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突破性的新制造技术在CMOS中构建MEMS,并打破MEMS收缩屏障

时间:2019-04-25 作者:Josep Montanyà 博士,Nanusens 阅读:
现今的MEMS设备内包括一个在硅片上形成传感器的运动部件,以及另一个含有控制电路的芯片。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,内部有微小的移动机械部件,是需要专有工艺处理的部件,是阻止生产量快速增加的限制因素。

我们生活在一个有声音、热量、压力等等的模拟世界中,而它所发生的事情必须以某种方式转变成我们的数字电子设备能够理解的形式。正是这种认知使得智能手机汽车及家庭变得更智能。关键就是有这些能够检测运动、走路的步伐、磁场等的微型传感器出现。这些通常被称为MEMS(微机电系统)的装置都有可以检测被测物体变化的微型运动部件。WBkEETC-电子工程专辑

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Josep Montanyà 博士,首席执行官Nanusens。14年以上MEMS设计、从事专利和半导体业务工作经验WBkEETC-电子工程专辑

MEMS市场的巨大增长的开始是因为史蒂夫‧ 乔布斯将移动电话变成了一台功能强大的袖珍电脑,它拥有越来越多的传感器,从而获得更好的用户体验。现在,传感器无处不在,微机电系统(MEMS)的制造也达到了数十亿美元,市场价值数十亿美元。WBkEETC-电子工程专辑

然而,这个行业存在着一个巨大的问题阻碍了它增长到数万亿的市场。每种MEMS传感器的设计和制造都必须采用特有的生产工艺,这种工艺可能需要五到七年才能投放市场。除了建设第二条相同的生产线外,很难扩大生产规模。由于每个生产工艺都是独一无二的,因此没有规模经济。摩尔的持续收缩定律不适用于微机电系统,因为它们在一微米左右的时候遭遇到了瓶颈。WBkEETC-电子工程专辑

因此,对微机电系统的需求超过了供应。越来越多的设备正在设计传感器。智能手机可以有十几个传感器,汽车需要越来越多的传感器,使它们在自动驾驶的道路上变得更加智能。建筑物变得智能化,因为传感器优化了供暖和通风。健康和医疗设备使用传感器来测量心率、呼吸、温度等,然后我们就可以见到万物互联的景象,有数以万亿计的智能设备,传感器都互相连接以获得最佳性能。WBkEETC-电子工程专辑

这种紧迫的MEMS传感器短缺可能成为设备制造商的主要瓶颈。幸运的是,一家英国电子公司已经取得了突破性进展,它通过消除制造MEMS的专属工艺来解决这个问题。取而代之的是,Nanusens发明了一种使用标准的CMOS工艺来制造MEMS的技术,这样它就可以使用任何晶圆厂生产所需数量的MEMS。WBkEETC-电子工程专辑

现今的MEMS设备内包括一个在硅片上形成传感器的运动部件,以及另一个含有控制电路的芯片。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,内部有微小的移动机械部件,是需要专有工艺处理的部件,是阻止生产量快速增加的限制因素。WBkEETC-电子工程专辑

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Nanusens将MEMS缩小以在CMOS层中建构纳米传感器WBkEETC-电子工程专辑

然而,在实践中,释放的金属MEMS结构由于金属中的应力而变形,而这只是当金属释放到产生的空隙中时产生的一个问题。因为CMOS工艺从未被设计成以这种方式来释放金属层。Nanusens的团队花了数年时间研究和完善释放时能够稳定的MEMS结构。由于这些结构及其变体非常特殊,因此Nanusens取得其专利,以保护其在CMOS中建构MEMS所取得的突破。WBkEETC-电子工程专辑

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Nanusens所创造的MEMS结构比目前的MEMS结构小10倍,有效地将它们从微观领域带入纳米尺度,使它们成为NEMS(纳米机电系统)。其中,一个NEMS运动传感器结构只有100到150微米,占芯片面积的不到10%,其余的是其控制电路。WBkEETC-电子工程专辑

最初,Nanusens将只生产一种两轴运动传感器。但是,由于其传感器结构非常小,而制作它们的方法都是相同的,所以很容易在同一芯片上包含几种不同类型的传感器结构。另一个好处是,控制电子设备可以重复使用,这样随着传感器结构的增加,芯片的总体尺寸只会稍微增加。WBkEETC-电子工程专辑

