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)的半導體產(chǎn)品的需求及用途大幅增加。MEMS是Micro Electro Mechanical Systems的縮寫(xiě)，硅電路板上由電路和機械可活動(dòng)結構的三維構成。使用此結構可實(shí)現將壓力、溫度、加速度這些物理量轉換成電氣信號的傳感器，還可實(shí)現提供電氣信號使可動(dòng)結構體像機械一樣運動(dòng)的所謂執行器功能。

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(chǎn)小型、高性能的MEMS產(chǎn)品的技術(shù)，除了汽車(chē)發(fā)動(dòng)機控制、醫療器械、噴墨打印機這些常用用途，數碼相機和智能手機這寫(xiě) 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)品今后將持續每年10-15%的增長(cháng)率，并可預測在2017年的時(shí)候將從現在的9200億日元增長(cháng)到17000億日元。（Yole Development公司預測）

株式會(huì )社村田制作所在2012年1月份收購了芬蘭的MEMS專(zhuān)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運用了獨特的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

所有東西的運動(dòng)都是X、Y、Z軸平行的運動(dòng)和圍繞軸的旋轉運動(dòng)，共表現為6個(gè)運動(dòng)組合。

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

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(shuō)明（圖1）。MEMS元件是由可移動(dòng)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?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動(dòng)通過(guò)CAP晶圓間或者梳型電極之間的電容值的變化來(lái)進(jìn)行檢測。村田制作所將凝聚了實(shí)現了高精準度檢測的3D-NEMS技術(shù)的平臺擴大到所有產(chǎn)品中，使得有可能為具有穩定性和高信賴(lài)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)的強大特征。

實(shí)現高度絕緣、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(jìn)行量產(chǎn)。硅形成的引出電極的間為玻璃絕緣的獨特VIA結構，同時(shí)實(shí)現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、高穩定性、低消耗電流的實(shí)現做出了巨大的貢獻。此外，在任何場(chǎng)所都可能實(shí)現電極導出的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。

高精度的空間控制技術(shù)創(chuàng )造出高感度和小型化

3D-MEMS結構的另一個(gè)重點(diǎn)是，可移動(dòng)部?jì)烧唛g形成2.5μm的狹小空間、使高精度的容量測量成為可能。通過(guò)高精度的拋光蝕刻技術(shù)，實(shí)現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(shù)。這個(gè)技術(shù)可高精度檢測出移動(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。

實(shí)現高可靠性的原子級密封

可移動(dòng)部和CAP晶圓通過(guò)玻璃和硅的陽(yáng)極結合或者硅和氧化硅的直接結合在晶圓級結合。無(wú)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(dòng)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(shí)有發(fā)生，我公司運用多種方式對所有產(chǎn)品進(jìn)行嚴格檢查，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。

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(zhù)加速度而運動(dòng)，將這種運動(dòng)和紡錘體之間的容量值的變化以電氣形式檢測出來(lái)。我公司用了4個(gè)紡錘的獨特結構才實(shí)現此功能。對于使用了4個(gè)紡錘所測量出的X、Y、Z3個(gè)軸的加速度情報，可以得到其中一個(gè)自由度最大的情報。通過(guò)這個(gè)自由度可實(shí)現平時(shí)的自我診斷功能。因此，高信賴(lài)性已經(jīng)成為必要的車(chē)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(xiàn)運動(dòng)的物體在直行軸周?chē)男D運動(dòng)時(shí)所受的力=科里奧利力?？评飱W利力很小，MEMS結構設計的重點(diǎn)在于怎樣取消外在的干擾。同時(shí)，我公司還準備了很精彩的解決方案。
實(shí)現了高精度的獨特結構在細彈簧上面綁上的兩個(gè)紡錘進(jìn)行逆向運動(dòng)（圖4右），紡錘4來(lái)獲得情報（圖4左）。通過(guò)演算這4個(gè)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(chē)市場(chǎng)，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(lái)的需求有很多。以此為背景，諸如防側滑制動(dòng)系統（ESC），防抱死制動(dòng)系統（ABS）、輪胎壓力檢測系統（TPMS）此類(lèi)的安全功能以發(fā)達國家為中心新車(chē)裝載法制化正在被推進(jìn)，電動(dòng)駐車(chē)制動(dòng)器（EPB）、坡道起步輔助系統（HAS）這樣的新功能也陸續活躍起來(lái)。村田制作所將這兩個(gè)傳感器組合在一個(gè)傳感器中，為了應對未來(lái)的新需求，我們將繼續擴大產(chǎn)品的陣容。

組合陀螺儀傳感器

圖6：組合陀螺儀傳感器結構圖

結語(yǔ)

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)行設計和開(kāi)發(fā)，這個(gè)想法不僅體現在本文介紹的制作過(guò)程和MEMS的設計中，還徹底貫徹于A(yíng)SIC設計及包裝設計中。其結果是，可以充分應對車(chē)、輪船、產(chǎn)業(yè)用設備和醫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(shù)。村田制作所將MEMS作為將來(lái)領(lǐng)先技術(shù)的一種，持續向市場(chǎng)提供最高端的MEMS商品，不斷強化開(kāi)發(fā)體制和對客戶(hù)的支持。