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MEMS与CMOS技术的异同点

2020-11-22 21:11:44

在某种程度上,MEMS 可以看作CMOS集成电路的扩展。如果将CMOS比喻为人的大脑和神经网络,那么MEMS 就是大脑智慧的“手臂”,为这信息系统提供了获取信号的微传感器和执行命令的微执行器。

人们早期认为,将MEMS 与CMOS模块集成到单芯片上的任务非常困难。因为在制程上MEMS与CMOS存在很大差异:1)MEMS包含一些可动的机械构件,需要在一些如热驱动、静电驱动、磁驱动下执行动作,不能采用CMOS传统方法进行封装。2)多功能MEMS应用与传统的CMOS产业制造不同,如包含更多步骤、背面工艺、特殊金属和非常奇特的材料以及晶圆键合等等。3)基底材料有所不同。在生物和医疗领域,很多地方都选用玻璃和塑料而非硅片作为MEMS基底,甚至出于降低成本原因使用塑料制作一次性医疗器械。4)设计思路不同。CMOS电路是从上往下设计,适合于复杂微系统设计,需要良好的预定义工艺模块;而MEMS多数从下往上设计,需要建立特殊工艺文件。5)CMOS与MEMS产品与技术生命周期不相同。CMOS产品遵循“摩尔定律”,产品生命周期不到半年就会被淘汰;而结构设计合理的MEMS产品生命周期可延长到2年。因为这些差异,人们在早期并没有努力将CMOS与MEMS结合起来。

在单芯片上集成MEMS与CMOS电路的尝试是由分离器件向集成电路规模化转变的行业趋势带动的。早期器件采用将裸片堆叠的方式,将复杂功能分散于处理器与传感器

多块芯片上,容易导致芯片尺寸大小、可制造性和一致性等方面的缺陷。因此,人们迫切希望将MEMS技术与CMOS工艺结合,利用CMOS标准化工艺,实现传感器、执行器、信号采集、数据处理、控制电路一体化混合集成在一块三维硅片上,实现多种功能的智能化集成。

CMOS-MEMS集成单芯片是单一微观器件制造领域的里程碑,与传统多芯片MEMS模块相比有以下优势:1)利用了CMOS工艺的标准化规模效应,大幅降低制造设备和材料成本。2)高度集成化、系列化的嵌入式MEMS芯片将大大缩短MEMS产品的开发周期与制造成本。3)采用CMOS设计和材料会使MEMS产品具有更优异的性能和可靠性。出于对高灵活性、高性能的解决方案的追求与降低成本的压力。许多著名的CMOS半导体公司,包括STM、Infineon、Motorola(Freesacle)、Fairchild、 Dalsa Semiconductor、Semefab、Elmos与Xfab等,都相继投入MEMS产业,生产CMOS-MEMS集成芯片。

但生产MEMS与CMOS集成芯片也还存在以下问题:1)与IC半导体芯片相比,MEMS器件需要用到更为复杂的材料与分层;2)构建MEMS结构所需要的专门工艺不容易集成到半导体工厂。

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