基于MEMS的传感器

在21世纪,MEMS技术通过结合基于硅的微电子学和微加工技术,已经显示出其革命性的消费者和工业产品的潜力。与现有的微观机电传感器相比,MEMS技术具有显著的优势。

MEMS是指具有从几微米到毫米的非常小的尺寸特征的器件,它结合了机械和电子元件,采用集成电路批量加工技术制造。

MEMS器件能够在微尺度上感知、控制和驱动,并产生微尺度上的结果。一般来说,这些设备的尺寸范围从20微米到一毫米。MEMS器件广泛应用于工业、汽车、仪器仪表、国防和医疗领域。

什么是MEMS技术?

MEMS是Microelectromechanicalsystems(微电子机械系统)的缩写,是一种用于在单个晶圆上微细制造电子和机械元件的技术。这个术语起源于20世纪90年代的美国,在欧洲被称为微系统,在日本被称为微型机器。

在此之前,这种技术被称为硅微加工。MEMS技术提供了以前半导体器件无法提供的新功能。

换句话说,MEMS是一种精密设备,其中机械部件和微传感器以及信号调理电路是在一小片硅上制造的。MEMS的首字母S表示反映这种技术有助于创造新的系统解决方案的系统。

使用MEMS技术在硅芯片上集成的元件包括微传感器,机械结构,微电子和微致动器,如图所示。

微传感器通过测量热、化学、电磁、机械信息来检测系统环境的变化,而这些物理变量通过微电子技术进行处理,然后微执行器根据环境的变化发挥作用。

微机电系统技术

  • 导致人们对MEMS技术产生高度兴趣的一些主要因素是
  • 由于硅含量为99.999%的纯晶体结构,MEMS器件提供了出色的机械特性,导致没有机械滞后或材料疲劳。
  • 可以生产具有批晶片加工技术的低成本和大容量MSME器件。该高批量生产具有非常方便的切削刃IC加工设备。
  • 亚微米级的横向尺寸受到很大的控制。
  • 用于测试和诊断的复杂设备以及高端软件系统的可用性可用于设计和仿真。
  • 在业务方面,MEMS器件确保了多个新兴市场的巨大经济收益。1999年《商业周刊》将中小微企业评选为21世纪有望促进经济增长的三大技术之一。

MEMS技术制造

MEMS的进步源于硅革命的逻辑步骤,后来随着微机械的加入,使得电子与机械部件的集成能够产生高性能、低成本和高功能的集成微系统。

硅是用于制造微传感器和微型致动器的完美材料,用于不同的应用范围,因为它是具有高导热率,滞后,低散装膨胀,明确定义的电气性质的良好特征的材料,具有敏感的滞留性,具有敏感的菌株,温度,应力和其他环境因素,钢的类似弹性模量等。

在MEMS制造中,硅可以被化学蚀刻成各种形状,相关的薄膜材料如多晶硅、铝和氮化硅可以被批量微加工成各种各样的机械形状和配置。

MEMS的加工技术多种多样,通常采用的两种主要技术是大块微加工和表面微加工。让我们简要地讨论一下这两个问题。

大部分微加工

这是MEMS制造中最古老和最流行的技术。在这种方法中,通过使用依赖方向的蚀刻技术,有选择地去除晶圆材料的部分,从而在单晶硅晶圆的边界内创建机械结构。根据刻蚀剂的形成阶段,可将块状微加工加工分为湿刻蚀和干刻蚀。

在湿法蚀刻中,通过将硅晶片浸入依赖于含水化学物质的液体蚀刻剂中除去材料。蚀刻(去除晶片材料)可以是各向异性的,各向同性的或两者的组合。

在各向同性刻蚀中,根据衬底的晶体取向,在各个方向上独立地去除硅片。

在这种情况下,结构定义的准确性不是很好,但取决于温度、腐蚀剂浓度和时间等因素。HNA是最常见的硅刻蚀形式,由硝酸(HNO3)、氢氟酸(HF)和醋酸(CH3CHOOH)组成。

这些类型的蚀刻剂受到待蚀刻的几何结构的限制。蚀刻速率可以减慢,如果深度和窄的通道,这种速率可能因扩散限制因素而停止。然而,这可以通过搅拌蚀刻剂来最小化,导致具有近完美和圆形表面的结构,如下图所示。

