echars x轴单位_MEMS加速度计可靠性值得关注,Z轴粘连问题何解?
发布日期:2022-02-03 13:16:53 浏览次数:8 分类:技术文章

本文共 4456 字,大约阅读时间需要 14 分钟。

MEMS是集成的微型系统,它结合了电子、机械或其他(磁、液体和热等)元件,通常采用半导体批量工艺技术来制造。MEMS惯性器件是指敏感结构采用微加工手段加工的MEMS加速度计和陀螺仪,其中MEMS加速度计用于测量运动体的加速度。MEMS惯性器件不可避免地应用在各种恶劣的工作环境中,由此引发的可靠性问题非常突出。在智能手机等消费电子领域,三轴电容式MEMS加速度计的Z轴粘连问题也困扰着每家MEMS创业公司,不少公司都因此遭遇过客户退货的尴尬。在歌尔股份申请的《一种加速度计中的Z轴结构》专利中,阐述了常用的MEMS加速度计Z轴结构及存在的一些缺陷。

MEMS加速度计Z轴结构及工作原理

常用的MEMS加速度计Z轴结构都是平板电容式,质量块的运动模式是类似跷跷板的结构。参考图1,在质量块1下方的衬底4上,会有金属或多晶硅做的第一平板电极2、第二平板电极3,质量块1与两块电极分别形成两个电容C1、C2。在无加速度输入的情况下,质量块1与第一平板电极2、第二平板电极3之间的距离均相等,此时C1和C2的值相等。

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图1 现有MEMS加速度计技术中Z轴结构的结构示意图

如有加速度输入的情况下,质量块1不再平衡,会发生类似跷跷板一样的翻转,所述质量块1一边向下,一边向上,此时,质量块1到第一平板电极2之间的距离,与其到第二平板电极3之间的距离不再相等,参考图2的视图方向,而C1和C2的差值与输入的加速度成正比,输出的正负号反映输入加速度的方向。

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图2 MEMS加速度计Z轴结构的质量块发生偏转时的示意图

上述MEMS加速度计的Z轴结构存在的缺陷

(1)工艺复杂度和成本:MEMS加速度计的X和Y轴结构目前都是平面内的梳齿电容方案,所以对于X和Y轴加速度计来说,不用引入衬底上的平板电极。上述MEMS加速度计的Z轴方案则完全不同,一定要有衬底上的平板电极。也就是,为了实现Z轴加速度计的设计,要多加一层平板电极,增加工艺的复杂度和成本。

(2)精度:平板电极在衬底上,所以MEMS加速度计的Z轴结构的寄生电容比较大,进而影响MEMS加速度计的Z轴精度;而MEMS加速度计的X和Y轴结构,由于电容极板悬空,寄生电容一般会比MEMS加速度计的Z轴结构小一半以上,所以一般MEMS加速度计的X和Y轴精度会比Z轴高。(3)可靠性:MEMS加速度计的Z轴可靠性一直是一个比较棘手的问题,由于下极板是MEMS加速度计的Z轴结构必需的一部分,必须将质量块与下极板的间距控制在很小的尺寸内,结果造成质量块很容易接触到衬底或下电极,甚至粘在衬底上,不能分开,导致芯片完全的失效。

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举例:悬臂梁粘连失效问题,以及制作凸点阻止该问题发生

(4)芯片面积:MEMS加速度计的Z轴使用平板电容结构,会占用比较大的面积,一般在三轴MEMS加速度计中,加速度计Z轴结构占用的面积在40%以上。

为了解决上述MEMS加速度计中存在的Z轴问题,多家MEMS厂商探索了新的Z轴结构或方案,下文给出歌尔股份和美新半导体的专利,供大家参考。

歌尔股份发明专利:《一种加速度计中的Z轴结构》

一种MEMS加速度计中的Z轴结构,包括相对于衬底(4)在Z轴方向上来回移动的质量块(1),所述质量块(1)的侧壁上设置有第一可动电极极片(10)、第二可动电极极片(11);还分别设有朝由X轴、Y轴组成的平面方向伸出的第一固定电极极片(20)、第二固定电极极片(30)。Z轴加速度计,摒弃了下极板结构,从而摆脱了下极板对Z轴加速度计的限制,使质量块(1)的运动模式不再是跷跷板式的运动,而是在Z轴方向上、下平动,减小了MEMS加速度计的Z轴寄生电容,提高了检测的精度;避免可动质量块(1)与衬底(4)的接触,提高了芯片的可靠性;由于质量块(1)和固定电极在同一层上,首先可以达到比传统Z轴结构更好的一致性,而且可以将锚点设计的更为集中,降低芯片对温度和应力变化的敏感度。

