MEMS器件的案例
一期一會 | 什么是MEMS器件？
微型機電系統（MEMS）是介于電子器件和機械器件之間的微米級系統。在MEMS器件中，電信號會輸入到器件中，然后輸出是一個機械響應，反之亦然（機械輸出將對應電信號輸入）。不過，MEMS始終需要具備機械功能，即便其內部的機械結構并沒有明顯的運動。因此，盡管包含先進的電子器件，但它們通常會被稱為機械系統。
MEMS包含大量微型化電子元件及機械結構，其中包括致動器、微傳感器、懸臂、微鏡、薄膜、小型通道、開關、空腔，以及作為MEMS的“大腦”和控制中心的微電子集成電路（IC）。一般情況下，由硅基板構成IC，然后上面會添加其它微系統組件。
MEMS技術問世已有數年，而且隨著“小型化”技術發展趨勢，其被視為電子技術的未來。這是因為MEMS制造是基于當前使用的現有半導體微加工技術，例如表面微加工、光刻和干式蝕刻等。
盡管MEMS現在是一項極為成熟的技術，但直到2006年任天堂在其Wii遙控器中使用了基于MEMS的加速計，其才有了大量的商業應用。從那時起，MEMS器件在許多應用領域和工業領域都得到了普及。通過這一擴張和市場滲透，現在已出現了種類繁多的MEMS器件，它們能夠集成和組合許多具有不同電氣和機械特性的小型部件和組件，從而構建出獨特的高性能微米級系統。
MEMS器件的類型
許多MEMS器件都具有傳感、致動或諧振功能，可充分利用高級半導體制造技術來構建具有低功耗的高精度小型輕量級器件。
許多MEMS器件被應用在傳感器和致動器領域。這兩個領域之間的主要區別在于：傳感器會將非電信號（如機械信號）轉換為電氣輸出，而致動器則將接受電信號并將其轉換為機械運動。
展開 MEMS器件多物理場耦合仿真分析
作者在ANSYS Workbench平臺上，利用ANSYS Mechanical 和ANSYS ACT對MEMS器件（包括微鏡）進行仿真模擬，解決了MEMS器件相關的多場耦合和結構非線性問題。
微鏡是以單獨或陣列形式用于顯示器、便攜式投影儀及其他光學設備的MEMS器件。為了聚焦光線于一組微鏡，每個反射鏡須隨應用情況旋轉角度，調節反射鏡旋轉角度會涉及到側向偏移和扭轉兩種運動。
為解決這兩種運動引起的問題，Ozen Engineering用ANSYS Mechanical和ANSYS ACT開發了新的仿真過程，以改良MEMS微鏡，促進其廣泛應用。
挑戰
許多MEMS器件如開關、陀螺儀和微鏡都會經歷大轉動。這些器件中的開關通常是兩端受約束并發生側向偏移。
這兩種情況都會在有限元模擬中引入幾何非線性效應，但引入幾何非線性效應后會出現以下兩個主要現象：
l 大撓度
當單元方向因轉動而改變時，局部剛度會向整體轉換。單元應變產生明顯的面內應力（膜應力）時，面外剛度顯著改變。
l 有應力剛化的大撓度
大的膜應力（SX）引起的硬化響應。隨著垂直撓度的增加（UY），較大的膜應力（SX）導致剛化響應。
許多MEMS器件會同時表現出大撓度和應力剛化。在模擬過程中，如果不對這兩個現象進行適當的處理，求解的結果將會出現明顯偏差。
另一個影響因素被稱為初始應力。其來自于MEMS制造過程，通常會在器件中留下明顯的殘余應力。殘余應力顯著影響器件在吸合電壓、特征頻率和偏轉方面的性能特征。因此我們可以為選定的有限元指定初始應力狀態，以模擬殘余應力。
展開 MEMS器件多物理場耦合仿真分析
編者按
作者在ANSYS Workbench平臺上，利用ANSYS Mechanical 和ANSYS ACT對MEMS器件（包括微鏡）進行仿真模擬，解決與MEMS器件相關的多場耦合和結構非線性問題。
