创新的MEMS产品和趋势

MEMS是一个非常独特的形态,与电子和机械的差异性对于正确的使用MEMS很重要。与传统机械器件相比,MEMS具有较大的表面积体积比,静电荷和磁矩产生的力也更为重要。在MEMS尺度上,表面张力和粘度等流体动力学是许多系统的重要设计考虑因素。与分子电子学或纳米技术相比,MEMS通常不需要考虑表面化学状态。MEMS技术可用于从泵到电感器的一系列设备。开关技术是基本MEMS实现的一个很好的例子,可以使用电阻或电容设计。

电阻MEMS开关采用静电控制的悬臂梁,其寿命取决于悬臂的金属疲劳、接触磨损和悬臂变形的发生。电容式MEMS开关使用传感元件(例如移动板)来改变电容并激活开关。

MEMS是一种成熟但仍在不断发展的商业技术。用于监测振动、温度、光以及线性和旋转运动和加速度的各种传感器是一些常见的MEMS应用。它们可以在军事设备、移动电话、车辆以及工业和通信系统中找到。在医疗领域,所谓的bioMEMS被用来感知生物功能,并提供药物和其他疗法。在工业和汽车环境中,它们用于监测振动并通过提供潜在故障和故障的早期警告来帮助防止故障。在电信领域,MEMS用作开关,以及可调谐激光器、可调谐滤波器、光开关、动态增益均衡器、衰减器和其他应用(图1)。
图1:MEMS器件用于可调谐激光器、可调谐滤波器、可变光衰减器(VOA)、光开关和其他先进的通信设备。 

用于电源应用的MEMS

用于可穿戴设备、植入式电子设备和物联网设备的电源转换器的小型化是MEMS电感器发展的驱动力之一。目标是使用封装电源(PwrSIP)和片上电源(PwrSoC)技术提高集成度,以设计提供高效率的微型电源,从而实现高功率密度。

MEMS电感器可以按多种方式分类,例如工作频率、功率处理和几何形状。一种常见的分类是基于绕组相对于基板的位置及其形状,(图2):(i)基板上的2D电感器,进一步细分为螺旋电感器(a)和跑道型电感器(b);(ii)具有磁棒芯(c)的3D基板上螺线管电感器;(iii)2D基板内螺旋电感器(d),以及(iv)3D基板内环形电感器(e)。
图2:MEMS功率电感器可按电感器和基板的几何形状进行分类。(图片:微系统和纳米工程)

MEMS电感器的制造仍然存在挑战。空芯MEMS电感器可用于22MHz(VHF范围)以上的频率,但较低频率需要磁芯。不幸的是,虽然可以使用氮化镓(GaN)功率半导体器件来设计VHF功率电子器件,但磁性材料并没有跟上,而且它们的大磁芯损耗是VHF功率转换器开发的一个制约因素。

PwrSoC集成工作正在转向MEMS封装技术,以实现微型电源转换器的制造。正在探索的方法包括使用引线键合或倒装芯片技术的2D/2.5D封装,以及使用IC垂直堆叠和基于硅通孔的硅中介层的3D封装。与磁性材料的情况一样,这些基于MEMS的封装技术还没有准备好进行商业开发。

MEMS用于超越5G射频

射频MEMS(RF-MEMS)是无源元件,例如提供改进性能的衰减器,包括更好的隔离、更低的功耗、更小和更轻的重量,以及在多GHz应用中的成本更低。最近,RF-MEMS已使用表面微加工工艺制造,该工艺使用由多晶硅和铝保护的两个导电薄膜层,在其上使用电镀金构建实际的MEMS悬浮静电驱动膜(图3)。此外,使用镀金薄膜可将金属与金属的接触电阻降至最低。
图3:基于表面微加工工艺的RF-MEMS技术平台,用于制造用于多GHz应用的多态RF功率衰减器。
 
对更小、更高性能的数GHz器件的需求正在推动RF-MEMS技术的发展。正在开发RF-MEMS设备以帮助解决诸如极低端到端延迟(预计将从5G中的5毫秒降至6G中的1毫秒)等挑战,以及将大规模MIMO(mMIMO)技术缩减为大型智能表面天线(LISA)技术。LISA将在具有大量独立控制的反射表面/天线元件的二维人工结构中使用RF-MEMS技术,以使mMIMO能够适应在30至300GHz范围内运行的小型系统,用于关键应用,例如工业4.0中的车对车通信、远程手术和大规模机器对机器通信。

pMUT和元宇宙

触觉反馈使用力、电信号或声压来产生触觉。当前的设计中使用了空气耦合超声换能器,但它们体积太大而无法广泛采用。相反,正在开发MEMS超声换能器(pMUT)。pMUT将具有与当今空气耦合超声换能器相同的40kHz谐振频率,但体积更小,功耗更低。锆钛酸铅(PZT)用作压电层并使用射频溅射沉积。谐振腔是通过深度反应离子刻蚀释放圆形薄膜形成的。这些pMUT旨在用于大型阵列(图4)。当以70V峰间电压驱动时,单个pMUT可产生0.227Pa的声压。
图4:正在开发pMUT阵列,以为元宇宙提供实时触觉反馈。(图片:MDPI)
 
触觉反馈并不是元宇宙中pMUT的唯一潜在应用。通过对设计进行适当修改,pMUT有望用于悬浮、粒子操纵和光声成像。早期开发pMUT的努力使用聚偏二氟乙烯(PVDF)作为压电层。PVDF的压电系数太低,无法产生所需的声压来产生基于超声波的触觉效果。PZT具有所需的压电系数,可以制造成pMUT,适用于使用现有生产设备集成到便携式设备中。

bioMEMS、μMS和CMUT

微流体和生物MEMS设备正被用于一系列医疗应用,包括样品制备、DNA提取、扩增和鉴定,以及植入式和透皮生物MEMS设备,这些设备可以远程配置以使用微针、MEMS容器自动控制药物输送、微型泵和执行器。

微磁刺激(μMS)使用植入的MEMS微线圈来产生用于局部经颅磁刺激(TMS)的磁场。MEMS线圈足够小,可以直接植入大脑。预计它们将促进大脑狭窄区域的受限激活,并为神经假肢提供微磁刺激感应器。

电容式微机械超声换能器(CMUT)已被开发用于增强和替代当今基于PZT的换能器。在CMOS晶圆上制造的CMUT(CMUT-on-CMOS)可实现更大的带宽,制造具有集成驱动器的大型阵列,并以更低的成本实现大批量超声换能器的生产(图5)。CMUT-on-CMOS是一种高频(1至50MHz)超声技术,可实现高分辨率3D医学成像和可安装在导管内的超小型成像器的开发。
图5:CMUT-on-CMOS能够以较低的成本大批量生产高度集成的超声换能器(图片:飞利浦工程解决方案

总结

MEMS是一项成熟的技术,与传统的机械装置和分子大小的器件相比,它使用完全不同的机制进行操作。MEMS器件已经广泛分布在通信、交通、军事、工业和消费应用中。该技术在电源转换、虚拟世界、6G电话和高级医疗诊断和治疗等新兴应用中不断发展。

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