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本发明Z轴结构的示意图

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本发明质量块位于初始状态时的运动模态示意图

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本发明质量块受到Z轴负方向加速度时的运动模式示意图

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本发明质量块受到Z轴正方向加速度时的运动模式示意图

美新半导体发明专利:《单芯片三轴加速度传感器》

本发明属于MEMS传感器技术领域,涉及一种热对流单芯片三轴加速度传感器。其基本原理为通过热敏器件感应密封空腔体内的气体热对流,再通过计算输出加速度信号。包括加热丝温度传感器平面上方的封装腔和下方的刻蚀腔,对称置于中心四周的四组传感器。在汽车、游戏产业、航空、船舶导航系统、民用产品及军事等领域中有广泛的应用。本发明采用热对流原理来检测加速度信息,无质量块,可工作在高量程下,耐冲击,无粘连、颗粒等问题,成本低,故障率低,良品率高,灵敏度高,抗干扰强;相对于美新半导体(MEMSIC)公司原来的单芯片双轴热对流加速度传感器,可以对加速度进行三维空间内的测量。

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一种热对流单芯片三轴加速度传感器结构示意图

上述热对流单芯片三轴加速度传感器共4个热源,8个温度传感器。可以通过该结构测量X轴,Y轴和Z轴三个方向的加速度。

X轴方向信号:(传感器2-传感器1)+(传感器3-传感器4);
Y轴方向信号:(传感器6-传感器5)+(传感器7-传感器8);
Z轴方向信号:(传感器1-传感器2)+(传感器3-传感器4)+(传感器5-传感器6)+(传感器7-传感器8)。

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热对流单芯片三轴加速度传感器俯视示意图

MEMS可靠性分析培训课程

在制造、安装、运输或使用过程中,MEMS加速度计会遭到剧烈冲击或振动应力的影响。而在航天航空等领域,MEMS加速度计通常工作在高低温剧烈变化的环境中,如卫星运行时会周期性进入向阳面和背阳面,造成MEMS加速度计的工作环境温度发生周期性的极端变化,同时在太空中工作也会受到各种射线辐射的影响。大气下工作的MEMS加速度计还可能受到空气中水蒸气或其他腐蚀气体的影响。这些恶劣环境应力导致MEMS加速度计的一些特性发生变化,所引发的典型失效模式包括断裂、分层、粘附、疲劳、腐蚀、微粒污染等。

如果您还是采用“跷跷板”的Z轴结构,如果解决粘连问题呢?还有哪些Z轴结构或方案可以采用呢?为此,麦姆斯咨询邀请了东南大学王磊老师讲解MEMS可靠性分析内容,分析加速度计、陀螺仪、微镜等产品可靠性问题,具体课程介绍如下:

8月14日至16日,由麦姆斯咨询主办的『第24期“见微知著”培训课程:MEMS技术进阶』将在无锡开课,其中邀请了东南大学王磊老师讲解MEMS可靠性分析内容。

课程:MEMS可靠性分析讲师:东南大学 副研究员 王磊

MEMS器件的机械结构由微米/纳米材料制备而成,其中薄膜材料的使用最为频繁。评价这些材料的力学性能对MEMS器件实用化有着显著的意义。随着技术的发展,薄膜材料在越来越多的机械结构中得到应用,其力学和机电性能对MEMS器件的工作特性都会产生显著影响。因此很有必要像测量半导体器件电学特性那样精确测量薄膜的力学性能。王磊博士在MEMS可靠性分析方面拥有多年的实战经验,将带领学员认识常见的失效模式及机理,并通过经典案例分析来讲解MEMS结构和工艺的可靠性问题。
课程大纲:
(1)MEMS可靠性导论;
(2)MEMS材料力学性能评价及评价标准;
(3)常见MEMS失效模式及失效机理;
(4)MEMS可靠性测试及分析技术;
(5)MEMS结构和工艺的可靠性问题;
(6)MEMS可靠性分析案例,如加速度计、陀螺仪、微镜。

