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對于使用微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）技術(shù)的半導(dǎo)體產(chǎn)品的需求和應(yīng)用在早年就已廣泛擴(kuò)展了。MEMS具有立體可移動(dòng)結(jié)構(gòu)特性，可以實(shí)現(xiàn)機(jī)械移動(dòng)，且與各種電路一起封裝在硅襯底上。采用這種結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)如下功能：將物理量 （壓力、溫度、加速度、等等）轉(zhuǎn)換成電信號的傳感器。通過接收電信號進(jìn)行機(jī)械動(dòng)作的執(zhí)行器。

20世紀(jì)80年代，MEMS產(chǎn)品就已經(jīng)研發(fā)成功。然而，因?yàn)榕c傳統(tǒng)的使用CMOS工藝的半導(dǎo)體相比MEMS的晶片制作過程極其復(fù)雜，并且MEMS封裝需要特殊工藝，使得MEMS的標(biāo)準(zhǔn)化和低成本化制造變的十分困難。因此，MEMS產(chǎn)品只用于有限的目的和應(yīng)用。

最近，一種適用于大規(guī)模生產(chǎn)小型化和高性能MEMS產(chǎn)品的技術(shù)被開發(fā)出來了，其結(jié)果使MEMS產(chǎn)品在家庭和辦公電子設(shè)備中的使用率大大增加，比如數(shù)碼相機(jī)和智能手機(jī)，包括汽車發(fā)動(dòng)機(jī)控制、醫(yī)療設(shè)備、噴墨打印機(jī)的傳統(tǒng)應(yīng)用。該 MEMS產(chǎn)品市場在未來幾年有望繼續(xù)以每年10％到15％的速度增長，預(yù)計(jì)將從目前的￥920萬億擴(kuò)大到￥1.7兆（此預(yù)估 由Yole Development評定）。

2012年1月，村田制作所收購了一家芬蘭的MEMS制造公司VTI。VTI并將其名字改成了村田電子并成為了村田的一員。村田電子提供的高性能和高可靠性的MEMS傳感器使用的是村田原創(chuàng)的3D-MEMS（三 維MEMS）技術(shù)，可對應(yīng)不同的市場和應(yīng)用。

村田制作所的MEMS 傳感器

物體的運(yùn)動(dòng)可以 通過6個(gè)運(yùn)動(dòng)組合來表示，即沿著X軸、Y軸 和Z軸平行運(yùn)動(dòng)和圍繞著每個(gè)軸做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

村田制作所可提供能感知平行運(yùn)動(dòng)（線性加速度）的加速度傳感器，還可提供可以感應(yīng)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)（角速度）的陀螺儀，通過它們的 高精度運(yùn)動(dòng)感應(yīng)和高可靠性的特點(diǎn)，這些設(shè)備可用于汽車和船舶的姿態(tài)控制，工業(yè)傾斜測量設(shè)備和醫(yī)療應(yīng)用。

本篇文章將為您詳細(xì)介紹村田原創(chuàng)的高精度高可靠性的傳感器3D-MEMS。加速度傳感器和陀螺儀高精度和高可靠性的特性也將在文章中一一贅述。

3D-MEMS技術(shù)

例一是使用了3D-MEMS技術(shù)的設(shè)備。 這個(gè)MEMS設(shè)備包括一個(gè)硅片層，做為可動(dòng)裝置的一部分，和一個(gè)蓋晶片層，它從頂部到底部夾著硅晶片來粘合和密封晶片。這種可動(dòng)裝置的質(zhì)量塊和梳狀電極通過彈簧連接支撐在框架上。質(zhì)量塊和梳狀電極的運(yùn)動(dòng)可以通過檢測蓋晶片或者梳狀電極之間的電容變化來得知。村田制作所已采用了通過3D-MEMS實(shí)現(xiàn)的平臺(tái)技術(shù)巧妙結(jié)合的思路，只為讓所有產(chǎn)品都能實(shí)現(xiàn)高精度的檢測。

所以，村田能夠使用穩(wěn)定的制造工藝生產(chǎn)高可靠性的傳感器，并且設(shè)定合理的售價(jià)。

3D-MEMS技術(shù)的主要特點(diǎn)說明如下。

原創(chuàng)via結(jié)構(gòu)

村田制作所在其量產(chǎn)的MEMS產(chǎn)品的引出電極的部分采用了via結(jié)構(gòu)，比其他廠商都早先一步。村田原創(chuàng)的via結(jié)構(gòu)在引出電極之間通過使用硅形成空腔，與玻璃絕緣，同時(shí)使電極之間實(shí)現(xiàn)高絕緣阻抗和低寄生電容，使得傳感器具有高精度、高可靠性和低功耗的性能。 此外，這種via結(jié)構(gòu)使得它能從任意位置提取電極，這使得產(chǎn)品在設(shè)計(jì)方面具有很大的靈活性，也有助于產(chǎn)品的進(jìn)一步小型化設(shè)計(jì)。

高精密型空腔控制技術(shù)

