力学和电子一直住远。做前者,你去获得机械工程学位,很少与你需要电子电气工程学位。很少有重叠的地方通常的一方必须从另一边吝啬地学习为了出现全面的。我个人从来没有快乐的早上8点去实验室看的金属片失败。
当然,这两个必须在现实世界中相交。虽然曾经是机械的技术,我们已经转移到翻译机械信息尽可能早地电信息,然后我们做剩下的工作电路。用于模拟电路,因为世界是模拟的,但这是被渴望尽快进入数字领域。所以今天的系统处理世界通过短暂停留在机械领域,后跟一个短暂停留在模拟域中,紧随其后的是大量的工作数字,结果回到相同的方式在逆转。
接口之间的机械和电气领域的传感器,这意思是领导(首领)(反式-):你主要信息或能量从一个域到另一个。它作为一个很好的接口,绝缘从对方和最小化领域理解的领域是必要的。
但是,正如一切技术,都是得小。我们用来看到小的电路,但在机械方面,收缩也被一个因素在微机电系统(MEMS)领域。而购买的MEMS装置将包括电子和机械两大元素,传统上他们已经分开了,仅仅是连接在一个包。但兴趣机电组件集成在一个单片晶圆也有极大的提高。
在几周前globalfoundries,许多transducer-oriented论文了,其中一些涉及微机电系统。我们会对每一个功能的一系列文章的意图探索不同类型的设备以及看问题的报告。但是,提前,似乎拟合建立一些基本MEMS背景,特别是CMOS和MEMS的结合。
因此,本文的目的是探索这个联盟的两个专业。,因为对我们来说,CMOS比MEMS更熟悉,我们首先简要回顾MEMS的机械部分是什么;然后我们又掺入了CMOS如何影响的事情。我们还需要看一个会如何设计这样一个混合动力系统。最后,我们将扫描CMOS MEMS公司操作的空间。
家禽:MEMS 101
假设您想要构建一个以混凝土衬砌的掩埋式与混凝土池潜水平台在后院。这是一本小说,如果不切实际,你可以做到。
首先,你挖一个大洞的大小和形状的游泳池。而不是使用反铲或铲为任何你的挖掘操作,你面具和爆炸。首先你用坚固的保护层覆盖整个后院,留下一个开放池将去哪里。然后爆炸整个后院与空气或水,挖出一个洞未受保护的院子里的一部分。
保护层仍然存在,然后喷整个院子里一层混凝土。这个形式的墙壁池,但它也涵盖了院子里的其余部分。你解决,通过提高覆盖和混凝土上,只留下游泳池内衬混凝土。
接下来用沙子填满池。之后,你构建一个盒子在院子里一样高前潜水平台;你填满整个盒子用沙子的水平下面的平台。
现在你再覆盖院子里(埋在沙子)除了潜水的地方平台将山池;爆炸一个洞在沙子上平台支持支柱。喷一层混凝土填充的洞(覆盖了院子里),删除多余的覆盖。躺着一些塑料在剩下的新鲜混凝土顶部的支柱从砂污染来保护它。
移动的很快,现在具体有机会干之前,你填满盒子里剩下的路沙,屏蔽新的覆盖层,爆炸一个洞的形状实际平台本身,其中一端将超过您刚才创建的支撑柱。一旦完成了爆破,您可以删除层防护塑料上的支柱。
现在喷混凝土形成平台,让新的湿混凝土形成一个强大的、坚实的联合与干柱混凝土支柱和下面平台在一起成为一个单元。你再一次删除多余的混凝土覆盖,让剩下的具体治疗方法。
你现在有一个游泳池和跳台形成严格铺设砂,掩蔽,爆破,将混凝土。只有一个剩余步骤:拿出一根软管,洗掉所有的剩下的沙子。将空池,恢复院子里,至关重要的是,删除,最后一点的支持免费的平台——一个步骤被称为“释放”。
与此同时,您已经创建了一个悬臂。
改变材料和更换软管与不同蚀刻和你有一个MEMS悬臂。当然,细节是最重要的。不同的材料不同。如果你的悬臂必须有一定的弹性或谐振特性,你可能需要特殊材料。
取决于使用的材料和它们是如何存放,你可能会留下残余应力可以扭曲或弯曲的一些组件。或者你甚至可能想要一定的预应力内置的结构。所以退火步骤可能需要确保正确的功能,良好的收益率,可靠性高。
平衡所有这些因素,然后,您可以创建一个单元,需要一些机械现象和一个电信号来自它。电信号通常会被处理在其他集成电路,连接于老式线结合。
交配鱼和家禽
