基于MEMS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。亚博最新官网网址与现有的微观机电传感器相比,MEMS技术具有显著的优势。

MEMS指的是具有从几微米到毫米到毫米的尺寸非常小的装置,该装置与机械和电气部件相结合的毫米,并且使用集成电路批处理技术制造。

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代表微电子机械系统,是一种用于单晶片上的电气和机械部件的微制造的技术。该术语在20世纪90年代起源于美国,也称为欧洲的微型系统,并标记为日本的微机器。

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是一种精密装置,其中机械部件和微传感器以及信号调节电路在一小块硅上制造。MEMS首字母缩略词中的字母S表示反映该技术的系统有助于创建新系统解决方案。

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。亚博最新官网网址

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,而这些物理变量由微电子处理,然后通过微电子处理,然后微型致动器根据环境的变化作用。亚博最新官网网址

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
  • 由于具有99.999%硅含量的纯晶体结构,MEMS器件具有优良的机械特性,不会产生机械滞后或材料疲劳。
  • 采用批量晶圆加工技术,可以生产低成本、大批量的中小微器件。这种大批量生产是非常方便的,可用的先进的IC加工设备。
  • 极大地控制向亚微米水平的横向尺寸。
  • 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设备向多个新兴市场确保大型财务收益。MSME被选为1999年营业周提高21世纪经济增长的三种技术之一。

MEMS技术制造

MEMS进度是由于硅革命的逻辑步骤,后来添加了微机器,允许电子设备与机械部件的集成,以产生高性能,低成本和高功能集成的微系统。亚博最新官网网址

硅是制造适用于不同应用范围的微传感器和微致动器的理想材料,因为它是一种特性良好的材料,具有高导热性、无滞后、低体积膨胀、明确的电性能,对应变、温度、应力和其他环境因素,类似于钢的弹性模量等。

在MEMS制造中,硅可以化学蚀刻成各种形状和相关的薄膜材料,例如聚硅,铝和氮化硅可以是微型加工成多种机械形状和配置。

各种技术可用于MEMS制造,通常采用两种主要技术是散装微加工和表面微加工。让我们简要讨论这两个人。亚博彩票下载

散装微型机械加工

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。

这样,结构定义的准确性不是很好,但取决于温度,蚀刻剂浓度和时间等因素。HNA是最常见的硅蚀刻形式,其包括硝酸(HNO3),氢氟酸(HF)和乙酸(CH3CHOOH)的组合。

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。

这种各向异性蚀刻在垂直于110面的晶体方向上进展迅速,而在垂直于100面的方向上进展缓慢。上图C和D展示了各向异性蚀刻的例子。

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不受硅中晶面的限制,可以蚀刻出深沟槽、凹坑或任意形状的垂直壁面。

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。

深反应离子蚀刻

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

它是通过沉积,图案化和蚀刻通常在1-100μm厚的范围内的薄膜序列来产生MEMS的方法。

与散装微加工相比,表面微加工通过沉积牺牲层和结构层的薄膜来构建硅表面上的结构,并且最终通过去除牺牲层来形成机械结构。

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所需的过程,说明了一个带有中心轨道的多晶硅滑块的简化制造。本设计需要两层结构多晶硅和牺牲氧化物。

图A示出了第一牺牲氧化物层以及第一多晶硅层的沉积和图案化已经完成。图B和C显示了通过氧化物的锚固开口的自由蚀刻将第二牺牲氧化物层沉积在一起。

下一步骤是第二多晶硅层的沉积和图案化,然后除去用于释放结构的牺牲氧化物。

多晶硅表面微机械加工1

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,表面微加工与集成电路加工具有高度的兼容性。但表面微细加工的主要缺点是,它是薄膜技术,创建基本的二维结构。

MEMS技术的应用

基于MEMS的设备或传感器是各种学科领域的重要组成部分,如医疗设备,汽车电子和便携式电子产品,如计算机外围设备,硬盘驱动器,手机,无线设备等。亚博最新官网网址

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来说,电动轮椅是重要的工具。一个典型的智能轮椅包括一个标准的动力轮椅底座,其中有一台计算机和一系列传感器,如视觉、惯性等,以及一个放置在底座上的座位。

这些传感器采用MEMS技术制造,轮椅导航系统基于这些传感器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。亚博彩票下载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方面非常有用。智能系统对于提供有关土地的精确信息,使其在应用杀虫剂,肥料,土地准备对作物和收获的情况下是有用的。亚博彩票下载基于MEMS的倾斜传感器可以与GPS系统一起使用,以获得机械平台的卷和间距估计。

事件数据记录器

机动车辆中使用的事件数据记录器(EDRS)收集车辆加速/减速数据,制动和转向输入和车辆系统状态的信息。此外,它监控速度,制动器和安全系统。EDR中使用的传感器包括角速率传感器,线性加速度计,三轴线性加速度计。

