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物联网时代的传感器如何发光

传感器和履行器是物联网系统的紧张组成部分。智能传感器构成物联网系统的感知层,是完成物联网系统数据采集的最直接的系统单元。一个自力事情的物联网终端一样平常由传感器、数据处置惩罚单元(处置惩罚器加存储器)、电源治理单元和无线通讯单元组成。在这样的终端中,由传感器采集的数据经由过程数据处置惩罚单元的处置惩罚,由无线通讯系统通报到云端,实现与全部收集的连接。物联网利用对传感器的要求包括:器件微型化、功能集成化 、低资源和海量制造。此中低资源和海量制造两者直接关联。由硅基集成电路制造技巧衍生出的MEMS技巧能够满意上述要求,成为物联网期间微型传感器技巧的主流临盆技巧。

图1 物联网终真个四个系统单元

利用广泛的MEMS

MEMS是微机电系统(Micro-Electro-Mechanical System)的简称。它有两个特性:其一是器件尺寸在微米或纳米量级;其二是平日有一个悬空的运动部件以实现感知或传动功能,比如图2中的悬臂梁。当悬臂梁的运动状态发生变更时,设计好的机电耦合装配就把机器运动转化成电旌旗灯号。机电耦合的措施很多,比如把悬臂梁和下面的电极组成一个电容器,就可以实现输出的电压旌旗灯号得到关于悬臂梁运动的信息。在悬臂梁上附着能够感知外部情况的薄膜材料,即增感层,就能制成各类各样的传感器。比如,感知运动的传感器用以检测压力、加速率、运动偏向、扭曲、流量、风力等。感知声波的MEMS麦克风就是一种十分常见的声学传感器,在手机和移动终端上得到异常广泛的利用。MEMS上附着光敏层,可把光转化成热,改变悬臂梁外形,从而形成光敏传感器、红外传感器等。

图2 MEMS器件布局示意图

MEMS技巧还可以用电旌旗灯号操控悬臂梁的运动,制成履行器(actuators),比如微电机、微开关、微泵、喷墨打印优等。手机中广泛利用的MEMS扬声器便是一种范例的履行器。采纳MEMS还可制成利用于光学系统的微镜、微投影、微光闸等电控光学器件。还有一类采纳MEMS工艺制造的器件,使用悬臂梁的力学谐振功能制成高频滤波器,有望取代声外面波滤波器。此外,还有采纳运动部件把机器运动动能转化成电能并加以储存的能量采集器件(energy harvest)等。

作为产品的MEMS传感器呈现较晚。上世纪80年代,人们才把硅悬臂梁布局封装在玻璃上制成了第一款用于发念头节制的MEMS传感器。上世纪90年代,MEMS加速率计开始用于汽车安然气囊;此外,MEMS压力传感器开始在血压计中获得利用;采纳MEMS技巧制造的喷墨打印头则利用于打印机,成为第一款广泛应用的破费类MEMS履行器。2000到2010年间,MEMS传感器和履行器获得大年夜幅推广,呈现了用于丈量轮胎压强的胎压传感器,监测相机和手机等装配水温和竖直运动的陀螺仪,基于MEMS技巧的麦克风和扬声器、MEMS开关、红外图像传感器指纹识外传感器等一批产品。

2010年以来,在物联网技巧需求的驱动下,各类各样的MEMS传感器和履行器在可穿着系统、虚拟现实产品、智能家居、智妙手机、智能制造、汽车和自动驾驶等领域获得广泛利用(图3),产品包括各类运动传感器和履行器、气敏/湿敏/光敏传感器、红外成像传感器等。仅利用于智妙手机中的MEMS器件产品已经有十几种,包括9轴惯性传感器、MEMS麦克风、RF MEMS、气压计、温湿度传感器气体传感器、自动对焦履行器、光学MEMS等。未来还可能引入能量网络器、红外成像传感器、紫别传感器、超声波传感器等。

图3 迅速增长的MEMS传感器和履行器利用

基于CMOS的制造技巧

MEMS制造技巧衍生自CMOS集成电路制造技巧。在以前的50多年光阴里,CMOS集成电路制造技巧成长迅猛,成为有史以来精细度和繁杂度最高的制造技巧,单从器件尺寸上说,从1970年代的1微米线宽,已经缩微到现在的20纳米线宽,使得单位硅衬底面积上的器件数量有了极大年夜地前进。在器件图形化方面,CMOS技巧的工艺能力远远跨越MEMS器件制造的需求。可以说,CMOS集成电路制造技巧为MEMS制造奠定了十分坚实的根基。

但另一方面,MEMS制造工艺又有它不合于CMOS制造的特征。首先,是它独特的悬臂梁部件形成工艺。今朝可供选用的悬臂梁形成工艺有两类,一类采纳就义层工艺,另一类采纳晶圆键合工艺。

图4(左)给出了采纳就义层工艺形成悬臂梁的流程示意图。详细做法是在硅衬底外面沉积就义层,比如二氧化硅层、布局层、多晶硅层。之后采纳特殊的工艺涉及,经由过程光刻、刻蚀、化学机器抛光(CMP)等CMOS图形化工艺将就义层裸露出来,并用化学溶剂(湿法)或化学蒸汽(干法)把接受层腐蚀掉落,使布局层悬空,形成悬臂梁。

