详解：MEMS传感器的设计方法和关键技术

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前言

MEMS相关技术主要包括微机械设计、微机械材料、微细加工、微装配与封装、集成技术、微测量等技术基础研究。在当前MEMS所能达到的尺度下，宏观世界基本的物理规律仍然起作用，但由于尺寸缩小带来的影响，许多物理现象与宏观世界有很大区别，因此许多原来的理论基础都会发生变化，如力的尺寸效应、微结构的表面效应、微观摩擦机理等，而这些涉及更广泛的学科，包括微动力学、微流体力学、微热力学、微摩擦学、微光学和微结构学等。因此，MEMS研究的难度较大，往往需要多学科交叉。本文试图框架性地分析典型MEMS器件的基本结构、工作机理，研究MEMS设计关键技术点，借此揭示小小的MEMS中所蕴含的玄机。

MEMS的基本结构及原理

MEMS器件一般包括传感器（Sensor）、信号处理器（或叫控制器，CPU或MCU）和执行器（或称致动器，Actuator）三部分。传感器用于接受外界的信息；信号处理器（控制器）对从外部接收的信号进行处理；致动器则接受来自控制器的指令并做出要求的动作反应。

为了了解MEMS工作机理，首先需要了解，什么是一个机械系统。从标准动力学方程（拉格朗日力学）可以知道，一个机械系统的三个关键元素是质量（m），阻尼（c）和刚度（k）。其中阻尼也称阻尼系数或阻尼常数ɣ。拥有了这三个最基本的元素，就是一个最简单的机械系统了。

图1 MEMS原理及基本结构

借助于这种微小的机械系统，一些来自环境中的信号可以被转换为机械系统中的一种运动状态。以MEMS加速度传感器为例，这是一种最简单的MEMS惯性传感器，其原理是将设备所具有的加速度状态转化为一种机械位移。而一旦这种MEMS设备内的机械位移的量被测得，与其相关的加速度的大小也将能够得知。一种普遍的测量位移量的方法是测量一组平行板电极的电容值变化，因为电容值是一个和电容板间距有关的函数，可以利用机械系统内的位移量改变电容板间距，那么位移量的变化就可以在电容值的变化上得以体现。通过MEMS，一种电容信号和加速度信号之间的联系得以建立，同时也是通过MEMS，来自外部环境中的信号经由微型的机械系统，被转换成电容典型的电子信号。这就是MEMS设备工作原理的本质。

MEMS的设计

MEMS设计技术的综合性是比较强，涵盖各个方面的内容，不仅需要有相应的概念设计作为指导，还需要相应的计算机提供服务，从而对数据进行更好的分析。MEMS产品设计的后续加工与测试工作的进行也在设计技术涵盖的范围之内，设计技术对整体的产品性能发挥着关键性的作用。相较于加工技术，MEMS设计技术有着更高的要求，其辅助机械与技术是非常重要的，尤其是计算机辅助设计的应用。MEMS设计技术在当前的发展中更为趋向于自动化、智能化，满足时代多元化发展的需求，提高产品设计的效率，更好的拓展市场，也实现产品设计的实用性。

MEMS

MEMS的设计方法

设计方法是设计工作的基础，其不仅是设计理念的充分体现，也是对设计行为的基本规范。MEMS设计技术的重点主要体现非电信号与电信号、电能与机械能等能量之间的转换，对MEMS器件设计有着较大的影响。MEMS器件在设计、加工、制作中遇到的非经典物理问题是其基础理论研究的重点。当器件的结构尺寸缩小到微米量级时，许多在宏观情况下可以忽略的物理现象都要重新予以考虑，如微摩擦、微阻尼、微吸附力、微静电等，不仅不能忽略而且还将成为主要的因素，因此需要从微能量传输的角度予以研究。

MEMS设计主要包括微结构及微系统建模设计及与集成电路的混合设计等。目前MEMS通常的设计方法包括结构化设计、自顶向下设计、层次化设计等；微器件建模是通过CAD/CAM计算机辅助设计工具进行模拟仿真，如器件级模拟、电路级模拟、系统级模拟；建立标准的MEMS器件仿真库可以增强MEMS设计的可重用性和效率。

