科普时刻 | 什么是MEMS器件？

微型机电系统MEMS是介于电子器件和机械器件之间的微米级系统。在 MEMS 器件中电信号会输入到器件中然后输出是一个机械响应反之亦然机械输出将对应电信号输入。不过MEMS 始终需要具备机械功能即便其内部的机械结构并没有明显的运动。因此尽管包含先进的电子器件但它们通常会被称为机械系统。MEMS 包含大量微型化电子元件及机械结构其中包括致动器、微传感器、悬臂、微镜、薄膜、小型通道、开关、空腔以及作为 MEMS 的“大脑”和控制中心的微电子集成电路IC。一般情况下由硅基板构成 IC然后上面会添加其它微系统组件。MEMS 技术问世已有数年而且随着“小型化”技术发展趋势其被视为电子技术的未来。这是因为 MEMS 制造是基于当前使用的现有半导体微加工技术例如表面微加工、光刻和干式蚀刻等。尽管 MEMS 现在是一项极为成熟的技术但直到2006年任天堂在其 Wii 遥控器中使用了基于 MEMS 的加速计其才有了大量的商业应用。从那时起MEMS 器件在许多应用领域和工业领域都得到了普及。通过这一扩张和市场渗透现在已出现了种类繁多的 MEMS 器件它们能够集成和组合许多具有不同电气和机械特性的小型部件和组件从而构建出独特的高性能微米级系统。MEMS 器件的类型许多 MEMS 器件都具有传感、致动或谐振功能可充分利用高级半导体制造技术来构建具有低功耗的高精度小型轻量级器件。许多 MEMS 器件被应用在传感器和致动器领域。这两个领域之间的主要区别在于传感器会将非电信号如机械信号转换为电气输出而致动器则将接受电信号并将其转换为机械运动。许多 MEMS 组件可安装在硅晶圆上而且工程师现在可获得微米级器件其中传感器可以与其它电子信号调节电子器件共置从而构建出更类似于传感器的系统而不仅仅是 “MEMS 传感器”。MEMS 器件通常分为四大类电容式、陀螺仪式、压电式和激光式MEMS。许多 MEMS 器件通常属于一个或多个类别因此很难将器件单独归为一类。不过其可分为以下主要类别电容式 MEMS电容式 MEMS 用于导电应用MEMS中的内部元件会检测电容变化。陀螺仪式 MEMS陀螺仪式 MEMS 通过将物体上的惯性力与参考值进行比较来测量系统的角速率。压电式 MEMS当器件出现机械变形时这些 MEMS 会利用压电效应重新分配材料晶格中的电荷来产生电流。激光式 MEMS激光式 MEMS 通过将其输出波长调整至所需的电磁频谱大小/区域来调谐激光器。其可用于为不同应用调谐不同类型的激光从声光滤波器到光学通信和汽车照明不一而足。许多 MEMS 传感器属于惯性测量单元IMU类别其会将机械响应转换为电信号输出。IMU 可用于包括安全气囊部署、虚拟现实头戴设备、无人机导航和地图系统的陀螺仪以及用于视频游戏机、摄像头和飞机姿态控制系统应用的加速计。一些常见的致动器包括数字光处理DLP芯片、扬声器、微泵、旋转微电机、钳子、打印机、微齿轮、微阀、微镜和开关等。开关是重要的致动器应用领域需要了解“拉入”电压以及拉入和释放电压之间的滞后才能优化超小型开关的设计。另一个基于 MEMS 的传感器是触觉传感器其包含电活性胶带这些胶带按压时会产生气泡并发出电信号或通过使用磁效应和电活性流体来产生电信号其应用包括触摸屏和指纹传感器。其它 MEMS 传感器还包括气体传感器和应变传感器等。MEMS 振荡器是另一个非常重要的器件架构。MEMS 振荡器包含一个使用模拟驱动器生成压电激励的谐振器。MEMS 振荡器可产生从1赫兹Hz到数百兆赫兹MHz的稳定频率。射频RF滤波器是另一种基础 MEMS 器件目前是 MEMS 技术最大的市场之一。在这种情况下机械输出会创建一款小型低成本的滤波器其可执行多种滤波功能其中包括宽带、窄带、低通和高通滤波。在 RF 滤波器领域MEMS 可用于构建声表面波SAW和体声波BAW滤波器。