快捷搜索:

MEMS和物联网比翼齐飞

来源:http://www.workrewired.com 作者:仪器仪表 人气:102 发布时间:2020-01-18
摘要:你有没有想过你的iPhone手机由多少个组件构成?其中,有加速度计和陀螺仪来检测手机的运动;有光传感器、温度传感器、压力传感器和湿度传感器来感知手机的环境;还有用于连接的

你有没有想过你的iPhone手机由多少个组件构成?其中,有加速度计和陀螺仪来检测手机的运动;有光传感器、温度传感器、压力传感器和湿度传感器来感知手机的环境;还有用于连接的RFID、蓝牙和WiFi;以及用于声音的麦克风和扬声器等等。这些组件大部分都是微机电系统类型。MEMS器件是尺寸在微米到毫米量级的微型机械。 以小,见大 MEMS器件的行为模式通常与尺寸较大的器件类似,但有一些明显的差异。能够将大量MEMS器件装进智能手机等尺寸稍大的设备中,绝对是一个很关键的差异化优势。一系列传感器和其他MEMS器件都可以集成到仅有口袋大小的智能手机中。 此外,凭借不同的制造工艺,MEMS也比其它大尺寸同类产品便宜得多。MEMS不是采用机械加工的,而是采用许多用于制造集成电路和半导体的技术制造的。工艺的重叠使制造商能够批量生产MEMS器件而无需大笔投资新设备。 关于MEMS的一个有趣的事是,这些微型器件中的相互作用力与我们预期的有时有差异。例如,我们看到水杯中水与杯身接触的斜面,似乎就展示了水的表面张力。但是你知道吗?在某些类型的MEMS环境中,表面张力实际上可以使水通过微观通道拉动自身。 MEMS和物联网:共享未来? 据麦姆斯咨询介绍,物联网可以利用MEMS的几个核心功能和优势,MEMS器件可以有效地满足许多物联网应用的要求: 1、低功耗 物联网传感器和网关通常采用无线连接和电池供电。由于每单位成本较低,更换整个装置通常比使用新电池重新安装更经济。因此,任何功耗的降低,都可以延长设备的寿命。某些MEMS有着与大型组件相近的功耗要求。大部分其他MEMS器件则利用电磁或流体动力学中的不同力,来减少其功耗,同时不牺牲功能性,例如,利用表面张力通过微型管道输送液体。 2、小尺寸 用户通常希望物联网设备尽可能地缩小尺寸,从而在办公室和家庭环境中不引人注目。根据定义,MEMS器件可以做到足够小。除了用户需求之外,在一些物联网应用中,可能还需要将MEMS器件添加到空间有限的现有机械中。对于可穿戴设备和生物医学应用等其他情况,小尺寸是必须满足的关键要求。凭借天然的微型化优势,MEMS器件可以轻松满足并超越这些要求。 3、成本效益 在部署物联网解决方案时,规模化通常是一个主要问题。例如,当将传感器用于监测农田的天气和湿度水平时,每亩农田需要植入许多设备。或者对于资产跟踪解决方案,其中可能包括数量庞大的需跟踪资产。在其他应用中,例如运输,MEMS器件可能只是一次性使用的。采用半导体工艺制造的MEMS器件可以大批量生产,使它们变得容易且具备成本效益。 随着更多设备和应用被添加到物联网中,MEMS将成为更可行的解决方案。看到这两种技术将如何发展并相互影响,着实令人期待且兴奋。

hga025手机版 1

传感器和执行器是物联网系统的重要组成部分。智能传感器构成物联网系统的感知层,是完成物联网系统数据采集的最直接的系统单元。一个独立工作的物联网终端一般由传感器、数据处理单元、电源管理单元和无线通讯单元组成。在这样的终端中,由传感器采集的数据通过数据处理单元的处理,由无线通讯系统传递到云端,实现与整个网络的连接。

图1 物联网终端的四个系统单元

应用广泛的MEMS

hga025手机版,MEMS是微机电系统的简称。它有两个特征:其一是器件尺寸在微米或纳米量级;其二是通常有一个悬空的运动部件以实现感知或传动功能,比如图2中的悬臂梁。当悬臂梁的运动状态发生变化时,设计好的机电耦合装置就把机械运动转化成电信号。机电耦合的方法很多,比如把悬臂梁和下面的电极组成一个电容器,就可以实现输出的电压信号获得关于悬臂梁运动的信息。在悬臂梁上附着能够感知外部环境的薄膜材料,即增感层,就能制成各种各样的传感器。比如,感知运动的传感器用以检测压力、加速度、运动方向、扭曲、流量、风力等。感知声波的MEMS麦克风便是一种十分常见的声学传感器,在手机和移动终端上获得非常广泛的应用。MEMS上附着光敏层,可把光转化成热,改变悬臂梁形状,从而形成光敏传感器、红外传感器等。

图2 MEMS器件结构示意图

MEMS技术还可以用电信号操控悬臂梁的运动,制成执行器,比如微电机、微开关、微泵、喷墨打印头等。手机中广泛应用的MEMS扬声器就是一种典型的执行器。采用MEMS还可制成应用于光学系统的微镜、微投影、微光闸等电控光学器件。还有一类采用MEMS工艺制造的器件,利用悬臂梁的力学谐振功能制成高频滤波器,有望取代声表面波滤波器。此外,还有采用运动部件把机械运动动能转化成电能并加以储存的能量采集器件等。

图3 迅速增长的MEMS传感器和执行器应用

基于CMOS的制造技术

MEMS制造技术衍生自CMOS集成电路制造技术。在过去的50多年时间里,CMOS集成电路制造技术发展迅猛,成为有史以来精细度和复杂度最高的制造技术,单从器件尺寸上说,从1970年代的1微米线宽,已经缩微到现在的20纳米线宽,使得单位硅衬底面积上的器件数量有了极大地提高。在器件图形化方面,CMOS技术的工艺能力远远超过MEMS器件制造的需求。可以说,CMOS集成电路制造技术为MEMS制造奠定了十分坚实的基础。

但另一方面,MEMS制造工艺又有它不同于CMOS制造的特点。首先,是它独特的悬臂梁部件形成工艺。目前可供选用的悬臂梁形成工艺有两类,一类采用牺牲层工艺,另一类采用晶圆键合工艺。图4给出了采用牺牲层工艺形成悬臂梁的流程示意图。具体做法是在硅衬底表面沉积牺牲层,比如二氧化硅层、结构层、多晶硅层。之后采用特殊的工艺涉及,通过光刻、刻蚀、化学机械抛光等CMOS图形化工艺将牺牲层暴露出来,并用化学溶剂或化学蒸汽把吸收层腐蚀掉,使结构层悬空,形成悬臂梁。

本文由hga025手机版发布于仪器仪表,转载请注明出处:MEMS和物联网比翼齐飞

关键词:

最火资讯