村田制作所的MEMS傳感器具有高精度和高可靠性

MEMS市場(chǎng)動(dòng)向

最近幾年，使用了MEMS技術(shù)的半導(dǎo)體產(chǎn)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(jī)械可活動(dòng)結(jié)構(gòu)的三維構(gòu)成。使用此結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)將壓力、溫度、加速度這些物理量轉(zhuǎn)換成電氣信號(hào)的傳感器，還可實(shí)現(xiàn)提供電氣信號(hào)使可動(dòng)結(jié)構(gòu)體像機(jī)械一樣運(yùn)動(dòng)的所謂執(zhí)行器功能。

MEMS產(chǎn)品早在1980年就已經(jīng)存在了，與使用了CMOS工藝的一般半導(dǎo)體相比，因?yàn)榫A制成非常復(fù)雜，包裝也很耗功夫，使得工程標(biāo)準(zhǔn)化和低成本變得十分困難，所以只應(yīng)用于限定用途。但是，最近確定了批量生產(chǎn)小型、高性能的MEMS產(chǎn)品的技術(shù)，除了汽車發(fā)動(dòng)機(jī)控制、醫(yī)療器械、噴墨打印機(jī)這些常用用途，數(shù)碼相機(jī)和智能手機(jī)這寫 隨身攜帶的電子產(chǎn)品里也使用了很多的MEMS產(chǎn)品。MEMS產(chǎn)品今后將持續(xù)每年10-15%的增長(zhǎng)率，并可預(yù)測(cè)在2017年的時(shí)候?qū)默F(xiàn)在的9200億日元增長(zhǎng)到17000億日元。（Yole Development公司預(yù)測(cè)）

株式會(huì)社村田制作所在2012年1月份收購了芬蘭的MEMS專業(yè)生產(chǎn)商VTI，VTI改名為Murata Electronics Oy，成為了村田的一員。Murata Electronics Oy運(yùn)用了獨(dú)特的3D-MEMS（三維MEMS）技術(shù)向市場(chǎng)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

所有東西的運(yùn)動(dòng)都是X、Y、Z軸平行的運(yùn)動(dòng)和圍繞軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，共表現(xiàn)為6個(gè)運(yùn)動(dòng)組合。

村田制作所制作了平行運(yùn)動(dòng)（平移加速度）傳感的加速度傳感器、旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)（角速度）傳感的陀螺儀產(chǎn)品系列，應(yīng)用于依賴高精度運(yùn)動(dòng)傳感和高可靠性的特征的汽車、輪船的姿態(tài)控制、產(chǎn)業(yè)用裝置的傾斜測(cè)定、醫(yī)療用途等等。

此次特輯將介紹生產(chǎn)具有高精度、高可靠性的傳感器的獨(dú)特技術(shù)的3D-MEMS和同時(shí)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(shù)

使用了3D-MEMS技術(shù)的元件示例說明（圖1）。MEMS元件是由可移動(dòng)部構(gòu)成的硅晶片和夾在部上下用于結(jié)合、密封的CAP晶圓構(gòu)成?？梢苿?dòng)部的紡錘和梳型電極框架用彈簧支撐、紡錘和梳型電極的運(yùn)動(dòng)通過CAP晶圓間或者梳型電極之間的電容值的變化來進(jìn)行檢測(cè)。村田制作所將凝聚了實(shí)現(xiàn)了高精準(zhǔn)度檢測(cè)的3D-NEMS技術(shù)的平臺(tái)擴(kuò)大到所有產(chǎn)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(gè)合理的價(jià)格。一下介紹3D-MEMS技術(shù)的強(qiáng)大特征。

實(shí)現(xiàn)高度絕緣、低寄生電容的獨(dú)特的VIA結(jié)構(gòu)

從MEMS結(jié)構(gòu)部分的引出電極最早作為VIA結(jié)構(gòu)進(jìn)行量產(chǎn)。硅形成的引出電極的間為玻璃絕緣的獨(dú)特VIA結(jié)構(gòu)，同時(shí)實(shí)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(shí)現(xiàn)做出了巨大的貢獻(xiàn)。此外，在任何場(chǎng)所都可能實(shí)現(xiàn)電極導(dǎo)出的VIA的結(jié)構(gòu)，為允許元件的設(shè)計(jì)自由度和元件的小型化做出了貢獻(xiàn)。