图2 MEMS设计基本流程

如图2所示，MEMS设计基本流程可划分如下：

• 缩放和小型化

MEMS设计和制造的介绍往往起始于对缩放和小型化的回顾。例如，如果我们问，为什么不能简单地将一个空气压缩机或吊扇收缩到跳蚤大小的规模？答案是压缩定律。跳蚤大小的吊扇与一个1000倍大的正常大小的风扇的运行方式不同，因为所涉及力之间的相互强度发生了变化。比例因子µ有助于理解这中间发生了什么变化。考虑一个矩形，其面积等于长度和宽度的乘积；如果矩形按比例因子缩小100（即长度/100和宽度/100），该矩形的面积缩小为原来(1/100)²=1/10000。因此，面积的比例因子是µ²。同样，体积的比例因子是µ³—因此随着缩放越来越小，体积的影响比表面（面积）的影响更大。

在一个给定的规模上，谨慎考虑不同力的比例因子可以揭示其中最相关的物理现象。表面张力的比例因子是µ¹，压力以及静电相关的力是µ²，磁场力是µ³，以及重力为µ⁴。这就解释了水黾可以在水面上行走的原理，以及为何一对滚球轴承的表现与一个双星子系不同。虽然任何设计中都需要开发完整的数学模型，但比例因子有助于指导我们如何设计MEMS大小的器件。

• 子系统建模

由于亚毫米器件的直观性不强，模型对MEMS设计来说非常必要。一般来说，一个完整的微机电系统太过复杂，难以从整体上进行模型分析。因此，通常需要将该模型划分为多个子系统。

子系统建模的其中一种方式是按功能进行分类，比如传感器、作动器、微电子元件、机械结构等。集总元件建模采用了这种方法，将系统的物理部分表示为理想化特征的分离元件。电子电路以同样的方式进行建模，使用理想化的电阻、电容、二极管以及各种复杂元件。据我们了解，在可以的情况下，电路建模时电气工程师会使用大大简化的基尔霍夫电路定律，而不是使用麦克斯韦方程。

如同电子领域一样，系统可以使用框图进行更抽象的建模。在该层次上，可以非常方便地将每个元件的物理特性放置在一边，而仅使用传递函数来描述系统。这种MEMS模型将更有利于控制理论技术，这是最高性能设计的一套重要工具。

• 设计集成

尽管标准IC设计通常由一系列步骤组成，但MEMS设计则截然不同。设计、布局、材料以及MEMS封装本质上是交织在一起的。正因为如此，MEMS设计比IC设计更复杂—通常要求每一个设计“阶段”同步发展。

• 仿真和原型测试

MEMS研究人员使用一系列的工程软件工具来对他们的设计进行仿真和原型测试。MEMS设计中经常用到有限元分析。对动态力，热度等等的仿真可以通过ANSYS，COMSOL、IntelliSuite和CoventorWare-ANALYZER等软件来实现。其他软件，比如ConvertorWare-ARCHITECT和MEMS-PRO，被用来开发更适合加工制造的产品布局，甚至用来仿真嵌入型的MEMS系统。

MEMS设计模拟方法主要有三种：有限元FEM、边界元BEM和有限差分。器件级设计、工艺级设计、系统级设计是不同的设计手段要求，其难度层次逐级递减。

系统级设计（如图3所示）的整体性是比较强的，需要综合各个方面的内容进行分析，数值分析法在其中的应用具有一定的局限性，其设计方法的优化更加趋向于简单动态模型的构建，减少了MEMS设计技术中多种能量之间的转换。器件级设计是较为单一的，有着针对性的研究对象，但是需要进行大量的数据分析。在实际的产品设计中，可以加强数值分析法在器件级设计中的应用，通过大量信息数据的收集提供更为扎实的理论依据。但需要重点注意数值分析法在具体应用中存在的局限性，所需时间较长，需要进行重点的优化。工艺级设计与硅机械加工技术有着紧密的联系，主要进行精密的加工，对尺寸进行精密的计算与优化。

在当前的发展过程中，MEMS设计技术一般涉及毫米到微米加工环节，而且MEMS封装技术和集成版图设计也有着较大的优势，设计工艺比较成熟，可以大大提高版图设计的效率与封装的成本，给传感器性能的提高也带来更大的优势。