MEMS制造

在各向异性蚀刻中,蚀刻速率取决于晶片的晶体取向。最常见的各向异性蚀刻剂是氢氧化钾(KOH),其使用相对安全。

该各向异性蚀刻在垂直于110平面垂直于110平面的晶体方向上迅速发展,并且在垂直于100平面的方向上较快。上述图C和D显示了各向异性蚀刻的示例。

干蚀刻依赖于使用通常在高温下使用适当的反应性蒸汽或气体的蚀刻的等离子体和蒸汽的方法。反应离子蚀刻(RIE)对于MEMS最常见的是利用RF(射频)功率形式的额外能量来驱动化学反应。

蚀刻可以在150至250摄氏度范围内的范围内的低得多频率发生,因为在供应反应所需的额外能量的等离子体相中朝向待蚀刻的材料加速了能量离子。

由于RIE不受硅中的晶体平面限制,可以蚀刻具有垂直壁的深沟槽和凹坑或具有垂直壁的任意形状。

深反应离子蚀刻(DRIE)是一种更高纵横的比例,其涉及高密度的等离子体蚀刻和保护聚合物沉积的替代方法,以实现更大的纵横比,如图所示。

深反应离子刻蚀

开发了蚀刻的方法以在精确的位置停止蚀刻过程。其中一种方法本质上是电化学的,并且基于蚀刻在偏置PN结中遇到不同极性区域时停止的事实。

另一种技术是基于一个事实,即大量掺杂的区域蚀刻比未掺杂的区域更慢,因此可以通过掺杂部分材料选择性地进行蚀刻过程。

表面微加工

它是一种生产MEMS的方法,通过沉积,图案和蚀刻一系列薄膜,通常在1- 100微米厚的范围。

相对于块状微加工,表面微加工是通过沉积牺牲层和结构层薄膜在硅表面建立结构,最终去除牺牲层形成机械结构。

因此,这个过程通常涉及两种不同材料的薄膜。由一种结构材料制成的独立式结构一般是多晶硅、多晶硅、氮化硅和铝。而牺牲材料通常沉积在空旷区域或独立的机械结构需要的地方,通常是氧化物。

下图显示了表面微加工中所需的过程,其示出了具有中央轨道的多晶硅滑块的简化制造。该设计需要两层结构聚硅和牺牲氧化物。

图a说明了第一牺牲氧化物层以及第一多晶硅层的沉积和图案是如何完成的。图b和c显示了第二牺牲氧化层的沉积以及锚点开口通过氧化物的自由蚀刻。

下一步是沉积和第二多晶硅层的图案,接下来是去除用于释放结构的牺牲氧化物。

多晶硅表面微加工工艺

表面微细加工的主要优点是除了由光刻技术的限制所引起的器件的微型化之外,对器件的微型化没有限制。此外,结构复杂的机械系统,包括独立或可移动的部件,可以通过堆叠多层材料创建。

此外,表面微型机械加工提供高度兼容性与IC加工。但表面微加工的主要缺点是它是薄膜技术,它产生基本的二维结构。

MEMS技术的应用

基于MEMS的设备或传感器是各个学科领域的关键部件,如医疗设备、汽车电子和便携式电子设备,如计算机外设、硬盘驱动器、手机、无线设备等。

MEMS的商业应用包括微传感器和微型致动器。下面讨论MEMS技术的一些特定应用。

电动轮椅

对于残疾人和老年人,电动轮椅是重要的工具。典型的智能轮椅由标准电源轮椅组成,电脑和电脑和一系列传感器,如视觉,惯性等。座椅放在基座上。

这些传感器采用MEMS技术制造,并基于这些传感器轮椅导航系统采用不同的操作模式。

MEMS技术的应用

人员跟踪和导航

基于MEMS的惯性传感器在人员跟踪领域是比较流行的。在没有gps的环境中,这些传感器提供有关人员的定位信息。这类应用包括建筑物内的消防人员、军队人员跟踪等。

加速度计,耐死/传感器和陀螺仪传感器用于消防员的安全。在军队人员跟踪的情况下,这些传感器嵌入了人员的鞋子或头盔中。

农业

基于MEMS的传感器在精密农业中非常有用。智能系统对于提供关于土地的精确信息是必要的,以便在使用杀虫剂、化肥、作物准备和收割时有用。基于MEMS的倾斜传感器可以与GPS系统结合,获得机械平台的横摇和俯仰估计。

