MEMS технология. Подробный обзор

Что такое МЭМС?

Микроэлектромеханические системы (МЭМС), также известные как микросистемная технология в Европе или микромашины в Японии, представляют собой класс устройств, характеризующихся как небольшими размерами, так и способом их изготовления. Считается, что характерная длина МЭМС-устройств варьируется от одного миллиметра до одного микрона, что во много раз меньше диаметра человеческого волоса.

В МЭМС часто используются микроскопические аналоги обычных механических деталей и инструментов; они могут иметь каналы, отверстия, кантилеверы, мембраны, полости и другие структуры. Однако детали MEMS не подвергаются механической обработке. Вместо этого они создаются с использованием технологии микропроизводства, аналогичной пакетной обработке интегральных схем.

Сегодня существует множество продуктов, в которых используется технология MEMS, например, микротеплообменники, головки струйных принтеров, матрицы микрозеркал для проекторов высокой четкости, датчики давления, инфракрасные детекторы и многое другое.

Зачем нам МЭМС?

Устройства MEMS выполняют многие из тех же задач, что и макроскопические устройства, но при этом предлагают множество преимуществ. Первый и наиболее очевидный из них — миниатюризация. Как упоминалось ранее, устройства МЭМС достаточно малы, чтобы их можно было производить серийно, подобно современным ИС. Как и в случае с индустрией интегральных схем, серийное производство может значительно снизить затраты на массовое производство. МЭМС также, как правило, требуют гораздо меньшего количества материала для производства, что может еще больше снизить затраты.

Помимо того, что устройства MEMS дешевле, они также могут быть более применимы, чем их гораздо более крупные аналоги. Встраивание акселерометров с металлическими шариками и пружинами в смартфоны, камеры, блоки управления подушками безопасности или аналогичные устройства небольшого размера в лучшем случае было бы непрактично; Уменьшив размер устройства на несколько порядков, MEMS можно использовать в приложениях, где обычный датчик был бы слишком большим.

Простота интеграции — еще одно преимущество технологии MEMS. Поскольку они изготавливаются с использованием тех же процессов, что и при изготовлении ASIC, структуры MEMS легче интегрируются с микроэлектроникой. Интеграция структур МЭМС и КМОП в по-настоящему монолитное устройство оказалась весьма сложной задачей, однако значительный прогресс продолжается. Между тем, многие производители применили гибридный подход для создания коммерчески успешных и экономически эффективных продуктов MEMS.

МЭМС сегодня

По этим и другим причинам многие продукты MEMS коммерчески успешны, и многие устройства уже широко используются. Автомобильная промышленность является одной из основных движущих сил технологии MEMS. Например, гироскопы с вибрирующей структурой MEMS — это новые и довольно недорогие устройства, которые в настоящее время используются в автомобильных системах противоскольжения или электронных системах контроля устойчивости. МЭМС -акселерометры, гироскопы и инклинометры серии SCx компании Murata Electonics Oy, а также различные комбинации этих функций размещены на одном чипе, что позволяет использовать их в конкретных автомобильных приложениях, где точность требуется в ограниченном пространстве. Датчики подушек безопасности на основе MEMS повсеместно заменили датчики удара механического типа почти во всех автомобилях, выпущенных с 1990-х годов. 

Между тем, другие технологии MEMS только начинают массово выходить на рынок. Микромеханические реле (MMR), например, разработанные Omron, представляют собой класс реле, которые работают быстрее, эффективнее и способны обеспечить беспрецедентную степень интеграции на кристалле. Компания Omron также применила свой опыт в области МЭМС при разработке датчиков температуры, создав новые бесконтактные термодатчики МЭМС D6T . D6T объединяет элементы ASIC и термобатареи в процессе изготовления MEMS, в результате чего получается миниатюрный бесконтактный термодатчик размером всего 18 x 14 x 8,8 мм (тип элемента 4x4).

Конечно, сегодняшняя технология MEMS не ограничивается устройствами с одним датчиком. Почему это должно быть так? Возьмем, к примеру, человеческие чувства: один глаз дает нам информацию о цвете, движении и (некоторой) позиции, а два глаза обеспечивают бинокулярное зрение для улучшения восприятия глубины. Фактически, многие из наших перцептивных переживаний требуют сочетания чувств, чтобы вообще иметь смысл. Идея состоит в том, что, комбинируя сенсорные данные, мы можем компенсировать слабости и недостатки каждого отдельного органа чувств и прийти к пониманию окружающей среды, которое в некотором роде превосходит ее. 

