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虹科小课堂|MEMS技术应用案例介绍

虹科传感器技术 2021-10-29 18:24 次阅读

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在上一篇推文《虹科小课堂|带你了解MEMS传感器》中,我们大致介绍了MEMS传感器的分类、市场发展以及几类常见的MEMS传感器。

本文将以广州虹科电子科技有限公司的合作伙伴——瑞士Truedyne 传感器公司为例,介绍了他们的MEMS传感器技术。更详细的技术干货,带你进一步揭开MEMS技术神秘的面纱。

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01 丨 开拓—什么是MEMS技术

MEMS的全称,是Micro-Electro-Mechanical Systems,即微机电系统,该技术是基于硅半导体技术的基础上,在复杂的微系统中结合了微电子和微机械等功能。是在融合多种微细加工技术,并应用微电子技术和最新成果的基础上发展起来的高科技前沿学科。

半导体技术,是通过使用各种处理技术,在半导体基板(通常由硅制成)上集成几个电子部件(例如光刻和薄膜技术),并组装成芯片。由于芯片生产的各个步骤非常复杂,因此这些步骤会倍增。这些芯片,是由圆形、方形或圆盘形的晶圆制作成的,而晶圆的材料通常与所需基板的材料一致。

半导体技术可实现电子电路的微型化,在传统的电子产品中,电子电路由机械制造的组件组成。而TrueDyne传感器公司MEMS芯片具有更高的集成度,不仅具有电子功能,而且还具有与机械和流体相关的性能

由于对各个组件的要求很高,TrueDyne传感器公司的MEMS芯片通常不限于硅基板。取而代之的是,将不同的材料用于不同的组件,并通过各种组装和连接技术将它们组合在一起。[1]

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图1:MEMS芯片的组成“1.晶圆 2.芯片”

02 丨眼界—MEMS技术的应用领域:

MEMS技术变得越来越重要。它们应用领域非常广泛,在我们的日常生活中无处不在。MEMS系统的应用领域包括:汽车工业应用的防盗,安全气囊控制或车辆侧翻检测系统;移动通信领域的导航,用于显示方向或应用于移动游戏中;微流体系统在医学工程中,特别是在生物分子分析中,也具有巨大的应用潜力,在这个领域的关键词是芯片实验室或BioMEMS。

下面以MEMS传感器的常用四大领域进行介绍:

(1)汽车电子

MEMS传感器可满足汽车环境苛刻、可靠性高、精度准确、成本低的要求。其应用方向和市场需求包括车辆的防抱死系统(ABS)、电子车身稳定程序(ESP)、电控悬挂(ECS)、电动手刹(EPB)、斜坡起动辅助(HAS)、胎压监控(EPMS)、引擎防抖、车辆倾角计量和车内心跳检测等等。汽车电子产业被认为是MEMS传感器的第一波应用高潮的推动者,全球平均每辆汽车包含10个传感器,在高档汽车中,大约采用25至40只MEMS传感器。

2)消费类电子:

随着消费电子领域大发展及产品创新不断涌现,特别是受益于智能手机和平板电板的快速发展,消费电子已经取代汽车领域成为MEMS最大的应用市场。MEMS传感器在消费电子领域的应用包括运动/坠落检测、导航数据补偿、游戏/人机界面、电源管理、GPS增强/盲区消除、速度/距离计数等等,这些MEMS技术都在很大程度上提高了用户体验。

(3)航空航天设备:

MEMS传感器应用在航空航天领域,要求适应在不同的空间环境,以及航天器某些系统工作时或在空间环境作用下产生的诱导环境,航空航天传感器主要有状态传感器,环境传感器之分,前者包括各种活动机件的即时位置传感器,飞机状态传感器,飞机姿态传感器等,环境传感器主要有温度传感器湿度传感器、氧气传感器、压力传感器、流量传感器等。

(4)生物医疗行业:

MEMS传感器技术的突破也为医疗应用带来前所未有的便利性和体验。体外诊断、药物研究、病患监测、给药方式以及植入式医疗器械等领域都在不断发展,系统集成商们需要创新的技术来迅速提高产品性能、降低产品成本、缩小产品尺寸,生物医疗行业中常用的MEMS传感器包括:医用测压传感器、植入式传感器、压电聚合传感器、心脏起搏器、MEMS加速度传感器、生物传感器等。

03 丨 聚焦—Truedyne公司的MEMS技术

几年来,TrueDyne 传感器公司一直致力于利用Coriolis测量原理开发和实现流体微系统或MEMS芯片。Coriolis测量原理所需的流体通道由硅基板形成,并集成到MEMS芯片中。在TrueDyne传感器公司的研究中,该系统尚未能被证明对测量流量有效。然而,通过研究已经表明,振动硅通道可以非常有效地用于谐振器密度计中。

如今,TrueDyne传感器公司的MEMS芯片非常小,尺寸不超过6.9 x 6.9 x 1.5 mm3。它包含电子组件,流体测量通道和温度传感器。TrueDyne 传感器公司的MEMS芯片总共使用四个晶片进行制造:

(1)通过使用等离子蚀刻技术,将两个硅晶片组成测量通道。为此,每个通道的一半被蚀刻到硅晶片中。通过连接两个半部(接合的方法)来创建通道。

(2)玻璃晶片包含金属电极,流体孔和温度传感器。

(3)另一个硅晶片用于在真空中封装测量通道。这使得测量通道可以在没有空气阻尼的情况下振荡。

由于芯片的微型化(测量通道= 0.5 µl体积)和通道材料的优秀质量(硅),使得MEMS芯片具有许多优势和新的应用领域。芯片的微型化是目前MEMS技术发展的一大趋势,特别是在小批量样品和结构紧凑的应用中,微型化的作用是非常强大的。

硅优秀的热力学性能和机械性能,还意味着会给传感器带来更为强大的功能。硅是良好的热导体。因此,通道与环境之间不会有较大的温度差。这使得密度测量时所需的温度信息可以精确而容易地确定下来。

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图2:MEMS芯片“1.薄膜温度传感器,2.狭缝,3.测量通道,4.真空,5.电极”

硅的机械性质对于密度测量也是有利的。硅通道的低自重和低刚性意味着可以实现非常高的测量灵敏度。该性质对于轻质液体和气体特别重要。因此,仍可以在低压的环境下以高灵敏度进行气体测量(当前指定的压力范围在1至20 bar之间)。此外硅通道可以以很高的频率振动。这样可以缩短测量时间,并使测量信号不受外部机械干扰振动的影响。

目前,使用该MEMS芯片的产品包括:HK DLO—M1液体密度传感器, HK VLO—M1液体粘度传感器。

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图3:HK DLO—M1液体密度传感器

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原文标题:虹科小课堂|MEMS技术应用案例介绍

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