图3 系统级MEMS设计

MEMS

MEMS传感器设计关键技术

• MEMS传感器的智能集成设计

在技术发展的推动下，传感器的广泛应用给汽车带来了很大的提升空间。MEMS传感器的智能集成设计，主要是从传感器的各项指标出发的，对传感器的使用性能进行优化，提高其稳定性、安全性。MEMS传感器的智能集成设计是综合MEMS技术、集成化和智能化为一体的。

首先，MEMS技术是从传感器基本框架模型出发的，对系统进行整体性的开发，通过对系统内部结构的优化，提高系统的可用性。在实际的操作过程中，MEMS技术对系统的优化采取自上而下的方法。其步骤如下：第一步，对传感器的系统需求、特性、加工性能进行分析与了解，从而得出系统设计的基本方向；第二步，系统设计需要将传感单元设计与信号评测电路设计相结合，进行机械布局与电子布局，这是系统设计的基本框架；第三步，对机械布局与电子布局进行整合，形成整体性布局，完成系统开发的基本流程。在系统设计的过程中，需要注意每个步骤之间都有一定的联系，自上而下进行，同时也自下而上的进行信息的反馈，发现在设计环节存在的缺陷，进行及时的调整。其次，是传感器智能化模型的构建，对系统的功能进行相应的调配，实现各个功能具体的分工。智能传感器系统软硬件实现的完成，可以充分体现性能的整体优势。最后，传感器系统的具体应用，采用多传感器信息融合算法，并且结合人工智能，实现传感器的自动化与智能化处理。

• MEMS多场耦合和仿真分析

微器件包含多种类型，是微机电系统的重要组成部分。MEMS技术设计的范围是比较广泛的，其能量之间的转换，对于光学、物理学、化学等领域都有一定的深入研究。结构动力学、热传输学、流动动力学和电磁学是MEMS系统学科交叉，不同的组合方式形成了不同的应用原理，如热激励响应热致动器、微致冷器流量和热传感器等。为准确地预测微器件在实际工作中的响应特性，需要对微结构进行静态模态(瞬态)谐响应等分析，以及结构、热、流体、电磁等多物理场分析。通过耦合场分析，能较准确地模拟微尺度下静电-结构-流体等多物理场之间的相互作用情况，分析微机电器件在多种物理机制下的综合作用的结果。例如，分析静电场对微结构固有频率漂移的影响，从而通过控制电压的大小调节系统的频率，以提高器件的工作性能。

MEMS多场耦合是一个较为复杂的系统，对系统设计的科学性、合理性有着较高的要求，保证物理场综合可以正常运行。电场、结构力学场、热场、流体场是常见的多场耦合效应，电场与热场、结构力学场之间有一定的关系，而结构力学场、热场与流体场之间也有一定的关系，通过关系交合实现能量转换。在MEMS多场耦合中，需要重点关注各个领场的特性，进行针对性的分析优化，通过调整达到平衡状态。能量场分为保守能量场、非保守能量场两种，保守能量场能量是守恒的，非保守能量场会存在能量的损耗，需要用解析法进行单独的运算求解。MEMS多场耦合在多物理场的条件下，运算具有一定的难度，此时可以利用降价法进行处理，综合多方面的情况进行求解，从而实现高效精确的求解，取得更好的效果。耦合MEMS器件的动态仿真也是存在的问题之一，采用降价法进行处理有利于模型的构建，也可以形成更为整体性的系统。微机电系统设计的模拟主要分为系统级模拟、基于能量的宏模型和器件级模拟，有着具体的层次划分，相应的也有不同的要求。

• 数模电路设计及仿真技术

MEMS所敏感的信号都需要经过接口电路处理，并反馈给执行部件。由于MEMS所处理的信号通常比较小，如微陀螺的典型位移为10⁻³~10⁻⁴mm，引起的电容变化只有10⁻¹⁸~10⁻¹⁹F，输出电压只有微伏甚至纳伏量级，因此接口电路的设计和仿真技术都还要特别针对小信号的提取和处理，同时为电路的版图设计提供依据。