MEMS 应用的多样性MEMS 器件种类繁多在汽车、航空航天、国防和医疗保健等众多应用和行业中MEMS 都发挥着重要作用。比如MEMS 传感器可用于检测不同行业中的各种刺激包括声学、流体流动、温度、压力、半导体制造设备的真空度、惯性效应、磁场、化学品以及辐射等。MEMS 传感器器件的一些常见示例包括红外探测器、磁力计、温度传感器和压力传感器等。MEMS 加速计、陀螺仪和其它惯性传感器被广泛用于航空航天领域在该领域中一切都在高速运转所以传感操作需要极高的精度。此外MEMS 还可用于小型能量收集应用其不仅可为医疗及健康监控可穿戴设备和植入式医疗器械IMD属于bioMEMS子领域供电而且还可为其它小型便携式电子产品供电。在便携式消费类电子产品领域MEMS 既可在智能手机中用作 RF 滤波器也可用作触摸屏显示器的触觉传感器。其它 RF 滤波器SAW或BAW目前可用于 Wi-Fi、蓝牙和长期演进LTE应用。除了更多常规应用之外MEMS 还存在于许多专业领域包括自动驾驶汽车、安全气囊部署以及自动化应用中的传感器高清投影仪的微镜阵列喷墨打印头微型换热器用于低损耗通信的光交换机和光子器件以及微流体器件等。设计 MEMS 的考量因素MEMS 尺寸小、灵敏度高易于受到任何运动或冲击的影响从而可能会导致错误信号因此其设计和制造流程可能会面临大量挑战。此外还需要在器件中加入热补偿和离轴补偿并加以考虑。设计 MEMS 的挑战在于其很小、几何结构很复杂但机械部件的运动却小得多小几个数量级。因此需要借助高级仿真功能来了解 MEMS 的结构和工作情况并确保设计非常稳健以完全应对制造过程中存在的自然变差。MEMS 器件中的一切均由灵敏度和质量系数决定该系数是衡量能耗的指标。然而MEMS 器件的频率可能非常高因此需要加以考虑对于惯性传感器而言其频率在数百千赫KHz至兆赫MHz之间而对于 RF 滤波器而言频率可达千兆赫GHz。滤波器是阶跃函数因此预测耦合位移和电压场的准确性至关重要精度决定了滤波器曲线的斜率即从0到无穷大。滤波器要具有陡峭的响应曲线才能成为有效滤波器因此需要非常精确的工具来准确评估该曲线的陡峭程度以及其对温度变化的敏感性。对于许多 MEMS 器件来说设计和优化机械组件中使用的尺寸和材料是设计流程最重要的环节之一。通过查看输入并了解信号如何在器件两个点之间传输以及最终输出的内容可设计出最佳结构。如果所得到的输出与给定输入不匹配则说明设计空间不是最佳的。这些方面都可以通过使用先进的仿真软件来分析和求解从而设计出高性能的 MEMS 器件。哪些仿真工具可用于设计 MEMS 仿真工具不仅需要能够构建复杂的设计而且还需要具有高精度。Ansys 工具具有皮米级分辨率因此这些仿真工具不仅可用于 MEMS而且还可用于其相对应的更小纳米技术产品即纳米机电系统NEMS。NEMS 仿真其实就像把设计放大到更小的尺度而皮米分辨率则可提供这种功能。一个声表面波SAW器件的单个扇区在其中一对叉指电极上施加2.2 GHz 交流信号后显示出结构性驻波对于 MEMS 性能设计和仿真可使用 Ansys Discovery 和 Ansys Mechanical 软件。先使用 Ansys Discovery 进行预处理然后使用 Ansys Mechanical 进行仿真。Discovery 可用于布局不同的几何结构并处理 MEMS 制造过程中工艺引起的变化例如研究蚀刻工艺并将其与制造过程中可能测量的关键尺寸相关联。使用 Discovery 软件可以在通过 Mechanical 进行仿真之前对几乎所有不同的几何结构变化进行预处理其中这些几何结构和所有其它特性均可通过晶圆级仿真缩放。对于更详细、更独特的几何结构变化可以使用各种自动方法移动 Mechanical 中代表几何结构的节点。使用具有皮米分辨率的专用预处理和晶圆级仿真方法不仅有助于加速设计进程而且还可确保设计准确确保其具有所需的规范从而可为其预期应用提供高性能 MEMS 器件。