情况变得更加复杂,如果你想获得电路和机械部分更加紧密地联系在一起,在理想的情况下,在同一晶片。在最基本的层面上,这意味着你要制作两种扩散层和机械层,连同他们的服务员布线和支持结构,在一个扩展的一系列处理步骤。这是如何发生的细节,然而,可以相差很大。
首先,为什么呢?在某些情况下,降低互连能产生更高质量的结果。有时它只是一个大小和成本方程。而不是让两个晶圆和空间结合在一起,您可以使用on-die互连在更少的空间,用更少的电开销。
但这个方程并不总是奏效。如果你需要的电路需要的前沿科技,晶片将昂贵的托管房地产相对较大的MEMS结构。在这种情况下,你最好坚持需要他们的昂贵的晶片电路,晶片的MEMS结构不便宜。
也有替代引线结合MEMS和CMOS相邻单片集成电路。您可以使用倒装芯片或tsv 3 d配置甚至债券整个晶片在一起,切丁。这些方法通常被定位为CMOS MEMS即使他们不是铁板一块。
每个技术都有它的位置,这取决于应用程序,需要互连,垫或撞球场,和其他方面的考虑。集成到一个单独的死是特别有利的是,当有大量的I / o互连——特性尤其是与数组有关的物品。TI的DMD micro-mirror技术就是一个很好的例子。让每个镜子镜子下的驱动电路是唯一可行的方法来解决这个问题,这需要一个集成芯片。
有三种基本的方式集成CMOS MEMS: CMOS首先,CMOS,或“intra-CMOS。“这里的想法是,你有一个CMOS工艺“模块”和MEMS工艺模块,一个是之前或之后,或者你可以把MEMS模块,做一些CMOS模块之前和之后。通常建议不要分手CMOS模块,以便它可以在标准CMOS铸造厂在不改变这一过程。和CMOS MEMS模块通常在单独的铸造厂。
CMOS去年做的一个好处是,你会获得更好的电子行为的可预测性,而不必限制MEMS流程步骤。如果你要做CMOS第一,然后你不能允许后续硅MEMS步骤污染或改变衬底应力或掺杂概要文件或启动你的金属流动。
尽管如此重要的限制,共识似乎是形成对CMOS首先因为你可以将身体上方的MEMS结构电路,减少显著区域。帽MEMS的操作温度在450°C和限制任何退火过程去除残余应力。
ImecCMOS MEMS程序,他们建议CMOS第一。根据imec的安Witvrouw,他们发现,而不是使用铝为独立结构(机械性能不佳)或成功地(在太热沉积温度),硅薄膜具有良好的物理性能,存款在一个可接受的温度,并且所需的压力和压力梯度沉积后,这意味着不需要退火。
即使CMOS第一,有两种可能性。一是使CMOS MEMS相邻,创建一个空腔在CMOS MEMS结构措施和填充它牺牲(如砂池中)。在CMOS完成之后,您可以构建MEMS结构腔。这使CMOS MEMS分开,使用更多的地区,但也更易于访问的调试。
更受欢迎的选择是完成CMOS,钝化,保护它从随后的化学物质,然后构建MEMS在使用额外的层位。这不仅节省空间,但它更容易改变下面的电路(例如,下一代)同时保持完整的机械结构。
几个其他公司,Akustica Baolab,会在一个完全不同的方向通过构建MEMS结构的CMOS工艺层,在不需要额外的处理。当然,这意味着CMOS MEMS并排,但好处是,您可以构建整个事情在大容量CMOS工厂而不是CMOS铸造做第一部分,然后将晶圆传输到MEMS铸造完成其余的步骤。
创建鱼和家禽
机械工程师有自己的设计方法,通常涉及各种力学性能的有限元分析应力和热流动。电路设计人员使用一个完全不同的逻辑和电路模拟工具。
的情况下MEMS和CMOS分别建立统一在一个装配步骤中,每一个设计师可以安全地使用熟悉的工具仍在他或她的世界。但是当设计一个单片CMOS MEMS晶片,这两个必须一起创建一套面具,将包含电气和机械特性。典型的机械工具无法理解电气设计,典型的电动工具无法处理机械的概念。早期的球员在这个舞台上不得不开辟自己的道路。
然而,从一家名为Coventor一套工具,对团结了机电的世界。事实上,他们的套件包含方面的系统,电气,机械,TCAD工具。