王磊,博士,2012年获东南大学电子科学与工程学院工学博士,现任东南大学副研究员。他长期从事MEMS器件可靠性工作,承担和参与了多项国家科研项目,包括“十一五”、“十二五”、“十三五”的装发预研项目,“十二五”重大专项,国家自然科学基金项目,以及多项企业横向合作项目。主持制定了多项企业MEMS可靠性标准,并牵头协同了国内11家企事业单位共同起草了GB/T 38341-2019“微机电系统(MEMS)技术MEMS器件的可靠性综合环境试验方法”国家标准。

此外,我们还邀请了上海微系统所焦继伟老师讲解惯性MEMS技术。

课程:惯性MEMS

讲师:中国科学院上海微系统与信息技术研究所 研究员 焦继伟

消费电子和汽车电子是惯性MEMS传感器的两大重要应用市场,组合式惯性传感器是其中的增长引擎。而对于高端惯性传感器,虽然国防和商用航空航天领域是该市场的支柱,但随着工业物联网(IIoT)、机器人及微型卫星等应用的高速发展,工业领域已一跃成为驱动该市场蓬勃成长的关键因素。本课程在梳理惯性MEMS传感器的基础知识、设计要点及典型案例的同时,帮助学员分析组合式惯性传感器,了解高精尖惯性传感器,从而掌握惯性MEMS关键技术!

课程大纲:

(1)惯性MEMS概念、典型器件(加速度计、陀螺仪)及工作原理;

(2)开环/闭环MEMS加速度计的检测方式、设计要点、制造、封测及闭环加速度计典型应用案例;

(3)MEMS陀螺仪的驱动/检测方式、设计要点、制造、封测及高性能陀螺仪典型设计案例;

(4)组合式惯性传感器技术发展趋势及设计要点;

(5)MEMS晶圆级封装技术在惯性传感器领域的应用及挑战;

(6)新材料(如PZT压电材料)和新工艺在惯性传感器的应用;

(7)全球高精尖惯性传感器产业现状及主要供应商;

(8)全球主要惯性传感器MEMS代工厂和封测厂;

(9)国内惯性传感器产业发展的应对策略。

焦继伟,麦姆斯咨询2019年度“最受欢迎讲师”,中国科学院上海微系统与信息技术研究所研究员。他生于1968年,江苏无锡人。1989年毕业于浙江大学物理系,1994年于中科院上海冶金所(现上海微系统所)获半导体物理与器件专业博士学位。作为主要成员参与国家“八五”攻关项目等课题的科研工作,在低温硅固相键合技术上取得突出成果,处于当时国际先进水平。1996年至2002年,分别于荷兰Delft Univ. of Technology、日本三菱电机株式会社先端技术研究所工作,主要从事MEMS技术、车用微型惯性传感器(角速度和加速度)的开发和量产化工作,以及面向机载APAA的RF MEMS模块的研究。开发出硅-玻璃键合衬底上高深宽比的微机械结构的无损释放技术,实现高成品率的微惯性器件;研制出全单面工艺的Grounded Cavity结构的低插损RF MEMS器件和模块。2002年回国,任中科院上海微系统所研究员、博导,自2008年起任传感技术国家重点实验室副主任。目前,主要从事惯性器件、MEMS/NEMS技术等相关研究,回国后先后承担多项国家863、973课题等。已发表SCI/EI论文50余篇,申请及获得授权国际、国家发明专利10余项。

『第24期“见微知著”培训课程:MEMS技术进阶』报名:

麦姆斯咨询

联系人:彭琳
电话:17368357393
E-mail:PENGLin@MEMSConsulting.com

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