图4(右)展示的是采纳晶圆键合工艺形成悬臂梁的流程示意图。详细做法是在硅衬底上先形成悬臂梁下的空腔,再将布局层晶圆外面向下,与衬底晶圆键合在一路。之后采纳减薄技巧,将布局晶圆从后头减薄,只保留满意悬臂梁要求的厚度。再经由过程光刻、刻蚀等CMOS图形化工艺,形成悬臂梁。

两种技巧规划的差别在于前者的工艺相对简单,除了在采纳蒸汽刻蚀时必要引入特殊的蒸汽刻蚀设备,基础可应用现有的CMOS工业设备,与CMOS制造的兼容性好。而采纳晶圆键合工艺必要应用晶圆键合设备,是以技巧繁杂度相对较高,并是以增添了一些制造资源。它的优点是悬臂梁的质量和工艺同等性高。在就义层工艺中,布局层是由高温沉积形成的多晶硅材料,层内弗成避免地渣滓有应力。这样,薄膜发展工艺前提的涨落很轻易造成片内和片间平均性问题,以致造成良率的低落。采纳键合工艺形成的布局层是单晶材料,层内没有高温发展带来的应力,材料机能的同等性好,对良率提升有很大年夜助益。

图4 两种制备MEMS悬臂梁布局的工艺流程

MEMS工艺不合于CMOS工艺的另一个方面在于前者对封装的特殊要求。对CMOS来说,当器件经由过程互连要领完成多层布线,即可经由过程侧面打线、倒装焊接,或者基于硅通孔(TSV)技巧的多维(2.5D/3D)封装进行封装连线,再用塑料封装添补封装。而对MEMS来说,器件的悬臂梁布局必须能够自由运动,是以,不能像CMOS那样进行添补封装,而必须采纳帽封要领,把悬臂梁等部件用封帽罩起来。帽内不填注材料。分外是运动型MEMS器件,必要在封帽内维持真空。是以MEMS封装带来了很大年夜的工艺繁杂度和资源上升。在采纳单芯片帽封工艺时,真空封装的MEMS制造资源中,封装占70%以上。一个低落资源的手段是采纳晶圆级封装,即在一个硅片上,设计制造一个空腔,形成封盖晶圆,再把封盖晶圆盖到器件晶圆上,实现晶圆级真空封装。为了与晶圆级封装相匹配,还要斟酌电学引线的连出。图5给出了用过硅经由过程连线和晶圆级封装完成的MEMS器件布局示意图。

图5 经由过程硅通孔连线和晶圆级封装完成的MEMS器件布局示意图

机遇及寻衅

MEMS技巧有异常广阔的利用前景,分外是进入物联网期间,只有MEMS能够满意物联网利用对传感器和履行器的要求。

首先,MEMS的尺寸完全满意物联网利用的微型化要求。

其次,MEMS技巧与CMOS技巧的兼容性,使之很轻易满意物联网对传感器和履行器的智能化要求。采纳相同的工艺线,可以同时完成CMOS集成电路和MEMS器件的制造,实现两者的异质集成。异质集成可以经由过程在同一颗芯片上完成两者的制造和互相连接,也可以在不合的晶圆上制造,再经由过程2.5D或3D封装集成到同一个系统。

第三个上风是MEMS在能量损耗上的上风。物联网利用在功耗方面的要求比其它利用情况要严苛得多。MEMS的感知和履行要领使它成为能耗较低的器件,最可能成为满意物联网功耗要求的技巧。还有一个上风是它能够满意物联网对传感器/履行器的数量要求。硅基集成电路技巧可以在一个晶圆上制造出数万颗MEMS传感器,同时具有低廉的制造资源。得益于CMOS制造技巧成长历程中的研发投入,MEMS制造所需设备、工艺制造技巧都已经存在。只需做较小的调剂和开拓,就可以用于MEMS临盆。

事实上,今朝天下上用于MEMS制造的临盆线主要照样从CMOS主流产品制造上淘汰下来的8英寸线。采纳这些产线,即可用于满意海量制造的要求,又可以使每一颗MEMS的制造资源降到满意破费类产品的价格要求的程度。

因为MEMS市场的利用种类繁多,产品临盆技巧的多样化,为中小企业带来了机遇。分外是之前有过技巧积累的企业,将会在很多市场中发明时机,赢得企业的快速成长。但从另一方面来讲,MEMS临盆技巧的成长和企业的生长也面临着一些特殊的寻衅。首先,MEMS的市场细分解凸起,使得单一产品的需求总量相对集成电路产品来说小很多,而MEMS产品临盆线的投入相对较大年夜,使得投资风险高,投资回报周期长,在必然程度上限定了MEMS财产和企业的成长。要破解中小企业在财产技巧开拓和得到投资人信心上的艰苦,匆匆进国家和地方MEMS财产的集聚和成长,一个可行的步伐是建立公共技巧研发平台,为中小企业供给工艺研发和中试办事,努力削减投资的盲目性,增强始创企业的天生能力。

近年来,中国科学院微电子钻研所建立了完备的MEMS工艺中试线,采纳工业界标准的临盆设备为企业供给研发办事,取得了很好的社会效益。信托经由过程国家、地方和企业的合营努力,践行产学研相助的理念,将能够降服财产成长碰到的艰苦,推动MEMS财产迅速成长,及时满意物联网技巧成长对传感器和履行器的赓续迅速增长的需求。

责任编辑:ct

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