- MEMS運(yùn)動(dòng)傳感器技術(shù)分類(lèi)
- MEMS運(yùn)動(dòng)傳感器制造工藝與封裝
- MEMS運(yùn)動(dòng)傳感器技術(shù)在不同方面的應(yīng)用
微機(jī)電運(yùn)動(dòng)傳感器（MEMS Motion Sensor）技術(shù)主要應(yīng)用于汽車(chē)電子領(lǐng)域，但是憑借Wii和iPhone的熱賣(mài)，該技術(shù)一舉在消費(fèi)電子市場(chǎng)也闖出了一片天地。
據(jù)市場(chǎng)研究機(jī)構(gòu)The Information Network調(diào)查，2008年全球MEMS應(yīng)用市場(chǎng)增長(zhǎng)率達(dá)到了11%，市場(chǎng)規(guī)模約78億美元，其中MEMS在消費(fèi)電子應(yīng)用比例接近50%，整體市場(chǎng)規(guī)模將近35億美元。該機(jī)構(gòu)預(yù)測(cè)，到2012年，全球MEMS應(yīng)用市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)154億美元，其中MEMS消費(fèi)性電子應(yīng)用規(guī)模更可增長(zhǎng)到71億美元。
另一家市場(chǎng)研究機(jī)構(gòu)iSuppli也指出，手機(jī)將是MEMS技術(shù)下一個(gè)最具潛力的應(yīng)用市場(chǎng)，增長(zhǎng)幅度預(yù)計(jì)可超過(guò)汽車(chē)傳感領(lǐng)域和電腦周邊，到2012年，MEMS在手機(jī)領(lǐng)域的應(yīng)用規(guī)模更可一舉達(dá)到8.669億美元，出貨量可達(dá)2.009億顆。
MEMS市場(chǎng)的研究權(quán)威Yole Development更認(rèn)為，2012年MEMS在手機(jī)應(yīng)用的整體市場(chǎng)規(guī)模有機(jī)會(huì)上看25億美元。
當(dāng)然，要將MEMS運(yùn)動(dòng)傳感器技術(shù)真正導(dǎo)入消費(fèi)電子應(yīng)用，也并非一件容易的事情，首要任務(wù)就是克服價(jià)格與技術(shù)成熟度的問(wèn)題。不過(guò)，有Wii和iPhone熱賣(mài)在前，市場(chǎng)和主要芯片供應(yīng)商一致看好該項(xiàng)技術(shù)的成長(zhǎng)潛力。
MEMS運(yùn)動(dòng)傳感器技術(shù)
MEMS運(yùn)動(dòng)傳感器囊括多種傳感器技術(shù)。用來(lái)測(cè)量物體加速度的傳感器叫做加速度傳感器（加速度計(jì)）；用來(lái)測(cè)量物體角速度的傳感器叫做角速度傳感器（陀螺儀）；也有將二者相結(jié)合的慣性測(cè)量單元（IMU；Inertial Measurement Unit）。另外，還有測(cè)量高度變化的氣壓計(jì)，以及感測(cè)絕對(duì)方向的電子羅盤(pán)。
目前由于價(jià)格因素，市面上出售的運(yùn)動(dòng)傳感器大都是加速度計(jì)。據(jù)iSuppli調(diào)查顯示，2008年加速度計(jì)的出貨量較2007年增長(zhǎng)了將近2倍，預(yù)計(jì)2009年的出貨增長(zhǎng)率可望達(dá)到40%左右。
而陀螺儀的研發(fā)雖然早于加速度計(jì)，但是因?yàn)樵O(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，單價(jià)始終偏高，在市場(chǎng)上的普及程度反而不如加速度計(jì)。據(jù)iSuppli調(diào)查顯示，陀螺儀至少要到2010年之后，才會(huì)有比較明顯的市場(chǎng)需求出現(xiàn)。不過(guò)，陀螺儀的用途仍然很廣。而隨著制造與整合技術(shù)的進(jìn)步以及市場(chǎng)需求的增加，集加速度計(jì)與陀螺儀于一身的IMU芯片，未來(lái)必將成為運(yùn)動(dòng)傳感器真正的王者。