微鏡是以單獨或陣列形式用于顯示器、便攜式投影儀及其他光學設備的MEMS器件。為了聚焦光線于一組微鏡，每個反射鏡須隨應用情況旋轉角度，調節反射鏡旋轉角度會涉及到側向偏移和扭轉兩種運動。
為解決這兩種運動引起的問題，Ozen Engineering用ANSYS Mechanical和ANSYS ACT開發了新的仿真過程，以改良MEMS微鏡，促進其廣泛應用。
挑戰
許多MEMS器件如開關、陀螺儀和微鏡都會經歷大轉動。這些器件中的開關通常是兩端受約束并發生側向偏移。
這兩種情況都會在有限元模擬中引入幾何非線性效應，但引入幾何非線性效應后會出現以下兩個主要現象：
大撓度
當單元方向因轉動而改變時，局部剛度會向整體轉換。單元應變產生明顯的面內應力（膜應力）時，面外剛度顯著改變。
有應力剛化的大撓度
大的膜應力（SX）引起的硬化響應。隨著垂直撓度的增加（UY），較大的膜應力（SX）導致剛化響應。
許多MEMS器件會同時表現出大撓度和應力剛化。在模擬過程中，如果不對這兩個現象進行適當的處理，求解的結果將會出現明顯偏差。
另一個影響因素被稱為初始應力。
展開 讀懂十大國產MEMS廠商技術路線
在3月初舉辦的2023年中國MEMS制造大會（China MEMS 2023）上，公布了“2021中國MEMS十強企業”名單。該名單由中國半導體行業協會根據行業季度統計報表及各地方協會統計數據評選出。
今天我們就借用智慧芽研發情報庫，從技術研發的角度分析下這十家中國MEMS頭部企業各自的技術發展路線。（文章內企業排名不分先后）
一、歌爾微電子股份有限公司
歌爾微電子成立于2017年，前身為歌爾股份有限公司微電子事業群，2021年變更為歌爾微電子股份有限公司。該公司是一家以MEMS器件及微系統模組研發、生產與銷售為主的半導體公司，業務涵蓋芯片設計、產品開發、封裝測試和系統應用等產業鏈關鍵環節，可為客戶提供“芯片+器件+模組”的一站式產品解決方案。
從技術上看，歌爾微電子近幾年的技術主要布局于傳感器、麥克風、壓電陶瓷、聲能轉換等細分技術領域，致力于提高MEMS麥克風信噪比、改善MEMS麥克風聲學性能、實現MEMS麥克風定位功能等。
二、瑞聲聲學科技（深圳）有限公司
瑞聲科技成立于1993年，在聲學、光學、觸感、傳感器及半導體、精密制造等領域擁有強大的綜合競爭力，致力于為智能設備提供領先的微型專有技術解決方案，在聲學、光學、觸覺反饋、精密制造、微機電、無線射頻和天線領域擁有材料研發、仿真、算法、設計、自動化以及工藝開發等尖端技術。
從技術上看，瑞聲科技近幾年的技術主要布局于電聲轉換、麥克風、發聲器件、揚聲器等細分技術領域，致力于提高麥克風靈敏度、提升發聲器件聲學性能、提高麥克風可靠性等。
三、河北美泰電子科技有限公司
美泰科技成立于2011年，隸屬于大型央企中國電科，致力于MEMS器件與系統的研發、生產和銷售。
展開 
車規級電子元器件AEC-Q認證測試——華碧實驗室
汽車新“四化”對車規級電子元器件產生了爆發式的需求，同時對其質量和可靠性也有更高的要求；但是由于市場上國產器件沒有足夠的驗證數據，難以確認其可靠性，導致國產器件的采用仍然相對保守。
AEC-Q作為國際通用的車規級電子元器件測試規范，成為車用元器件質量與可靠性的標志，電子元器件AEC-Q認證測試，對提升產品競爭力，并快速進入供應鏈具有重要作用。
華碧實驗室是國內領先的集檢測、鑒定、認證和研發為一體的第三方檢測與分析的新型綜合實驗室，擁有豐富的車規級電子認證經驗，已成功幫助300多家企業順利通過AEC-Q系列認證。