高精度的空間控制技術(shù)創(chuàng)造出高感度和小型化

3D-MEMS結(jié)構(gòu)的另一個(gè)重點(diǎn)是，可移動(dòng)部?jī)烧唛g形成2.5μm的狹小空間、使高精度的容量測(cè)量成為可能。通過高精度的拋光蝕刻技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了達(dá)到極限的增高的晶圓的平坦性和后述的高精度的晶圓結(jié)合技術(shù)。這個(gè)技術(shù)可高精度檢測(cè)出移動(dòng)部的上下方向移動(dòng)，為元件的高性能化和小型化做出貢獻(xiàn)。

實(shí)現(xiàn)高可靠性的原子級(jí)密封

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

圖1：3D-MEMS技術(shù)特征

高精度、高可靠性是MEMS結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中一貫徹底堅(jiān)持的。下面將列舉加速度傳感器和陀螺儀的設(shè)計(jì)，并且介紹其中的一部分。

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(yùn)動(dòng)，將這種運(yùn)動(dòng)和紡錘體之間的容量值的變化以電氣形式檢測(cè)出來。我公司用了4個(gè)紡錘的獨(dú)特結(jié)構(gòu)才實(shí)現(xiàn)此功能。對(duì)于使用了4個(gè)紡錘所測(cè)量出的X、Y、Z3個(gè)軸的加速度情報(bào)，可以得到其中一個(gè)自由度最大的情報(bào)。通過這個(gè)自由度可實(shí)現(xiàn)平時(shí)的自我診斷功能。因此，高信賴性已經(jīng)成為必要的車載傳感器的必要條件。

加速度傳感器

圖2：加速度傳感器元件的結(jié)構(gòu)

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(cè)直線運(yùn)動(dòng)的物體在直行軸周圍的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)所受的力=科里奧利力?？评飱W利力很小，MEMS結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)在于怎樣取消外在的干擾。同時(shí)，我公司還準(zhǔn)備了很精彩的解決方案。
實(shí)現(xiàn)了高精度的獨(dú)特結(jié)構(gòu)在細(xì)彈簧上面綁上的兩個(gè)紡錘進(jìn)行逆向運(yùn)動(dòng)（圖4右），紡錘4來獲得情報(bào)（圖4左）。通過演算這4個(gè)信號(hào)，去除所有方向的平行加速度、旋轉(zhuǎn)加速度，能獲得純粹的科里奧利力。

陀螺儀

圖4：陀螺儀的結(jié)構(gòu)圖

圖5：陀螺儀特性圖

組合傳感器

特別在汽車市場(chǎng)，為了更高精度的控制，將陀螺儀信號(hào)和加速度傳感器的信號(hào)組合起來的需求有很多。以此為背景，諸如防側(cè)滑制動(dòng)系統(tǒng)（ESC），防抱死制動(dòng)系統(tǒng)（ABS）、輪胎壓力檢測(cè)系統(tǒng)（TPMS）此類的安全功能以發(fā)達(dá)國家為中心新車裝載法制化正在被推進(jìn)，電動(dòng)駐車制動(dòng)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(gè)傳感器組合在一個(gè)傳感器中，為了應(yīng)對(duì)未來的新需求，我們將繼續(xù)擴(kuò)大產(chǎn)品的陣容。

組合陀螺儀傳感器

圖6：組合陀螺儀傳感器結(jié)構(gòu)圖

結(jié)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(jìn)行設(shè)計(jì)和開發(fā)，這個(gè)想法不僅體現(xiàn)在本文介紹的制作過程和MEMS的設(shè)計(jì)中，還徹底貫徹于ASIC設(shè)計(jì)及包裝設(shè)計(jì)中。其結(jié)果是，可以充分應(yīng)對(duì)車、輪船、產(chǎn)業(yè)用設(shè)備和醫(yī)療用途等的嚴(yán)格要求。

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