基本MEMS设计工具叫做CoventorWare。这个处理所有标准的有限元分析,熟悉机械设计师。
MEMS +工具允许系统设计包括MEMS元素;这就是CMOS MEMS聚在一起。在MEMS +,你可以做的三维装配和仿真子系统的参数化组件来自一个图书馆。从这,您可以生成一个符号插入到电路设计,仿真的网络列表,和pcells布局。你甚至可以与Matlab算法设计。用一个参考,你可以扩展广泛的抽象层次。
他们的其他工具叫做SEMulator3D:它允许您可视化整个过程堆栈来研究如何制造步骤将工作和各种组件如何互相影响。你在屏幕上看到的是就像一个虚拟的SEM的组件你学习。他们处理的整个过程,无论是CMOS姓或或,和所有组件,无论是电子或机械,包括DRAM和闪存细胞。
他们与节奏大师紧密集成,但他们可以使用所有的工具大3到面具。在大多数情况下,它允许CMOS和MEMS组件顺利整个流共存,尽管专有技巧有时需要导航的刚果民主共和国部分流动。
渔民和coop-keepers
我们完成马拉松旋风之旅通过回顾一些参与者在CMOS MEMS领域。本文必然是简洁的,没有组装通过查找一些清单,因为我没有发现这样的列表。这是拼凑起来按照线程和网页链接,检查宣传册和偶尔发邮件澄清;它可能是不完整的。注意,这个列表不包括纯粹的MEMS公司或铸造厂。
第一个成功的大容量CMOS MEMS生产商,为安全气囊部署与加速度计。他们也使陀螺仪,惯性测量单元(结合多种动作感应技术),和麦克风。
一家专业生产麦克风。他们似乎区分“CMOS-compatible MEMS”和“CMOS MEMS”,后者是如何描述一个技术只使用互补金属氧化物半导体层。他们声称使用CMOS MEMS定义。
他们的NanoEMS技术只使用标准CMOS层,不需要单独的MEMS的步骤。唯一标准过程的调整是一种微小气体流量调整改变钝化层的折射率(不需要任何re-qualification)。吹捧的好处是成本低和较小的MEMS元件特性。他们生产指南针、陀螺仪、加速度计、惯性测量单元和射频开关。
专业生产适合集成CMOS MEMS IP。他们专注于数组包含一个或多个悬臂的蛀牙。这些可以作为可调电容器或非易失性内存(使用“静摩擦”来维护状态)。
制片人的取代石英晶体振荡器。他们使用一个单独的铸造不确定;铸造使用CMOS-first与CMOS MEMS的过程。
做基本的CMOS MEMS研究在苏黎世,特别是对压电陶瓷射频开关,对CMOS标准的材料是一个问题。他们还做定制悬臂以及低级纳米技术研究工作。
他们有一个专有Nasiri-Fabrication技术结合MEMS和互补金属氧化物半导体晶圆的方式他们说比标准技术降低成本和更简单。他们使陀螺仪和加速度计。
他们有自己的8“MEMS线。他们也有CMOS和双相线,与晶圆键合能力。他们生产,除其他事项外,麦克风,射频开关、压力传感器、流量传感器。
铸造做“集成MEMS”通过死亡——或者wafer-level CMOS MEMS和组件的装配。
其他早期高容量的CMOS MEMS生产商,镜子数字阵列用于显示。每个镜子上方是镜子驱动电路需要控制。
MEMS铸造,为CMOS MEMS做晶圆键合。他们的地位还不清楚,因为在他们的网站从2008年的最新消息。但是他们回复我的电子邮件,说他们还活着,而且最近上升到8“MEMS功能。
台积电,最大的IC铸造,宣布将在2008年进入微机电系统。虽然不是多的信息可以在他们的网站,他们证实,它的完全集成CMOS MEMS使用CMOS-first过程。
IC铸造,仅仅几个月前宣布推出其CMOS MEMS业务。在他们网站上的信息也很少,但是,很显然,他们已经成功地为客户做了一个麦克风和一个加速度计。
单片CMOS MEMS铸造;看起来他们使用CMOS-first方法。
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图片由Coventor。