• 面向MEMS的多学科优化设计和算法

MEMS设计是多学科交叉的复杂系统，其通过综合利用不同的材料加工与方法，实现多物理场的协调，从而使得MEMS在多场耦合情况下更好的配合运行。MEMS系统设计的复杂性较高，对于各方面工作的进行有一定的难度，在实际的操作中可以通过层级系统、非层级系统和混合层级系统等进行具体的划分，从而可以进行细化研究。层级系统以分级的方式进行划分，其形成一种树状结构，其系统构造较为简单。非层级系统是网状结构，多物理场相互之间的联系紧密，形成不同的交互关系。混合层级系统是树状与网状的混合，对于系统的划分有着更大的优势，在MEMS优化设计中的应用是比较广泛的。MEMS系统的优化主要分为四个框架，分别是系统结构、封装子系统、非MEMS子系统详细设计、器件结构。对于非MEMS子系统详细设计和封装子系统需要进行重点的详细设计，器件结构也需要关注生产成本和驱动方式，从加工工艺的提高等方面入手，提高系统的性能与安全。MEMS多学科优化设计是根据其系统的复杂性进行的，多个领域的交叉配合，对方案设计也提出了更高的要求，通过对子系统的优化，并且以其为基础进行系统的整合，充分体现子系统的优势。在系统的优化设计中，子系统既可以独立运行，也可以结合进行，实现信息更好的交流，为数据的分析提供更多的理论依据。

总之，通过充分利用各个学科（子系统）之间的相互作用所产生的系统效应，获得设计的最优解。另一方面，从系统级设计到器件级设计的参数传递过程也是一个优化过程，它以设计的规格要求为目标，以器件的行为或结构参数为变量建立优化函数，采用多因素、多目标的优化算法求解，得出器件的行为或结构参数，为器件设计提供依据。系统级优化的结果可以直接参数化驱动生成器件的实体模型或版图。

• 宏模型技术

描述器件行为比较精确的做法是采用有限元方法，但是器件的有限元模型自由度较多、过于复杂，并且和接口电路不易集成，因此使用器件的宏模型来代替有限元模型进行器件的行为描述。根据器件的多物理场分析可以从中提取器件的宏模型。

• 三维实体到二维版图的转换技术

以往MEMS设计人员都是从二维的掩模版图开始设计MEMS器件，但由于掩模版图是二维的，不够直观地反映器件的结构特征。因此人们往往希望从更直观的器件的三维实体模型开始进行设计，同时能够实现从三维实体到二维版图的自动转化，这将彻底改变以前人们从版图开始设计的习惯，加快设计的效率。从三维实体通过工艺定义自动生成二维版图的技术是一种切实可行的解决办法，所设计开发的工艺编辑器较好地解决了这一问题。

• 工艺可视化及加工仿真技术

微细加工工艺的步骤繁多，并且大都是一些平面工艺，不够直观。利用虚拟现实技术和三维实体构造技术进行微细加工工艺的可视化，可以对每一道工艺的加工结果进行可视化评估。加工仿真是在已知加工工艺和掩模版图的前提下，通过仿真得到器件的最终三维实体模型。这样的实体模型分为两类:根据加工的真实的物理行为建立器件的几何模型;通过对加工工艺效果的粗略近似，建立器件的几何模型。加工仿真技术可以直接利用单步工艺可视化技术的结果进行计算。

• 参数化元件库技术

在自顶向下的设计流程中，不同设计人员开始设计的起点不同。如在系统级用户需要进行利用参数化驱动的元件库建立系统的原理图，在器件级用户还需要利用参数化的实体元件建立器件的实体模型，在工艺级还需要用到参数化的版图库建立器件的版图。因此，利用相应的软件进行参数化建模也是集成设计的一个关键技术。在MEMS集成设计平台中建立完全参数化的三级元件库，可以重复利用已有的研究成果达到快速设计的目的。

本文摘自

《一砂一世界》

一本书读懂MEMS产业的现状与未来

作者：冯锦锋 马进

简介：对于半导体行业从业者:本书以全新的视角，独特的解析，全景展现了MEMS行业的风云际会有助于从业者找到自身奋斗方向。对于半导体行业投资者:本书以清晰的政策分析，前瞻性的预测，完美描绘了MEMS行业的投资未来，有助于投资者制定投资策略。

END

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