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解决MEMS的生产问题
2019年04月11日    阅读量:103    新闻来源:中国机械网 okmao.com  |  投稿

传感器无处不在,MEMS(微电子机械系统)数十亿美元,市场价值数十亿美元。然而,这个行业存在一个巨大的问题,它阻止它快速增长到数万亿。每种类型的MEMS传感器都必须使用专门的生产工艺进行设计和制造,这种工艺可能需要五到七年才能推向市场中国机械网okmao.com。除了建造第二条相同的生产线之外,还很难提高产量。由于每个过程都是独一无二的,因此没有规模经济可用。


这个瓶颈正在阻止物联网在各地拥有智能传感器节点的愿景,因为利用当前的MEMS制造技术,不可能生产出数以万亿计的节点。一家英国电子公司Nanusens以一种新颖的方式解决了这个问题,该方法使用相同的标准生产技术生产MEMS传感器,这些技术几乎用于生产所谓的CMOS(互补金属氧化物半导体)电子芯片。它被用于世界上所有主要的晶圆厂,因此可以生产的传感器数量没有限制。


 当前的MEMS器件包括具有移动部件的芯片,该移动部件形成构建在硅晶片表面上的传感器,以及具有所有控制电子器件的第二芯片。第二个芯片很容易使用标准CMOS工艺制造,但第一个具有微小移动机械部件的芯片是需要专有处理的部件,因此是阻止产量快速增长的限制因素。


 Nanusens解决方案是通过收缩MEMS部件使两个部件在一个芯片中制造,从而可以在控制芯片的层内形成。MEMS结构由金属层制成,其方式与制造普通CMOS芯片的方式相同。然后通过蚀刻掉周围的二氧化硅释放结构,使其可以自由移动。


Nanusens缩小MEMS以在CMOS层内创建纳米传感器


这在理论上听起来很简单,但实际上,释放的金属MEMS结构由于金属中的应力而扭曲,这仅是金属释放时的问题。这是因为CMOS工艺从未设计成以这种方式释放金属层。Nanusens的团队花了数年时间研究和完善MEMS结构,这些结构在发布时是稳定的。专利这些设计将阻止其他人复制Nanusens在CMOS内部的MEMS突破。


 


Nanusens创造的MEMS结构比目前的MEMS结构小十倍,有效地将它们从微观领域带入纳米级,使其成为NEMS(纳米机电系统)。其中一个NEMS运动传感器结构的尺寸仅为100×150微米,占芯片面积的不到10%,其余为控制电子元件。


最初,Nanusens将制造仅带有一种传感器的设备,第一种是2D运动传感器。然而,由于传感器结构非常小,因此很容易在同一芯片上包括几种不同类型的传感器结构,因为它们的制造方式是相同的。作为奖励,可以重复使用控制电子设备,使得随着更多传感器结构的添加,芯片的整体尺寸仅略微增加。



因此,Nanusens通过使用标准CMOS生产技术同时解决成本的限制因素(现在可用于降低价格的大规模经济)和批量生产(现在可以在任何工厂生产)来解决MEMS增长的瓶颈。



此外,这种纳米传感器新技术还有其他好处。最终包装的产品比当前的等效产品小得多。目前的MEMS设计需要两个芯片,并且在封装时,产生的体积为4mm 3。Nanusens NEMS解决方案只有一个芯片,因此封装尺寸仅为1mm 3。在空间非常宝贵的应用中节省3mm 3可能非常重要,这也是该公司第一个目标市场是耳塞的原因。



耳塞有两个使用纳米传感器解决的问题。首先是使用寿命,因为外形小巧意味着电池很小。每个传感器更换3毫米3可以使更大的电池用于更长的聆听体验。当多个传感器组合成一个Nanusens设备时,节省的成本更高。


耳塞的X射线显示组件的密集程度。



另一个问题是设计师希望将越来越多的传感器放入耳塞中,但却遇到了将它们装入已经很小的空间的问题。纳米传感器可以移除此屏障,以便通过使耳塞能够检测何时可以自行关闭以节省电量来添加传感器以改善电池的使用寿命。例如,运动传感器检测它们是否在耳朵中,而温度传感器检查它们是否在耳朵中而不是在口袋中松动。



“如果MEMS不够小,那么NEMS应该是,”Strategy Analytics手机组件技术服务总监Stuart Robinson说。“Nanusens已将MEMS技术推向下一个更小的水平,在CMOS内部开发纳米级传感器,可与传感器控制器集成在同一硅片中。对于某些应用来说,这不是什么大问题,但对于具有多个传感器的小型设备,如加速度计,陀螺仪,压力和湿度传感器,它可以改变游戏规则。节省空间的传感器为其他组件留出了更多空间,例如更大的电池。在一些设备中,每立方毫米都很重要,因此Nanusens在这里成为赢家。“ 


使用Nanusens纳米传感器可以释放耳塞内的空间,以获得更大的电池和更多的传感器。


 缩小MEMS还有另一个好处。当前的MEMS结构具有大于1微米的特征尺寸,而NEMS结构为0.3微米,因为它们由0.18微米的工艺节点制成。这意味着NEMS结构能够更好地承受冲击,这对于经常掉落的可穿戴设备非常重要。这种更高的可靠性是因为NEMS中的负载质量远小于MEMS中的负载质量,并且较小的质量在冲击条件下造成的损坏较小。负载质量悬挂在弹簧上,并且使用电容的变化检测负载质量的任何移动。此外,较小的结构不易受短距离力的影响,例如范德瓦尔力可以将表面保持在一起并因此防止部件的移动。


 Nanusens已经使用许多原型晶圆测试了其技术的可制造性,这些晶圆是在各种晶圆厂中刻意完成的,以证明晶圆厂的工艺独立性。纳米开关已成功通过超过4000万次测试,证明大多数NEMS设计中的纳米弹簧都是可靠的。


 首批产品样品将于2019年9月推出二维运动传感器,并于今年晚些时候推出骨传导传感器。由于各种类型传感器的基本结构非常相似且制造工艺相同,Nanusens将能够在2020年推出几种不同的传感器以及单芯片解决方案中的传感器组合。


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