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高精度与高可靠性:村田MEMS传感器全解读

    作者:jane   时间:2012/12/7 10:16:38
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MEMS产品早在1980年就已经存在了,与使用了CMOS工艺的一般半导体相比,因为晶圆制成非常复杂,包装也很耗功夫,使得工程标准化和低成本变得十分困难,所以只应用于限定用途。但是,最近确定了批量生产小型、高性能的MEMS产品的技术,除了汽车发动机控制、医疗器械、喷墨打印机这些常用用途,数码相机和智能手机这写 随身携带的电子产品里也使用了很多的MEMS产品。MEMS产品今后将持续每年10-15%的增长率,并可预测在2017年的时候将从现在的9200亿日元增长到17000亿日元。(Yole Development公司预测)

近年来,使用MEMS技术的半导体产品的需求及用途大幅增加。MEMS是Micro Electro Mechanical Systems的缩写,硅电路板上由电路和机械可活动结构的三维构成。使用此结构可实现将压力、温度、加速度这些物理量转换成电气信号的传感器,还可实现提供电气信号使可动结构体像机械一样运动的所谓执行器功能。

株式会社村田制作所在2012年1月份收购了芬兰的MEMS专业生产商VTI,VTI改名为Murata Electronics Oy,成为了村田的一员。Murata Electronics Oy运用了独特的3D-MEMS(三维MEMS)技术向市场提供了高性能以及高可靠性的MEMS传感器。

村田制作所的MEMS传感器

所有东西的运动都是X、Y、Z轴平行的运动和围绕轴的旋转运动,共表现为6个运动组合。

村田制作所制作了平行运动(平移加速度)传感的加速度传感器、旋转运动(角速度)传感的陀螺仪产品系列,应用于依赖高精度运动传感和高可靠性的特征的汽车、轮船的姿态控制、产业用装置的倾斜测定、医疗用途等等。

此次特辑将介绍生产具有高精度、高可靠性的传感器的独特技术的3D-MEMS和同时兼具高精度和高可靠性的加速度传感器以及陀螺仪的特征。

3D-MEMS技术

使用了3D-MEMS技术的元件示例说明(图1)。MEMS元件是由可移动部构成的硅晶片和夹在部上下用于结合、密封的CAP晶圆构成。可移动部的纺锤和梳型电极框架用弹簧支撑、纺锤和梳型电极的运动通过CAP晶圆间或者梳型电极之间的电容值的变化来进行检测。村田制作所将凝聚了实现了高精准度检测的3D-NEMS技术的平台扩大到所有产品中,使得有可能为具有稳定性和高信赖性的传感器提供一个合理的价格。一下介绍3D-MEMS技术的强大特征。

实现高度绝缘、低寄生电容的独特的VIA结构

从MEMS结构部分的引出电极最早作为VIA结构进行量产。硅形成的引出电极的间为玻璃绝缘的独特VIA结构,同时实现了电极间的高绝缘电阻和低寄生容量、为传感器的高精度化、高稳定性、低消耗电流的实现做出了巨大的贡献。此外,在任何场所都可能实现电极导出的VIA的结构,为允许元件的设计自由度和元件的小型化做出了贡献。

高精度的空间控制技术创造出高感度和小型化

3D-MEMS结构的另一个重点是,可移动部两者间形成2.5µm的狭小空间、使高精度的容量测量成为可能。通过高精度的抛光蚀刻技术,实现了达到极限的增高的晶圆的平坦性和后述的高精度的晶圆结合技术。这个技术可高精度检测出移动部的上下方向移动,为元件的高性能化和小型化做出贡献。

实现高可靠性的原子级密封

可移动部和CAP晶圆通过玻璃和硅的阳极结合或者硅和氧化硅的直接结合在晶圆级结合。无论哪种接合,都是为了加强固定原子之间的接合,为纺锤运动空间的空气密封以及高可靠性做出了贡献。另外,一般的晶圆接合中,以元件为单位的接合不良情况时有发生,我公司运用多种方式对所有产品进行严格检查,只有合格的产品才可出货。

 

图1:3D-MEMS技术特征.png

 

图1:3D-MEMS技术特征

高精度、高可靠性是MEMS结构设计中一贯彻底坚持的。下面将列举加速度传感器和陀螺仪的设计,并且介绍其中的一部分。

 

加速度传感器

加速度传感器的原理是用弹簧支撑的纺锤随着加速度而运动,将这种运动和纺锤体之间的容量值的变化以电气形式检测出来。我公司用了4个纺锤的独特结构才实现此功能。对于使用了4个纺锤所测量出的X、Y、Z3个轴的加速度情报,可以得到其中一个自由度最大的情报。通过这个自由度可实现平时的自我诊断功能。因此,高信赖性已经成为必要的车载传感器的必要条件。

 

图2:加速度传感器元件的结构.png

 

图2:加速度传感器元件的结构

 

图3:加速度传感器的特性图1.png

 

 

图3:加速度传感器的特性图2.png

 

 

图3:加速度传感器的特性图3.png

 

图3:加速度传感器的特性图

陀螺仪

我公司的陀螺仪可以检测直线运动的物体在直行轴周围的旋转运动时所受的力=科里奥利力。科里奥利力很小,MEMS结构设计的重点在于怎样取消外在的干扰。同时,我公司还准备了很精彩的解决方案。

实现了高精度的独特结构在细弹簧上面绑上的两个纺锤进行逆向运动(图4右),纺锤4来获得情报(图4左)。通过演算这4个信号,去除所有方向的平行加速度、旋转加速度,能获得纯粹的科里奥利力。

 

陀螺仪.png

 

陀螺仪

 

图4:陀螺仪的结构图.png

 

图4:陀螺仪的结构图

 

图5:陀螺仪特性图1.png

 

 

图5:陀螺仪特性图.png

 

图5:陀螺仪特性图

 

组合传感器

特别在汽车市场,为了更高精度的控制,将陀螺仪信号和加速度传感器的信号组合起来的需求有很多。以此为背景,诸如防侧滑制动系统(ESC),防抱死制动系统(ABS)、轮胎压力检测系统(TPMS)此类的安全功能以发达国家为中心新车装载法制化正在被推进,电动驻车制动器(EPB)、坡道起步辅助系统(HAS)这样的新功能也陆续活跃起来。村田制作所将这两个传感器组合在一个传感器中,为了应对未来的新需求,我们将继续扩大产品的阵容。

 

组合陀螺仪传感器.png

 

组合陀螺仪传感器

 

图6:组合陀螺仪传感器结构图.png

 

图6:组合陀螺仪传感器结构图

结语

村田制作所的MEMS传感器以高精度、高可靠性为必要用途进行设计和开发,这个想法不仅体现在本文介绍的制作过程和MEMS的设计中,还彻底贯彻于ASIC设计及包装设计中。其结果是,可以充分应对车、轮船、产业用设备和医疗用途等的严格要求。

MEMS今后可能将被适用于更广泛用途的高科技技术。村田制作所将MEMS作为将来领先技术的一种,持续向市场提供最高端的MEMS商品,不断强化开发体制和对客户的支持。

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