野生动物和牲畜追踪

为了获得有关动物的连续定位和习惯性信息,动物跟踪系统采用了惯性传感器。亚博彩票下载这些跟踪单元除了惯性航迹推算传感器外,还包括用于研究的视觉辅助的数码相机。

GPS系统和惯性传感器与部署以监测牲畜运动的无线传感器网络集成。

病人监护

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监测癫痫,因为它们可用于量化运动的频率,强度和持续时间。此外,MEMS加速度计用于检测失去控制的高风险或老年患者的下降。

电子稳定控制

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。

二级约束系统

该系统也用于车辆。补充(二次)约束系统(SRS)包括减速度或加速度传感器,其导致在正面碰撞的情况下展开安全气囊。这种类型的系统传感器模块由带有微处理器的MEMS加速度计组成。

车辆导航

对于准确的土地车辆的测量或导航系统需要具有GPS的高内部导航系统。但由于大小和高成本,这些受限。

低成本MEMS惯性传感器采用较小,重量轻,功率,低成本芯片的传感器可靠,对陆路车辆导航和跟踪系统可靠。

不同的MEMS传感器

一种使用微加工和微加工技术制造的传感器或仅仅是一种MEMS技术被称为MEMS传感器或微传感器。大多数MEMS器件都属于传感器类。

利用MEMS传感器的发明,导致更昂贵和繁琐的产品,该产品由组装部件制成,如压力传感器的情况。

此外,运动检测和测量变得更容易,并且具有MEMS加速度计的更容易,非常准确,这更普遍地用作气囊系统的碰撞传感器。以下是一些常用的MEMS传感器,其用于不同的应用。

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加速度计被广泛应用于许多便携式电子设备,如媒体播放器、摄像机、游戏设备等。在智能手机中,这些传感器用于风景和肖像模式之间的转换,图像稳定,抗模糊捕捉,口袋模式操作等。

高标准加速度计用于检测车祸,并在合适的时间展开气囊。此外,这些目的是在控制和监测航空航天和军事系统应用中。

MEMS陀螺仪

MEMS陀螺仪用于检测和测量物体的角速率。这些著作是根据物体转动时的振动原理而作的。这些是非常微小的传感器,当陀螺仪旋转时,随着角速度的变化,一个小的谐振质量会发生变化。

此外,该移动被转换成低电流信号。与加速度计类似,这些传感器还在硅电容,压电等等不同的传感原理上工作。一些类型的MEMS陀螺仪包括调谐叉,谐振固体,振动轮,振动板陀螺仪。

由于导航系统需要高度和旋转速率,因此这些是航空控制系统的组成部分。在军事应用中,这些用于导弹导航,指导和智能弹药。

在汽车中,MEMS陀螺仪用于车辆稳定性控制,方向盘传感器和翻转检测。在消费者应用中,这些应用于计算机和凸轮记录器稳定的输入装置控制。

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值来检测磁场矢量。该MEMS器件由SiO2板上的电流环组成,通过多晶硅压电电阻惠斯通电桥检测力的幅值。

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。

这些结构通过Lorenz力或静电力以其共振频率激发。该力增加或改变谐振结构的位移;此外,这可以用压电,光学和电容式传感技术测量。

这些器件采用MEMS技术制造,体积小,由集成在一块芯片上的电子和机械元件组成。如果激励源的频率等于结构的谐振频率或振动模态,这种MEMS谐振磁场传感器能够给出放大的响应。

共振磁传感器
共振磁传感器

上图显示了板束结构上具有突出显示的谐振磁场微传感器的设计。在上图中,沉积在硅板上的铝矩形环是该传感器的主要元件。

该结构由两个夹紧的微束制成,该微束连接到硅衬底。对于压电 - 电阻连接到惠斯通桥,其中两个具有放置在微光束上的两个有效,并且其他两个是沉积在基板上的无源压电电阻。

无源压电电阻具有固定值电阻,而活性压电电阻可以换档它们的电阻幅度。

因此,当Lorenz力引起在微板上的锯运动和微光束的弯曲时,两个有源压电电阻改变它们的电阻值。电阻的这种变化会在惠斯通桥的输出处产生电压。因此,通过惠斯通桥的输出电压测量外部磁场的大小。

这些基于MEMS的谐振传感器可以通过光学传感和电容传感技术实现。带有光学读出的谐振传感器不仅减小了电路和重量,而且提高了抗电磁干扰的能力。

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。

浮雕传感器

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。

与传统的浮雕传感器相比,基于MEMS的微磁通栅极传感器具有更小的尺寸,功耗更少,批量生产,性能更好,性能更好,等等。

这些用于许多应用中的空间研究,地球物理,矿物勘探,自动化,工业过程控制,科学研究等应用。

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。

输出的二次谐波可以用锁相技术来测量,并且在一定的场范围内与外场成正比。

浮雕传感器

上图显示了由Zorlu等人在2007年报道的基于MEMS的正交磁通件传感器设计。根据此,浮动传感器基于通过沉积在矩形铜导体上的钙合金层电镀形成的微机加工正交式平面结构。

有了这个传感器,核心只有1毫米的长度和传感器有两个扁平的60圈拾取线圈。

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