3D-MEMS另一個(gè)結(jié)構(gòu)上的重要特點(diǎn)是在可動(dòng)部分和蓋晶片之間有一個(gè)2.5微米窄的空腔，這使得高精度電容值測量成為可能。該空腔是由一個(gè)非常平整的晶片通過高精密的拋光刻蝕技術(shù)和高精度的晶片鍵合技術(shù)（將在后面描述）實(shí)現(xiàn)的。 該空腔控制技術(shù)確保了活動(dòng)部分上下方向移動(dòng)時(shí)的高精度感應(yīng)，實(shí)現(xiàn)更高的性能和裝置的小型化。

原子水平的氣密密封

可動(dòng)部分和蓋晶片是通過玻璃和硅的陽極鍵合或是通過硅和氧化硅直接鍵合來固定在晶片級上的。這兩種鍵合方法都可以實(shí)現(xiàn)固體之間的鍵合，從而實(shí)現(xiàn)了質(zhì)量塊移動(dòng)時(shí)空腔具有氣密密封性，有助于實(shí)現(xiàn)更高的可靠性。

在一般情況下，有時(shí)晶片鍵合工藝會(huì)導(dǎo)致偶發(fā)性的器件的鍵合缺陷。為了防止這種缺陷產(chǎn)品被銷售到市場上，村田以多種方法在發(fā)貨前嚴(yán)格執(zhí)行對設(shè)備100%的檢查，確保無不良品出廠。村田制作所同樣致力于實(shí)現(xiàn)MEMS結(jié)構(gòu)的高精度和高可靠性。接下來通過例舉加速度感器和陀螺儀的設(shè)計(jì)過程中的實(shí)例來說明我們在這部分的努力。

加速度傳感器

加速度傳感器的主要原理如下（圖1、例2和例3）：一個(gè)由彈簧支撐的質(zhì)量塊，存在加速度時(shí)能夠在與加速度一致的方向進(jìn)行位移，該位移可根據(jù)檢測質(zhì)量塊和蓋晶片之間電容值的變化轉(zhuǎn)換成電信號。村田通過使用獨(dú)特的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了在一個(gè)產(chǎn)品中封裝四個(gè)質(zhì)量塊。擁有四個(gè)質(zhì)量塊可以通過額外的傳感軸來獲得信息，使測得的三軸（X，Y和 z軸）上的數(shù)據(jù)更加真實(shí)可靠。提高了檢測的自由度。

村田制作所通過采用額外軸的優(yōu)勢開發(fā)了一種連續(xù)的自我診斷方式。使用這種創(chuàng)新的技術(shù)， 村田制作所的傳感器能充分滿足客戶對于用于汽車和其他應(yīng)用需要高可靠性的需求。

陀螺儀

村田的陀螺儀是通過物體進(jìn)行繞軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，并且通過檢測物體旋轉(zhuǎn)軸方向與物體本身運(yùn)動(dòng)方向兩個(gè)方向夾角的變化來檢測物體受到的力（或科里奧利力）。科里奧利力是非常小的，MEMS結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵因素在于如何消除外部的影響和干擾。村田制作所給出了一套完美的解決方案。（圖2）

通過獨(dú)特的結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了高精度的位移監(jiān)測。在一根細(xì)彈簧兩端連接兩個(gè)質(zhì)量塊（圖4的左圖），并且在兩個(gè)質(zhì)量塊的四個(gè)點(diǎn)取得信號（圖4的右圖）。通過對這四個(gè)信號進(jìn)行算術(shù)運(yùn)算，在任何方向上的線性加速度和轉(zhuǎn)動(dòng)加速度都可以完全被消除。結(jié)果就獲得了純的科里奧利力。

組合傳感器

特別是在汽車市場上，為了實(shí)現(xiàn)高精度的車身姿態(tài)控制，對組合了陀螺儀信號和加速度信號的組合陀螺儀傳感器的需求特別大。造成這種需求的原因有很多。原因之一是，在許多發(fā)達(dá)國家開始立法要求新汽車必須配置有安全功能， 如電子穩(wěn)定控制系統(tǒng)（ESC），防抱死制動(dòng)系統(tǒng)（ABS），和輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)（TPMS）。另一個(gè)原因是新的功能，諸如電駐車制動(dòng)器（EPB）和上坡起動(dòng)幫助 （HAS），正在一個(gè)接一個(gè)被開發(fā)出來。村田制作所已經(jīng)發(fā)布了包含兩個(gè)傳感器組合在單個(gè)封裝中的傳感器（圖3，圖5）。 村田還將繼續(xù)擴(kuò)大組合傳感器的產(chǎn)品陣容以滿足這些新的需求。

結(jié)語

村田制作所針對具體的目標(biāo)應(yīng)用已經(jīng)研發(fā)出了具有高精度高穩(wěn)定性的MEMS傳感器。除了制造工藝和本文中介紹的MEMS的設(shè)計(jì)，這一思想也已經(jīng)徹底滲透進(jìn)專用集成電路（ASIC）的設(shè)計(jì)和封裝設(shè)計(jì)中。因此，村田的MEMS傳感器可為汽車、船舶、工業(yè)制造、醫(yī)療應(yīng)用以及其他要求嚴(yán)格的應(yīng)用提供全面的可執(zhí)行方案。

MEMS技術(shù)還具有其他更加廣泛的應(yīng)用潛力，未來備受矚目。村田將MEMS作為未來的核心技術(shù)之一并且計(jì)劃提升發(fā)展框架和客戶服務(wù)能力以便繼續(xù)向市場提供尖端的MEMS產(chǎn)品。