華碧實驗室以車企車規芯片國產化需求為牽引，依托國產半導體產業基礎，提供完善的檢測認證服務，通過AEC-Q100車用標準嚴格把控汽車芯片安全質量，助力國產車規級芯片大力發展，為打造智能汽車安全體系再添新動力。
服務范圍：
集成電路、半導體分立器件、光器件、MEMS器件、MCM模組、阻容感晶振等無源電子元件。
檢測標準：
l AEC-Q100：適用于各類集成電路芯片；
l AEC-Q101：適用于BJT、MOSFET、IGBT、Diodes、Rectifier、Zeners、PIN、Varactors等分立器件；
l AEC-Q102：適用于LEDs、Optocoupler、Photodiodes、Phototransistors等光器件；
l AEC-Q103:適用于壓力傳感器、麥克風等MEMS器件；
l AEC-Q104：適用于各類多芯片組件MCM；
l AEC-Q200：適用于各類電容器、電阻器、電感器、變壓器、阻容網絡、保險絲等元件；
展開 MEMS 器件的仿真優化---降低微鏡的阻尼損耗
因此，許多行業將微鏡廣泛用于 MEMS 應用。為了在設計微鏡時節省時間和成本，工程師可以通過 COMSOL 軟件準確計算熱阻尼和粘滯阻尼，并分析器件的性能。
微鏡的廣泛應用
將微鏡想象成吉他上的一根弦，弦很輕很細，當你撥動它時，周圍空氣會抑制弦的運動，使它回到靜止狀態。
微鏡具有廣泛的潛在應用。比如，微鏡可用于控制光學元件，由于具有這種功能，它們在顯微鏡和光纖領域非常有用。微鏡常用于掃描儀、平視顯示器和醫學成像等領域。此外，MEMS 系統有時還將集成掃描微鏡系統用于消費者和通信應用。
HDTV 微鏡芯片近觀圖。
在開發微鏡致動器系統時，工程師需要分析其動態振動現象和阻尼，這兩方面都會極大地影響器件的運行。仿真提供了分析這些因素的有效方法，能夠以具有成本效益的方式及時、準確地預測系統的性能。
你可以結合使用結構力學模塊和聲學模塊的各種特征來實現 MEMS 的高級分析，這兩個模塊是 COMSOL Multiphysics 仿真平臺的附加產品。下面我們來看看振動微鏡的頻域（時諧）和瞬態分析。
對振動微鏡執行頻域分析
我們建立一個理想化系統模型，它由一個被空氣包圍的振動硅微鏡組成，硅微鏡的尺寸為 0.5 x 0.5 mm，厚度為 1 μm。此模型中的一個關鍵參數是穿透深度；即粘性邊界層和熱邊界層的厚度。在這些層中，能量通過粘性阻力和熱傳導消散。粘性邊界層和熱邊界層的厚度通過以下穿透深度比例表征：
其中， 是頻率， 是流體密度， 是動態粘度， 是熱傳導系數， 是恒壓熱容，是無量綱普朗特數。
對于空氣，當系統在 10 kHz 頻率（此模型的典型頻率）下被激勵時，粘性邊界層和熱邊界層的厚度分別為 22 μm 和 18 μm。這兩個厚度與幾何結構比例（如微鏡厚度）相當，這意味著必須考慮包含熱損耗和粘性損耗。
展開 Adv.》論文：基于負拉阻應變傳感器的自適應心臟光遺傳器件
該研究成果是劉景全團隊在可植入MEMS器件領域的又一突破性工作，劉景全團隊長期致力于可植入/可穿戴MEMS器件和腦機接口器件研究（Adv. Mater. 2021、SMALL 2019和BIOSENS BIOELECTRON 2020等），并推動其臨床轉化。
原文鏈接：
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abj4273
工業自動化中MEMS傳感器的關鍵作用
但是小批量和批量生產會給組織帶來巨大的成本，企業可在工業自動化領域探索新技術和新機遇，這機遇便是微電子機械系統（MEMS）。繼機電一體化之后，便是微型機電一體化的時代。
