新一代纳米传感器解决MEMS黏附问题
2017-08-05 08:46:31   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

据麦姆斯咨询报道，Nanusens日前宣布其CMOS纳米传感器技术成功的解决了MEMS惯性传感器失效的主要来源——黏附（stiction）问题。

“我们的首批硅纳米传感器样品由GLOBALFOUNDRIES（格罗方德）代工，经过等效超过1000g，10000次以上的循环振动测试，展现出了远超我们预期的卓越黏附恢复能力，” Nanusens首席执行官Josep Montanya i Silvestre博士解释道，“并且，其灵敏度相比大多数应用所需要的运动传感器高了一个数量级。”

MEMS器件中的黏附问题主要源自微观世界的引力，如范德华力和卡西米尔效应。这些引力主要由物体表面积决定，而非物体的质量。在惯性传感器设计中，有一个连接弹性梁（spring）的检测质量块（proof mass）。当器件获得一定的加速度时，检测质量便会运动，此时检测质量便作为一个电极，通过与第二固定电极之间的距离变化探测电容的变化，由此实现加速度的探测。不过，当遇到强震或冲击时，检测质量的运动幅度过大，会超越正常的位移范围，触碰到传感器的内壁，此时会由于微观引力而产生黏附现象，从而令传感器无法继续正常工作。这种现象可以通过提高弹性梁的强度来解决，但是，这又会降低传感器的灵敏度。为了提高传感器的灵敏度，需要增大相应的检测质量块，这又带来了更大的质量块表面积，从而又造成了更大的吸引力，陷入了两难的矛盾之中。

Nanusens开发的NEMS运动传感器

弹性梁的闭合

Nanusens的解决方案是将传感器设计的尺寸降低了一个数量级，从MEMS（Micro Electro Mechanical Systems）器件1~2um的线性特征尺寸降低到NEMS（Nano Electro Mechanical Systems）的0.3um。这使器件微结构的表面积从两个维度上降低了接近两个数量级，因而显著降低了微观引力。检测质量块的减小，造成了器件灵敏度的降低，但是可以通过减小检测质量块和固定电极之间的间隙进行补偿。尺寸的减小也意味着当发生冲击时，检测质量块与器件内壁碰撞的势能更小，移动间隙也更小。势能更小的碰撞，也使检测质量块更容易从黏附中恢复。

“因此，通过缩小器件的整体尺寸，我们保持了灵敏度的同时，还提高了可靠性，” Montanya补充道，“事实上，这种设计获得的可靠性提高，使我们能够在进一步增大检测质量块提高灵敏度的情况下，仍能获得非常可靠的器件。”

这款新的纳米传感器采用了标准的CMOS工艺和掩膜技术。使用HF蒸汽（vHF）通过钝化层中的焊盘开口蚀刻金属层间介电质（IMD），以获得纳米传感器结构。然后将孔洞密封，根据需要对芯片进行封装。由于该传感器仅采用了标准的CMOS工艺，并且能够直接和所需要的有源电路集成，因此，这款传感器能够获得和CMOS器件一样的高良率。

基于Baolab Microsystems（2014年关闭停业）核心员工的开发基础，Nanusens在去年进一步完善了这项CMOS纳米传感器技术。之前研究工作的成功，使Nanusens得以能够和格罗方德建立合作。

格罗方德产品管理副总裁Rajesh Nair评价道：“我们和Nanusens建立了深入的合作伙伴关系，我们期待利用我们标准的0.18um工艺，进一步提高这款新一代纳米传感器设计。”

Montanya博士总结道：“格罗方德团队拥有卓越的技术水平和服务品质，因此我们选择与格罗方德建立紧密合作，和他们一起开发新一代纳米传感器，并且，凭借格罗方德众多的CMOS工艺节点，我们也计划在未来推动包括RF（射频）器件在内的更多的器件开发。此外，格罗方德在全球的持续投资，正在不断的提高其规模产能，选择格罗方德制造我们的纳米传感器，将确保Nanusens目前以及未来所需要的产能，使我们不会面临产品供应不足的窘境。对于消费类市场来说，产能是非常关键的因素，因为消费类市场的需求波动非常快，时常会面临无法预料的需求高峰。”

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