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全球MEMS传感器技术发展的瓶颈与阻碍解读

仪表产业 2020年05月30日 15:43:56 来源:传感器专家网人气:12117
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  【仪表网 仪表产业传感器无处不在,微机电系统(MEMS)市场价值数十亿美元,然而,这个行业存在一个巨大的问题,阻止了它快速增长到数万亿。每种类型的MEMS传感器都必须采用一种专用的生产工艺来设计和制造,这种工艺可能需要5到7年才能推向市场。除了建造第二条相同的生产线外,提高产量也很困难,没有规模经济,因为每个过程都是独特的。
 
  这个瓶颈阻碍了物联网在任何地方都有智能传感器节点的愿景,因为用现有的MEMS制造技术,要将其扩大到数万亿个节点是不可能的。据悉,一家电子公司用一种新的方法解决了这个问题,这种方法可以制造MEMS传感器,这种传感器采用与生产几乎所有电子芯片(CMOS,互补金属氧化物半导体)相同的标准生产技术。它被用在世界上所有主要的工厂中,因此可以生产的传感器数量没有限制。
 
  目前的MEMS器件包括一个芯片和构成传感器的运动部件,该传感器安装在硅片的表面上,第二个芯片包含所有的控制电子器件。第二个芯片很容易使用标准的CMOS工艺制造,但是第一个芯片,带有微小的移动机械部件,是需要专利处理的部件,因此是阻止产量快速增长的限制因素。
 
  该解决方案是通过收缩MEMS部件,使其在控制芯片的各层中形成,从而使两个部件在一个芯片中。MEMS结构由金属层构成,其制作方法与普通CMOS芯片相同。然后,通过腐蚀周围的二氧化硅来释放结构,使其能够自由移动。
 
  这在理论上听起来很简单,但在实践中,释放的金属MEMS结构由于金属中的应力而变形,这只是金属释放时的一个问题。这是因为CMOS工艺从未设计成以这种方式释放金属层。该团队花了多年时间研究和完善释放时稳定的微机电系统结构。为这些设计申请专利将防止其他人仿效纳努森在CMOS中对微机电系统的突破。
 
  纳米材料制造的MEMS结构比现有的MEMS结构小10倍,有效地将它们从微观领域带入纳米尺度,使之成为纳米机电系统(Nano Electro-Mechanical Systems)。其中一种NEMS运动传感器结构的尺寸只有100×150微米,占芯片面积的比例不到10%,其余的是控制电子器件。
 
  最初,该团队将制造只有一种传感器的设备,第一种是二维运动传感器。然而,由于传感器结构非常小,很容易在同一芯片上包含几种不同类型的传感器结构,因为使它们相同的方法。另外,控制电子器件可以重复使用,这样芯片的整体尺寸只会随着传感器结构的增加而略微增大。
 
  因此,该团队通过使用标准CMOS生产技术,同时解决成本(现在可以利用巨大的规模经济来降低价格)和批量生产(现在可以在任何工厂生产)的限制因素,从而解决了微机电系统增长的瓶颈。
 
  此外,这种纳米传感器的新技术还有其他好处。最终包装的产品比目前的同类产品要小得多。目前的MEMS设计需要两块芯片,封装后体积为4mm3。该NEMS解决方案仅为一个芯片,因此封装体积更小,仅为1立方米。节省3mm3的空间对于空间更大的应用来说意义重大,这也是公司第一个目标市场是耳塞的原因。
 
  使用纳米传感器有两个问题可以解决。第一种是使用寿命,因为小的外形意味着电池很小。每更换一个传感器可节省3mm3的电量,使更大的电池可用于更长的收听体验。当多个传感器组合成以上提出的解决方案,节省的成本甚至更大。
 
  (原文标题:解读全球MEMS传感器技术发展的瓶颈与阻碍)
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