加速度計(jì)的類(lèi)型
加速度計(jì)的類(lèi)型主要有四種：壓阻式、電容式、壓電式和熱對(duì)流式。
·壓阻式：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)較為容易，特別適合用來(lái)測(cè)量低頻加速度應(yīng)用。不過(guò)，這類(lèi)傳感器的電阻值易隨溫度變化而產(chǎn)生零位漂移及靈敏度漂移，需要進(jìn)行補(bǔ)償。
·電容式：由于利用電容效應(yīng)，因此分辨率相當(dāng)高，也具有很高的靈敏度及量測(cè)范圍，其動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間短，適合高頻的加速度應(yīng)用。而且可靠性高，能夠在高溫、高壓、強(qiáng)輻射及強(qiáng)磁場(chǎng)等惡劣的環(huán)境中工作，也能耐受極大沖擊，適用范圍極廣。同時(shí)由于電容式為非接觸式量測(cè)，所以使用壽命可以很長(zhǎng)。另外，電容式技術(shù)能夠通過(guò)回授控制來(lái)讓加速度計(jì)的振動(dòng)結(jié)構(gòu)維持在線(xiàn)性操作區(qū)域，此特性有助于改善傳感器的靈敏度，也能提升其穩(wěn)定性。不過(guò)，電容式加速度計(jì)采梳狀結(jié)構(gòu)，在生產(chǎn)設(shè)計(jì)具有相當(dāng)難度，并不容易掌握。
·壓電式：雖然也能做到回授控制的要求，而且具有體積小、響應(yīng)速度快、位移量小和消耗功率低等特色，但由于硅半導(dǎo)體并非壓電材料，而一般的壓電工藝不兼容于IC標(biāo)準(zhǔn)工藝，因此在商業(yè)化上仍有許多困難需要克服。
·熱對(duì)流式：利用一個(gè)加熱的重氣泡在加速度影響下的運(yùn)動(dòng)來(lái)探測(cè)加速度。該方式因?yàn)椴捎脽醾鲗?dǎo)原理，其結(jié)構(gòu)中并沒(méi)有可動(dòng)部分，所以不會(huì)出現(xiàn)粘連、顆粒等問(wèn)題，而且能承受50000g以上的巨大沖擊，也具有低成本優(yōu)勢(shì)。不過(guò)，它對(duì)環(huán)境溫度的變化更為敏感，響應(yīng)頻率也無(wú)法太快，也有功耗偏高的限制。此外，此類(lèi)傳感器只能做到二軸的感測(cè)能力，尺寸也比電容式及壓電式大。
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陀螺儀的類(lèi)型
陀螺儀的類(lèi)型主要包括音叉式、雙質(zhì)量振動(dòng)式、半球諧振式、環(huán)式及梳狀驅(qū)動(dòng)諧振式等。
這些技術(shù)有一個(gè)共同點(diǎn)，即它們都是以振動(dòng)塊而非傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)塊（rotating mass）為基礎(chǔ)。主要原因是MEMS技術(shù)中難以做出全程旋轉(zhuǎn)的結(jié)構(gòu)，而使用振動(dòng)方式并通過(guò)科里奧利效應(yīng)（Coriolis Effect）的計(jì)算，也同樣能夠獲得角速度變化的測(cè)量。在此結(jié)構(gòu)中，振動(dòng)塊為驅(qū)動(dòng)端，另外還會(huì)有感測(cè)端，將物理變化量傳送出去。
為了形成諧振的動(dòng)作，必須采用適當(dāng)?shù)牟牧希ü杈А⑻沾伞⑹⒌龋渲幸允⒌男阅茏罴眩煽啃浴㈧`敏度、抗溫度漂移），但以硅晶的成本最低，且能采用標(biāo)準(zhǔn)的CMOS芯片工藝。