因此,Nanusens通过使用标准的CMOS生产工艺,同时解决了成本限制因素(现行大规模的生产可以降低价格)和批量生产(可以在任何工厂生产)来解决MEMS增长的瓶颈。这也意味着Nanusens已经打破了MEMS收缩屏障,NEMS可以像其他电子芯片一样收缩,因为它们现在位于同一个CMOS收缩路线图上。Nanusens目前正在使用0.18微米的CMOS工艺,这是一个主要工艺,经过完全调试和支持的节点,没有理由不使用越来越小的节点来生产未来的传感器。WBkEETC-电子工程专辑

Nanusens释放出更多设计空间

此外,这种新的纳米传感器技术还有其他好处,特别是对智能设备的设计者,尤其是便携式或可穿戴产品,更具有吸引力。最终的包装产品会比目前的同类产品小得多。目前的MEMS设计需要两个芯片,封装后体积为4立方毫米。Nanusens NEMS解决方案只是一个单芯片,因此封装体积要小得多,只有1mm3。节省3mm3在空间非常珍贵的应用中尤为重要,这就是为什么该公司的第一个目标市场是耳塞式耳机的原因。WBkEETC-电子工程专辑

使用纳米传感器可以解决耳塞式耳机的两个问题。第一种是操作时间,因为较小的外形要素,意味着电池也小。每更换一个传感器节省3立方毫米的空间,可以使用更大的电池获得更长的收听体验。当Nanusens将多个传感器组合成一个设备时,节省的成本会更多。WBkEETC-电子工程专辑

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另一个问题是,设计师们想把越来越多的传感器放进耳塞式耳机里,但却碰到空间的问题。纳米传感器消除了这一障碍,这样就可以增加传感器,通过使耳塞式耳机能够检测何时关闭以节省电能,进而提高电池的使用时间。例如,运动传感器检测它们是否在耳朵里,而温度传感器检查它们是否在耳朵里,而不是在口袋里。WBkEETC-电子工程专辑

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使用Nanusens的纳米传感器可释放耳塞式耳机的内部空间,可容纳较大电池及更多功能WBkEETC-电子工程专辑

缩小微机电系统还有另一个好处,当前的MEMS结构的特征尺寸大于1微米,而NEMS结构的特征尺寸为0.3微米,因为它们是由0.18微米的工艺节点所制成。这意味着NEMS结构能够更能承受冲击,这对于经常掉落的可穿戴设备非常重要。这种更高的可靠性是因为NEMS中的载荷质量比MEMS中的小得多,而较小的质量在冲击条件下的损伤更小。负载质量悬浮在弹簧上,使用电容变化检测负载质量的任何移动。此外,较小的结构不太容易受到短距离力的影响,例如范德瓦尔力,它可以将其表面约束在一起,从防止零件移动。WBkEETC-电子工程专辑

使用这项技术制作的工程样品已经制作并测试过了。样品将于2019年9月交付,这将是Nanusens的第一个产品,一个二轴的运动传感器。其他传感器将在2020年迅速推出,因为各种传感器的工作原理是相同的,并且都使用相同的制造工艺WBkEETC-电子工程专辑

这也意味着Nanusens可以在同一芯片上组合不同的传感器。它已经在与一些业界领头的公司讨论他们的设计所需的传感器组合。位于中国深圳的Nanusens产品经理Albert Chung补充道:“设计师们对于能够在一个小包装中使用多传感器解决方案感到非常兴奋。这为创建智能设备开辟了全新的机会,无需为众多传感器封装占用大量空间和PCB空间而苦恼。”WBkEETC-电子工程专辑

Strategy AnalyTIcs手机组件技术服务部主管Stuart Robinson说:“如果MEMS对你来说不够小,那么NEMS应该能满足你,Nanusens将MEMS技术带到一个更小的层级,在CMOS内部开发了纳米级传感器,可以集成在与传感器控制电路相同的硅片中。对于某些应用来说,这并不是什么大问题,但对于拥有多个传感器的小型设备,如加速度计、陀螺仪、压力和湿度传感器来说,它是能改变游戏规则的。节省空间的传感器为其他部件(如更大的电池)留出了更多的空间。在某些设备中,每立方毫米都很重要,所以Nanusens在这里是赢家。WBkEETC-电子工程专辑

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