MEMS體現了一種先進的半導體技術，它包括單個芯片上的移動元件和電子元件，它致力于將集成電路（IC）制造技術（如互補金屬氧化物半導體（CMOS）、BiCMOS（雙極結晶體管和CMOS技術的集成）與創新的硅微加工444結合在一起。
MEMS技術提供的可靠性、可擴展性、靈敏度和成本效益高的解決方案為工業自動化領域提供了大量的MEMS應用機會。
工業微型機電一體化時代則是MEMS技術對工業機器人尤其有利，因為該技術可以應用于觸覺傳感器、導航或接近傳感器。由于商業可行性較低的趨勢以及某些非MEMS近距離傳感技術在工業領域的根深蒂固，在將MEMS技術應用于制造接近或位置傳感器方面的研究受到限制。然而，MEMS技術允許開發或生產成本較低的觸覺傳感器，使機器人能夠獲得感官信息，以便以更通用、自主的方式做出決策和執行動作。微型化的趨勢為多傳感器在機器人、制造過程、過程控制以及生物技術和生命科學等領域的應用帶來了機遇。
MEMS的關鍵技術驅動因素
成本：最初采用MEMS技術的主要驅動因素是成本。MEMS技術具有降低成本的巨大潛力，因為它可以很容易批量制造。例如，模擬設備公司的制造方法已經標準化，每年能運送數百萬個加速計。與傳統的傳感器制造相比，該工藝流程簡化，且所需的勞動力更少。
多用戶MEMS工藝（MUMPS）是一種標準化的表面微機械加工技術，它是利用MEMSCAP中的多晶硅來制造MEMS器件的最廉價的制造技術之一。硅是制造MEMS器件的主要材料，它可以使MEMS制造非常經濟高效，因此利潤非常可觀。
展開 激光共聚焦和白光干涉儀哪個好？
2、應用：半導體制造及封裝工藝檢測、3C電子玻璃屏及其精密配件、光學加工、微納材料及制造、汽車零部件、MEMS器件等超精密加工行業及航空航天、科研院所等領域中。
激光共聚焦顯微鏡
激光共聚焦顯微鏡是具備3D真彩圖像的納米級光學輪廓儀。它利用激光的單色性和相干性，通過共聚焦的方式將激光束聚焦到樣品上，具有非常高的分辨率和靈敏度，能夠測量傾斜角近乎90度的漫反射斜坡面形貌，尤其擅長大坡度、低反射率的粗糙表面形貌測量。
1、優點
色彩斑斕的成像：提供色彩斑斕的真彩圖像，便于觀察和分析。
微納級粗糙輪廓檢測：擅長微納級粗糙輪廓的檢測，雖然在檢測分辨率上略遜于白光干涉儀，但成像效果更佳。
逐點掃描：逐點掃描的方式，能夠提供高分辨率的圖像。
2、應用：半導體制造及封裝工藝檢測、3C電子玻璃屏及其精密配件、光學加工、微納材料制造、汽車零部件、MEMS器件等超精密加工行業及航空航天、科研院所等領域中。
在選擇激光共聚焦顯微鏡還是白光干涉儀時，應考慮以下因素：
1、分辨率和成像深度：如果需要對樣品進行深層三維成像，激光共聚焦可能是更好的選擇。
2、測量類型：對于需要精確表面形貌測量的應用，白光干涉儀可能更加適合。
3、速度：白光干涉儀通常能提供更快的測量速度，適合于工業在線檢測。
4、操作便利性：某些激光共聚焦系統可能需要專業的操作和分析軟件，而白光干涉儀可能更易于操作。
總的來說，兩種儀器各有千秋，選擇時應基于測量需求、樣品特性以及預算等因素綜合考慮。
展開 從微納米到百米測量，中圖國產智能精密測量儀器著力突破核心技術，增強高端供給
可廣泛應用于Wafer制造及封裝工藝檢測、3C電子玻璃屏及其精密配件、光學加工、顯示面板、MEMS器件等超精密加工行業。
有圖晶圓關鍵尺寸及套刻量測系統