事件数据记录仪

事件数据记录器(edr)用于收集车辆加速/减速数据、制动和转向输入以及车辆系统状态等信息。此外,它还监控车速、刹车和安全系统。EDR中使用的传感器包括角速度传感器、线性加速度计、三轴线性加速度计。

野生动物和牲畜跟踪

对于有关动物的连续定位和习惯性信息,动物跟踪系统与惯性传感器一起使用。这些跟踪单元包括除惯性死读数传感器之外的用于视觉解力的数码相机。

GPS系统和惯性传感器与无线传感器网络集成,用于监测牲畜的移动。

患者监测

基于mems的传感器在医疗应用和患者监测中非常受欢迎。这些传感器非常适合于监测癫痫症,因为它们可以用来量化运动的频率、强度和持续时间。此外,MEMS加速度计用于检测高危或老年患者失去控制的跌倒。

电子稳定性控制

通常,电子稳定性控制配备所有新车辆。基于MEMS的陀螺仪和加速度计可以通过将车辆的实际运动与转向角进行比较来检测滑动或控制丧失。

二次约束系统

该系统也可用于车辆。一个辅助(辅助)约束系统(SRS)包括一个减速或加速传感器,在正面碰撞的情况下,可以使安全气囊展开。这种系统的传感器模块由微处理器与MEMS加速度计组成。

车辆导航

对于精确的陆地车辆测量或导航系统,需要一个具有GPS的高内置式导航系统。但这些都是有限的,因为其巨大的规模和高成本。

低成本MEMS惯性传感器用于生产体积小、重量轻、功耗低、成本低的芯片传感器,可用于陆地车辆导航和跟踪系统。

不同的MEMS传感器

使用微型加工和微加工技术制造的传感器或者只是MEMS技术被称为MEMS传感器或微传感器。大多数MEMS设备落入传感器类。

随着MEMS传感器的发明,取代了更昂贵和笨重的产品,由组装部件,如压力传感器。

此外,运动检测和测量变得更容易和非常准确的MEMS加速度计,这是更广泛的用于安全气囊系统的碰撞传感器。下面是一些常用的MEMS传感器,它们被用于不同的应用。

MEMS加速度计

这些是用来测量加速度的静态或动态力。加速度计的主要类别有硅电容式、压阻式和热式加速度计。在压电效应的情况下,产生的电压对应于作用在传感器上的微观晶体结构上的加速度。

电容传感器旨在通过产生静电场来操作,并检测当对象或目标接近感测区域时导致的场的变化。在热MEMS传感器的情况下,大量微小的热电偶串联连接。

MEMS加速度计
MEMS加速度计

如今,MEMS加速度计广泛地结合在如此多的电子便携式设备中,例如媒体播放器,凸轮记录器,游戏设备等。在智能手机中,这些传感器用于在景观和纵向模式,图像稳定,防模糊,袋模式之间过境。操作等

高标准的加速计用于检测汽车碰撞,并在正确的时间打开安全气囊。此外,这些被发现在航空航天和军事系统应用的控制和监测。

MEMS陀螺仪

MEMS陀螺仪用于检测和测量物体的角度率。这些是振动旋转的原则的工作原理。这些是非常微小的传感器,其中当陀螺仪旋转时,小谐振质量随着角速度而变化。

此外,这种运动被转换成低电流信号。与加速度计类似,这些传感器也有不同的传感原理,如硅电容式、压阻式等。一些类型的MEMS陀螺仪包括音叉,共振固体,振动轮,振动板陀螺仪。

这些是航空控制系统的组成部分,因为导航系统需要高度和转速。在军事应用中,这些被用于导弹导航,制导和智能弹药。

在汽车中,MEMS陀螺仪与方向盘传感器和侧翻检测一起用于汽车的稳定性控制。在消费者的应用中,这些被用于计算机的输入设备控制和凸轮记录器的稳定。

MEMS压力传感器

MEMS压力传感器测量硅膜片上的压力差。三种类型的压力测量,如压力表,绝对和差压可以使用这些传感器。

在这些传感器设计中,使用微加工过程从硅蚀刻隔膜,测量技术包括压电和电容技术。该传感器与隔膜集成在集成芯片上的隔膜和一组电阻器,使得在膜弯曲时被检测到压力作为电阻的变化。

