村田MEMS傳感器詳解：高可靠性與高精度的集合體

所有東西的運動都是X、Y、Z軸平行的運動和圍繞軸的旋轉運動，共表現(xiàn)為6個運動組合。近年來，使用MEMS技術的半導體產品的需求及用途大幅增加。MEMS是Micro Electro Mechanical Systems的縮寫，硅電路板上由電路和機械可活動結構的三維構成。使用此結構可實現(xiàn)將壓力、溫度、加速度這些物理量轉換成電氣信號的傳感器，還可實現(xiàn) 提供電氣信號使可動結構體像機械一樣運動的所謂執(zhí)行器功能。MEMS產品早在1980年就已經存在了，與使用了CMOS工藝的一般半導體相比，因為晶圓制成非常復雜，包裝也很耗功夫，使得工程標準化和低成本變得十分困難，所以只應用于限定用途。但是，最近確定了批量生產小型、高性能的MEMS產品的技術，除了汽車發(fā)動機控制、醫(yī)療器械、噴墨打印機這些常用用途，數(shù)碼相機和智能手機這寫 隨身攜帶的電子產品里也使用了很多的MEMS產品。MEMS產品今后將持續(xù)每年10-15%的增長率，并可預測在2017年的時候將從現(xiàn)在的9200億日元增長到17000億日元。(Yole Development公司預測)。村田制作所株式會社murata在2012年1月份收購了芬蘭的MEMS專業(yè)生產商VTI，VTI改名為Murata Electronics Oy，成為了村田的一員。Murata Electronics Oy運用了獨特的3D-MEMS(三維MEMS)技術向市場提供了高性能以及高可靠性的MEMS傳感器。

 

村田制作所的MEMS傳感器

村田制作所制作了平行運動(平移加速度)傳感的加速度傳感器、旋轉運動(角速度)傳感的陀螺儀產品系列，應用于依賴高精度運動傳感和高可靠性的特征的汽車、輪船的姿態(tài)控制、產業(yè)用裝置的傾斜測定、醫(yī)療用途等等。

此次特輯將介紹生產具有高精度、高可靠性的傳感器的獨特技術的3D-MEMS和同時兼具高精度和高可靠性的加速度傳感器以及陀螺儀的特征。

3D-MEMS技術

使用了3D-MEMS技術的元件示例說明(圖1)。MEMS元件是由可移動部構成的硅晶片和夾在部上下用于結合、密封的CAP晶圓構成?？梢苿硬康募忓N和梳型電極框架用彈簧支撐、紡錘和梳型電極的運動通過CAP晶圓間或者梳型電極之間的電容值的變化來進行檢測。村田制作所將凝聚了實現(xiàn)了高精準度檢測的3D-NEMS技術的平臺擴大到所有產品中，使得有可能為具有穩(wěn)定性和高信賴性的傳感器提供一個合理的價格。一下介紹3D-MEMS技術的強大特征。

風華電感現(xiàn)貨庫存

可移動部和CAP晶圓通過玻璃和硅的陽極結合或者硅和氧化硅的直接結合在晶圓級結合。無論哪種接合，都是為了加強固定原子之間的接合，為紡錘運動空間的空氣密封以及高可靠性做出了貢獻。另外，一般的晶圓接合中，以元件為單位的接合不良情況時有發(fā)生，我公司運用多種方式對所有產品進行嚴格檢查，只有合格的產品才可出貨。

高精度的空間控制技術創(chuàng)造出高感度和小型化

3D-MEMS結構的另一個重點是，可移動部 兩者間形成2.5µm的狹小空間、使高精度的容量測量成為可能。通過高精度的拋光蝕刻技術，實現(xiàn)了達到極限的增高的晶圓的平坦性和后述的高精度的晶圓結合 技術。這個技術可高精度檢測出移動部的上下方向移動，為元件的高性能化和小型化做出貢獻。

圖1：3D-MEMS技術特征

高精度、高可靠性是MEMS結構設計中一貫徹底堅持的。下面將列舉加速度傳感器和陀螺儀的設計，并且介紹其中的一部分。

實現(xiàn)高度絕緣、低寄生電容的獨特的VIA結構

從MEMS結構部分的引出電極最早作為 VIA結構進行量產。硅形成的引出電極的間為玻璃絕緣的獨特VIA結構，同時實現(xiàn)了電極間的高絕緣電阻和低寄生容量、為傳感器的高精度化、高穩(wěn)定性、低消 耗電流的實現(xiàn)做出了巨大的貢獻。此外，在任何場所都可能實現(xiàn)電極導出的VIA的結構，為允許元件的設計自由度和元件的小型化做出了貢獻。

加速度傳感器

加速度傳感器的原理是用彈簧支撐的紡錘隨著加速度而運動，將這種運動和紡錘體之間的容量值的變化以電氣形式檢測出來。我公司用了4個紡錘的獨特結構才實現(xiàn)此功能。對于使用了4個紡錘所測量出的X、Y、Z3個軸的加速度情報，可以得到其中一個自由度最大的情報。通過這個自由度可實現(xiàn)平時的自我診斷功能。因此，高信賴性已經成為必要的車載傳感器的必要條件。

圖2：加速度傳感器元件的結構

圖3：加速度傳感器的特性圖

陀螺儀

我公司的陀螺儀可以檢測直線運動的物體在直行軸周圍的旋轉運動時所受的力=科里奧利力?？评飱W利力很小，MEMS結構設計的重點在于怎樣取消外在的干擾。同時，我公司還準備了很精彩的解決方案。

實現(xiàn)了高精度的獨特結構在細彈簧上面綁上的兩個紡錘進行逆向運動(圖4右)，紡錘4來獲得情報(圖4左)。通過演算這4個信號，去除所有方向的平行加速度、旋轉加速度，能獲得純粹的科里奧利力。

陀螺儀

圖4：陀螺儀的結構圖

圖5：陀螺儀特性圖

組合傳感器

特別在汽車市場，為了更高精度的控制，將陀螺儀信號和加速度傳感器的信號組合起來的需求有很多。以此為背景，諸如防側滑制動系統(tǒng)(ESC)，防抱死制動系統(tǒng)(ABS)、輪胎壓力檢測系統(tǒng)(TPMS)此類的安全功能以發(fā)達國家為中心新車裝載法制化正在被推進，電動駐車制動器(EPB)、坡道起步輔助系統(tǒng)(HAS)這樣的新功能也陸續(xù)活躍起來。村田制作所將這兩個傳感器組合在一個傳感器中，為了應對未來的新需求，我們將繼續(xù)擴大產品的陣容。

組合陀螺儀傳感器

圖6：組合陀螺儀傳感器結構圖

結語

村田制作所的MEMS傳感器以高精度、高可靠性為必要用途進行設計和開發(fā)，這個想法不僅體現(xiàn)在本文介紹的制作過程和MEMS的設計中，還徹底貫徹于ASIC設計及包裝設計中。其結果是，可以充分應對車、輪船、產業(yè)用設備和醫(yī)療用途等的嚴格要求。

MEMS今后可能將被適用于更廣泛用途的高科技技術。村田制作所將MEMS作為將來領先技術的一種，持續(xù)向市場提供最高端的MEMS商品，不斷強化開發(fā)體制和對客戶的支持。