MEMS简介

 

什么是MEMS?

微机电系统(MEMS)在欧洲也称微系统,通常被定义为微米量级的人造机械元件。通俗来说,MEMS是一个借助机械原理实现某种特定功能的小尺寸设备,这种特定功能可以是光学领域、声学领域、力学领域或者电子领域。MEMS并不仅仅是将一个宏观设备简单地做小,而是通过全新的角度解决问题,它将使产品变得更经济、更节能、更可靠。比起传统设备,MEMS有一个很好的优点,那就是使用原创于集成电路技术的成批生产工艺。成批生产工艺允许数千个相同的芯片在一片晶圆上同时加工,大大降低了每一个芯片的生产成本,而这也正是MEMS设备成本如此低廉的原因所在。

 

 

MEMS市场现由几种不同方面的应用占据,每个领域都能创造每年超过5亿美元的利润。同时还有越来越多新的应用正被开发,即将进入MEMS市场,将蛋糕越做越大。作为半导体工业的一个重要组成部分,MEMS正变得愈发的炙手可热。


MEMS设备是如何工作的?

 

为了了解MEMS设备是怎么有效工作的,首先需要了解,什么是一个机械系统。从标准动力学方程(拉格朗日力学)可以知道,一个机械系统的三个关键元素是质量(m),阻尼(c)和刚度(k)。其中阻尼c也称阻尼系数或阻尼常数γ。拥有了这三个最基本的元素,就是一个最简单的机械系统了。

 

 

借助于这种微小的机械系统,一些来自环境中的信号可以被转换为机械系统中的一种运动状态。以MEMS加速度传感器为例,这是一种最简单的MEMS惯性传感器,其原理是将设备所具有的加速度状态转化为一种机械位移。而一旦这种MEMS设备内的机械位移的量被测得,与其相关的加速度的大小也将能够得知。一种普遍的测量位移量的方法是测量一组平行板电极的电容值变化,因为电容值是一个和电容板间距有关的函数,可以利用机械系统内的位移量改变电容板间距,那么位移量的变化就可以在电容值的变化上得以体现。通过MEMS,一种电容信号和加速度信号之间的联系得以建立,同时也是通过MEMS,这些来自外部环境中的信号经由微型的机械系统,被转换成电容这种典型的电子信号。这就是MEMS设备工作原理的本质。


如何生产MEMS设备?

 

加工MEMS结构的关键工艺是体微加工和表面微加工。正是这两类工艺,使得一片空白的晶圆变成上千枚功能性的MEMS设备。

在体微加工中,结构特征会被雕刻在块状材料之上,如硅、石英、碳化硅、玻璃或者其他一些半导体工业中常用的材料。体微加工的主要目的就是从晶圆中刻蚀去除材料,因为一片晶圆的厚度通常在400微米左右,很难具有很强的功能性。很多MEMS结构需要在某些地方做得很薄或者开孔,这就需要用到体微加工,比如MEMS麦克风。麦克风需要在结构上开一个孔使声波能够传进去,这就需要用到刻蚀溶液,在晶圆做的基板上刻蚀出一个圆孔。

 

 

如果说体微加工是在块状材料上刻蚀三维的立体特征,那么相反的,表面微加工就是在基板表面上一层一层地创建特征,这里的基板通常是单晶硅晶圆。 在这些特征层创建完毕后,干刻蚀被用来定义表面上的二维图样,最后,再使用湿刻蚀将被定义完成的二维图样转化为目标结构。

 

加工一个MEMS设备时,通常会将体微加工和表面微加工结合起来使用,已完成复杂结构特征的定义。这里举一个简单的例子,如图所示。将一片空白晶圆加工成如图所示结构的工艺可以分为三步。第一,在晶圆基板表面沉积一层二氧化硅。第二,使用干刻蚀(离子反应刻蚀)定义表面花样,去除不想要的部分。第三,使用体微加工在基板上刻蚀出一个通孔。