Масштабирование и миниатюризация

Знакомство с проектированием и производством МЭМС часто начинается с обзора масштабирования и миниатюризации. Если мы спросим, ​​например, почему нельзя просто взять воздушный компрессор или потолочный вентилятор и уменьшить его до размеров блохи, ответом будут законы масштабирования . Потолочный вентилятор размером с блоху не будет вести себя так же, как вентилятор нормального размера, в 1000 раз больше, потому что задействованные силы изменяются по силе относительно друг друга. 

Моделирование подсистем

Модели особенно необходимы для проектов MEMS из-за неинтуитивной природы субмиллиметровых устройств. Как правило, вся микроэлектромеханическая система слишком сложна для аналитического моделирования в целом, поэтому обычно необходимо разбить модель на подсистемы.

Один из способов сделать это — классифицировать части по функциям, например, датчики, исполнительные механизмы, микроэлектроника, механические конструкции и т. д. При моделировании сосредоточенных элементов используется этот подход, представляя физические части системы как дискретные элементы с идеализированными характеристиками. Электронные схемы моделируются аналогичным образом, используя идеализации резисторов, конденсаторов, диодов и т. д. различной сложности. Мы понимаем, что, когда это возможно, инженеры-электрики будут любезно использовать значительно упрощенные законы цепи Кирхгофа, а не уравнения Максвелла для моделирования цепи.

Опять же, как и в случае с электроникой, систему можно смоделировать еще более абстрактно, используя блок-схемы. На этом уровне становится удобно отбросить физичность каждого элемента и вместо этого описать систему в терминах передаточных функций. В результате получается модель MEMS, которая гораздо лучше подходит для методов теории управления – важного набора инструментов для большинства высокопроизводительных проектов.

Интеграция дизайна

В то время как стандартные конструкции ИС часто реализуются как серия дискретных шагов, конструкция МЭМС сильно отличается; дизайн, компоновка, материалы и упаковка МЭМС неразрывно связаны между собой. Из-за этого проектирование МЭМС может быть более сложным, чем проектирование ИС, часто требуя одновременной разработки каждого «этапа» проектирования.

Упаковка МЭМС — это процесс, который, пожалуй, наиболее сильно отличается от конструкции КМОП. Упаковка MEMS предназначена, прежде всего, для защиты устройства от вредного воздействия окружающей среды, а также обеспечивает интерфейс и смягчает нежелательное внешнее воздействие. Датчики МЭМС часто используют напряжение как средство измерения; Чрезмерное напряжение может ухудшить функциональность устройства, деформируя устройство и вызывая дрейф датчика.

Требования к упаковке для конкретной конструкции МЭМС часто уникальны, и упаковка должна быть разработана специально для этого устройства. В отрасли хорошо известно, что упаковка может составлять огромную часть общей стоимости продукта – в некоторых случаях превышающую 50%.

Не существует единого стандарта для упаковки MEMS, и только недавно появились какие-либо технологии упаковки, среди которых методы упаковки на уровне пластины MEMS (WLP) и методы сквозного прохождения кремния (TSV).

Изготовление

Если исходить из микроэлектроники, то преимуществом изготовления МЭМС является пакетный процесс. Массовое производство обеспечивает экономию за счет масштаба для устройств MEMS, как и для любого другого продукта. Как и в случае с изготовлением ИС, методы фотолитографии часто являются наиболее экономичными и, безусловно, наиболее распространенными методами. Однако действительно используются и другие процессы, как аддитивные, так и субтрактивные, включая химическое/физическое осаждение из паровой фазы (CVD/PVD), эпитаксия и сухое травление.

Материалы, используемые в устройствах MEMS, часто выбираются больше из-за их механических свойств, чем электрических. Хотя многое зависит от конкретного применения, желательные механические свойства могут включать: высокую жесткость, высокую прочность на излом и вязкость разрушения, химическую инертность и стабильность при высоких температурах. Микрооптико-электромеханические системы (МОЭМС) могут потребовать прозрачной подложки, в то время как многие датчики и исполнительные механизмы должны использовать некоторое количество пьезоэлектрических или пьезорезистивных материалов.