其实就是一个打了很多孔的压力传感器。

图:Knowles用在iPhone中的麦克风

MEMS现在应用广泛、发展前景较好,但是它的可靠性和精度并不能达到某些传统工艺的标准,所以在军事和航天领域依然还是需要传统工艺来解决问题。