MEMS压力传感器
MEMS压力传感器

这些产品用于汽车、工业、医疗、过程控制、国防和航空航天应用。特别是在汽车系统中,这些应用于各种应用,如轮胎压力监测系统,油压传感,油箱蒸汽压力,真空制动助力器,废气再循环,发动机管理系统,碰撞检测等。

其他类型的MEMS器件或传感器包括IR传感器,地磁传感器,麦克风,光学装置,RF MEMS,湿度传感器,微光谱仪,相移器,悬臂传感器等。

MEMS磁场传感器

磁场传感器广泛用于测量这种传感器的磁场和应用包括位置感测,电流检测,速度检测,车辆检测,地球物理勘探,空间探索等。通过MEMS技术开发了一种新的磁传感器。

基于MEMS的磁传感器通过测量机械洛伦兹力的幅度来检测磁场矢量。该MEMS器件包括在SiO 2板上的电流回路组成,并且用多晶硅压电电阻麦斯通桥检测力幅度。

微结构的机械运动的感测可以光学或电子方式携带。在电子检测方法中,使用静电感应和压电方法。在光学检测中,使用具有激光源或LED源的位移测量。

共振磁传感器

这种类型的磁传感器可以检测磁场的灵敏度高达1T,也有1T的最大可实现分辨率。这些传感器是基于谐振微加工结构的洛伦兹力。谐振传感器中使用的结构是由固定-固定/自由固定梁、弯曲/扭转板或一组它们集成在一起的。

这些结构被洛伦兹力或静电力以它们的共振频率激发。这种力增加或改变共振结构的位移;此外,这可以测量压阻,光学和电容传感技术。

这些器件使用MEMS技术制造,并且小尺寸,包括在单个芯片上集成电子和机械部件。如果具有等于结构的谐振频率或振动模式的激励源,则这种MEMS谐振磁场传感器能够提供放大的响应。

共振磁传感器
共振磁传感器

上图为谐振磁场微传感器的设计,板梁结构上有一个亮点。在上图中,一个沉积在硅板上的矩形铝环是该传感器的主要元素。

该结构是由连接在硅衬底上的两个无夹紧微光束构成的。压电电阻被连接到惠斯通电桥上,其中两个有源的压电电阻被放置在微光束上,另外两个是无源的压电电阻被沉积在衬底上。

无源压电电阻具有固定的电阻值,而有源压电电阻可以改变其电阻大小。

因此,当一个洛伦兹力引起微板上的锯齿运动和微梁弯曲时,两个有源压电电阻改变其阻值。这种电阻的变化在惠斯顿电桥的输出端产生一个电压。因此,外部磁场的大小是通过惠斯通电桥的输出电压来测量的。

这些基于MEMS的谐振传感器可以用光学感测和电容传感技术实现。具有光学读数的谐振传感器不仅可以减少其电路和重量,而且增加了对EMI的免疫力。

然而,这些需要复杂的制造过程,并且还由于传感器的结构缺陷的内在损失的内在损失而存在问题。在电容感测的情况下,这些传感器在连接引线中遭受寄生电容,使信号测量复杂化。

磁通门传感器

磁通门传感器用于测量直流或低频交流磁场,与其他磁传感器相比具有高分辨率和超高灵敏度等优点。

与传统磁通门传感器相比,基于MEMS的微磁通门传感器具有体积更小、功耗更低、批量生产、性能更好等先进特点。

这些应用包括空间研究、地球物理、矿产勘探、自动化、工业过程控制、科学研究等。

浮雕传感器的原理基于铁磁材料的外部磁场依赖性周期饱和度。当被激励线圈(提供交流激励电流提供的铁磁材料浸入磁场中时,该电流以激励频率的两倍定期饱和芯的磁性材料。

该输出的第二次谐波可以通过使用锁定技术来测量,并且与特定场范围的外部场成比例。

磁通门传感器

上图为Zorlu等人2007年报道的基于MEMS的正交磁通门传感器设计。因此,磁通门传感器是基于在矩形铜导体上电沉积熔敷合金层而形成的微加工正交型平面结构。

通过该传感器,芯长度仅1毫米,传感器有两个平面60转拾取线圈。

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