制造工藝與封裝
制造的材料不同，所使用的工藝也不同。利用石英制造的代表廠(chǎng)商，例如日本的Epson Toyocom，該公司以石英（QUARTZ）材料的穩(wěn)定性，結(jié)合了MEMS制造技術(shù)，在2006年推出了“QMEMS”技術(shù)。根據(jù)該公司對(duì)QMEMS的描述就是：通過(guò)微加工技術(shù)，使水晶材料具備機(jī)械、電子、光學(xué)、化學(xué)等方面的特性，并增加高精度、高穩(wěn)定附加值的技術(shù)。
為此，工程師采用類(lèi)似于生產(chǎn)芯片的制造技術(shù)，但使用光罩蝕刻制造時(shí)，平坦度的要求會(huì)變得更加嚴(yán)格。此外，半導(dǎo)體生產(chǎn)設(shè)備必須調(diào)整成能適合處理石英原料，而非原先所使用的硅晶。首先，光刻膠的薄膜平放在晶圓上，在晶圓上有用來(lái)完成元件設(shè)計(jì)的光感應(yīng)式光罩。平面光罩下當(dāng)執(zhí)行紫外線(xiàn)曝光流程后，便可產(chǎn)生出曝光和未曝光的區(qū)域，然后不需要的區(qū)域可藉由化學(xué)洗劑的幫助來(lái)蝕刻掉，留所需的形狀。最后，此晶圓會(huì)進(jìn)行切割并被切成小方塊，所生產(chǎn)出來(lái)的MEMS芯片就可以進(jìn)行封裝了。
但是，為了壓低MEMS運(yùn)動(dòng)傳感器的價(jià)格，擴(kuò)大其市場(chǎng)應(yīng)用范圍，一種利用既有標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝來(lái)生產(chǎn)MEMS產(chǎn)品的技術(shù)便應(yīng)運(yùn)而生。這種名為CMOS-MEMS的技術(shù)無(wú)需特殊的生產(chǎn)設(shè)備，可直接在既有的半導(dǎo)體生產(chǎn)流程上完成MEMS的產(chǎn)品。相較于過(guò)去MEMS產(chǎn)品必須先在自有廠(chǎng)房?jī)?nèi)完成機(jī)械結(jié)構(gòu)的生產(chǎn)模式，CMOS-MEMS技術(shù)對(duì)于量產(chǎn)、系統(tǒng)整合和低價(jià)化更有優(yōu)勢(shì)。
不論是加速度計(jì)或陀螺儀，最常見(jiàn)也是最可行的作法都是將MEMS機(jī)械結(jié)構(gòu)與負(fù)責(zé)信號(hào)調(diào)整與測(cè)量的電路分開(kāi)設(shè)計(jì)，再通過(guò)封裝的方式整合在一起，封裝上可以采取堆棧或并排其中一種方式。專(zhuān)家表示，機(jī)械與電路是兩個(gè)差異性很大的元件，要將之結(jié)合存在很大的障礙，如果機(jī)械與電路一定要強(qiáng)行結(jié)合，那么將會(huì)犧牲性能。采用分開(kāi)設(shè)計(jì)的方式，在性能與質(zhì)量上更有保障，因此分開(kāi)設(shè)計(jì)是最好的方式。
不過(guò)，晶圓級(jí)的整合畢竟能夠提供更優(yōu)異的元件緊湊度，有助于降低尺寸與量產(chǎn)成本，也能減少額外元件及阻抗損耗，以及封裝、測(cè)試上的成本，所以MEMS元件還是會(huì)朝向單芯片的方向發(fā)展。據(jù)了解，目前有些IDM大廠(chǎng)，如ADI、Infineon等已可做到CMOS-MEMS的單芯片工藝技術(shù)。這是因?yàn)锳DI、Infineon擁有MEMS和電路的所有技術(shù)，所以能將其MEMS工藝放在整個(gè)生產(chǎn)流程的中段。而像臺(tái)積電、聯(lián)電等臺(tái)灣的晶圓代工廠(chǎng)，雖然也有CMOS-MEMS工藝，但是都偏向于先做完CMOS的IC電路，再完成MEMS的結(jié)構(gòu)。