是一款集成高精度平面尺寸檢測和亞納米級表面3D形貌測量的光學檢測儀器，同時滿足大范圍多區域的高精度全自動檢測，優異的重復性及效率有效減少人為誤差及人員投入。可廣泛應用于芯片、半導體制造及封裝工藝檢測、精密配件、光學加工、微納材料及制造、MEMS器件等超精密加工行業，對器件表面進行非接觸式掃描并建立表面3D圖像，能夠對芯片Z向實現微納尺度的3D掃描和重建，精確測量表面的高度輪廓尺寸；全自動上下料平臺，配置掃描槍，高效實現產線全自動化生產。
4、強化人才培養
中圖儀器攜手深圳職業技術學院，共同培養集成電路創新型技術技能人才。雙方就校企聯合開發、人才培養、實訓基地等方面進行了深入的交流并達成初步合作共識，2023年2月20-24日，第一批精英實訓班圓滿結課。
中圖儀器堅持以技術創新為發展基礎，擁有一支集光、機、電、信息技術于一體的技術團隊。歷經20年的技術積累和發展實踐，研發出了基礎計量儀器、常規尺寸光學測量儀器、微觀尺寸光學測量儀器、大尺寸光學測量儀器、常規尺寸接觸式測量儀器、微觀尺寸接觸式測量儀器、行業應用檢測設備等全尺寸鏈精密儀器及設備，能提供從納米到百米的精密測量解決方案。
未來，中圖儀器仍將繼續專注于精密測量檢測技術的發展，自強不息、知難而上、勇于創新，為中國制造技術的快速發展貢獻力量！
展開 白光干涉儀測量原理及干涉測量技術的應用
（2）微機電系統（MEMS）研究：MEMS 器件的尺寸通常在微米或納米級別，其表面形貌和結構對器件的性能和可靠性有著重要的影響。白光干涉儀可以用于 MEMS 器件的表面形貌測量、結構尺寸測量、薄膜厚度測量等，為 MEMS 器件的設計、制造和性能評估提供重要的技術支持。而雙重防撞保護功能為 MEMS 研究中的高精度測量提供了可靠保障，防止因意外碰撞導致儀器精度下降甚至損壞。
3、在其他領域的應用：
航空航天領域：在航空航天領域，白光干涉儀可用于飛機發動機葉片的表面形貌測量、飛機機身的表面平整度檢測、衛星零部件的尺寸精度測量等，為航空航天設備的制造和維護提供高精度的檢測手段。在這個對精度要求極高的領域，具備雙重防撞保護功能的白光干涉儀能夠確保測量過程的安全可靠，為航空航天事業的發展提供有力支持。
雙重防撞保護，給精密測量多一份保障
白光干涉儀作為精密測量儀器，其雙重防撞保護功能的重要性不言而喻。在各種復雜的測量環境中，無論是工業生產、科學研究還是其他領域，都可能面臨意外碰撞的風險。而SuperViewW白光干涉儀防撞機械電子傳感器和軟件 ZSTOP 防撞保護功能的雙重保障，能夠有效地保護儀器免受損壞，確保測量結果的準確性和可靠性。這不僅為用戶節省了維修成本和時間，更保證了工作的連續性和高效性，為各個領域的發展提供了堅實的技術支持。
展開 
MEMS氣體傳感器類型以及優勢
MEMS技術的進步，為氣體傳感器的集成化提供了堅實的基礎，毋庸置疑，基于MEMS的設計方案將成為未來氣體傳感器的主要發展方向之一。
目前，市場上以單晶硅材料為襯底，非硅材料為敏感層的MEMS氣體傳感器最為常見，今天工采網小編就給大家介紹一下市場上常見的MEMS氣體傳感器類型。
1、MEMS電導型氣敏傳感器
MEMS電導型氣敏傳感器的敏感材料是金屬氧化物半導體或導電聚合物，使用最多的金屬氧化物半導體是二氧化錫，其次是二氧化鈦、氧化鋅等。為提高氣敏傳感器靈敏度和選擇性，往往會向金屬氧化物中加入催化劑，如鉑、鈀等貴金屬或合適的金屬氧化物。
當敏感材料暴露于被測氣體中，氣體會與它們發生反應，引起電導率或電阻率的變化，產生的電信號經過信號處理后，輸出為可識別氣體成分或氣體濃度的信號。
MEMS金屬氧化物半導體氣敏傳感器采用微電子技術的成膜工藝在硅襯底上淀積金屬氧化物敏感層，利用敏感層下的電阻做加熱器，利用二極管做測溫元件，必要的信號電路和讀出電路也可以集成在同一硅芯片上。
MEMS微氣體傳感器的制作工藝如圖所示，其特點在于將加熱電極、絕緣層和測試電極一層一層依次堆積疊加在一起。
2、MEMS固體電解質氣敏傳感器
固體電解質氣敏傳感器有電流型和電壓型兩種，電流型的靈敏度高，測量范圍大，溫漂小。但它的輸出電流和敏感性能與電極尺寸關系密切。傳統的燒結體型器件難于控制電極尺寸，因而輸出的電流和敏感性能也難于控制。由于MEMS技術制作的器件電機尺寸精度高，因而MEMS固體電解質電流型氣敏傳感器性能優異。
目前基于“三明治”結構的傳感器，可以實現MEMS工藝的兼容與加工，解決了傳統固體電解質式氣體傳感器工藝兼容性差、器件結構復雜等問題。
展開 白光干涉儀：表面粗糙度形貌臺階高測量解決方案
在微機電系統（MEMS）制造中，也經常需要測量微小結構的臺階高度，以保證MEMS器件的性能和可靠性。
白光干涉儀測量材料表面三維形貌
應用領域：白光干涉儀在半導體制造、3C電子、光學加工、微納材料制造、汽車零部件、MEMS器件等超精密加工行業中有廣泛應用 。
8. 圖像拼接技術：為了擴大測量視野范圍，白光干涉儀可以采用圖像拼接技術，通過軟件處理將多個測量區域的數據拼接成一個完整的三維形貌圖 。
9. 表面參數表征：白光干涉儀能夠測量并分析表面粗糙度、臺階高度、幾何輪廓等參數，為材料表面質量提供全面的評估。
10. 硬件構成：白光干涉儀的系統構成通常包括光學照明系統、光學成像系統、垂直掃描控制系統和信號處理系統 。
綜上所述，白光干涉儀是一種強大的工具，它通過高精度的非接觸式測量，為材料表面三維形貌的分析提供了豐富的數據和深入的洞察。
展開 模擬表面微加工加速度計
表面微加工是一種用于制造加速度計等 MEMS 器件的工藝。本篇博客中，我們模擬了加速度計中的電場和力，并重點介紹了 COMSOL Multiphysics 5.0 版本中新增的一項幾何特征。
表面微加工簡介
在 MEMS 制造技術中，表面微加工因其能將電子元件和可自由移動的機械部件組合在一個基底上而被高度認可。制造過程會從向硅基底頂部沉積薄膜開始。隨后，選擇性蝕刻這些不同的結構層，釋放移動部件，并形成所需的結構。
在 MEMS 器件制造中，這類微加工技術因其低成本和支持大批量生產而被多個應用領域采用，表面微加工加速度計就是其中一個例子。這類加速度計尤其以其在觸發汽車安全氣囊方面的重要應用而出名。
現在我們已經了解了該制造工藝的一些背景信息，讓我們再來看下如何模擬這類器件吧。
表面微加工加速度計模型的開發構件表面微加工加速度計模型基于 Stephen D. Senturia 所撰寫的《Microsystem Design》一書中的一個案例研究。模型使用多晶硅作為開發材料，包括一個兩端由錨式彈簧提供支撐的釋放檢測質量塊，以及一直擴展到器件兩側的傳感和自檢電極。
幾何開發構件包括含有附著電極的檢測質量塊、折疊彈簧，以及固定電極陣列，當在 COMSOL Multiphysics 中構建幾何時，它們被作為一個子序列執行，并能夠保存在一個源模型文件中。其他模型文件可以通過鏈接至源模型文件的子序列來重復使用這些幾何構件。鏈接子序列幾何特征幫助實現了這一點，它是 COMSOL Multiphysics 5.0 版本中新增的一項特征。
子序列可以包括多個自變量，因此支持不同尺寸、取向、位置和特征數量。在以下示例中，兩個電極陣列包含相同的子序列，但自變量設定不同，即電極數量、尺寸，以及每個陣列中錨定板的取向不同。
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