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压电效应推动 MEMS 麦克风、 指纹传感器发展

Mike Rosa, Ph.D.

业内公司正在利用压电效应打造下一代麦克风 和指纹传感器,从而推动微机电系统 (MEMS) 产业的蓬勃发展 — 这两种大批量生产的产品 可对 200 毫米半导体市场前景产生重大影响。

MEMS 麦克风和指纹传感器 — MEMS 产业的两个主要收益流 — 的新 材料和架构利用压电效应:即某些材 料因受到机械应力而产生电荷的能力 (参见侧栏“压电效应”)。

尽管挑战依然存在,技术专家们仍 在与应用材料公司共同努力开发一种利 用这项重要技术的新型 MEMS 装置。

 

高信噪比 (SNR) 麦克风

基于 MEMS 的麦克风 — 目前生产 批量最大的 MEMS 装置之一 — 在性能 方面正在经历翻天覆地的变化 (图 1)。 从单一平行板电容耦合麦克风到压电 式麦克风,接着很快发展到静电梳齿 式设计,然后又发展到光学式装置。虽 然压电式设计最近已获得了关注,但是 专家们认为, 如果要批量生产可靠性高 的此类装置,研发所需的材料和工艺技 术尚需时日。

图 1. 利用新材料和新声波检测方案的麦克风结构有望提高信噪比性能。 (资料来源:IHS)

Yole Développement (法国里昂) 最近的一项预测显示,2016 年 MEMS 麦克风出货量超过 44 亿只,到 2020 年有望超过 70 亿只,预测期内的年复 合增长率 (CAGR) 将近 14%。

倘若信噪比可以改良到足以过滤街 道上的噪音,用于轿车和卡车车内的麦 克风有望成为一个关键驱动因素。大多 数轿车和卡车仍在使用老式的驻极体式 装置。但是,随着 MEMS 麦克风信噪比 的改进,变化正悄然发生。每辆汽车的 麦克风数量增加了,三角波噪声的消除 和方向控制成为重中之重。

改进的信噪比打开应用之门

位于波士顿的压电-MEMS 麦克风新 兴公司 Vesper首席执行官马特·克劳利 (Matt Crowley) 认为下一代麦克风信噪 比日益改善 (超过 70 分贝),“将开启 消费品和工业市场的更多应用”,迎来 一个声控识别技术的新时代。

PVD 喷溅压电材料,包括钪掺杂氮化 铝 (ScAlN),[1]正在大大地改良性能。理论 计算证明钪含量越高,信噪比改进越大。

克劳利计算出每增加 5% 的钪 (Sc), 信噪比就会提高 1 分贝。从应用性能和生 产角度来说,这种效果都是非常显著的。

目前市场上可获得钪含量低于 10% 的 单一合金靶,但是更高含量的靶材替代物 尚未得到很好地开发。应用材料公司正在 联合靶材生产商共同开发高含量钪掺杂单 一合金靶以及在生产环境中生成这些靶材 所需的稳定的沉积工艺。其目标是使沉积 工艺能够得到含量达 43% 的钪 — 实验证明 这是压电系数滚降之前可以达到的上限。

可靠的指纹传感器

电容式指纹传感器在智能手机 和其它移动设备中的应用越来越广泛 (见图 2)。但是,从可制造性来看, 它们的普及只是归功于它们器件结构 的 CMOS 兼容性罢了。除此以外, 电容式指纹传感器容易发生因潮湿、 灰尘和手指表面的其它污染引起的可 靠性问题,因此重新发明新技术的时 机已成熟。在这一背景下,压电式指 纹传感器应运而生,钪在其中也起了 很大的作用。

图 2. 概念性电容传感器有 57,000 个像素的阵列;每个像素都是一个 MEMS 结构 下的 CMOS 控制电路的电容装置。虽然得到了普及,但是这种架构容易发生由 于灰尘和潮湿引起的安全缺陷和可靠性问题。(资料来源:固态指纹扫描器: 技术调查,NIST 客座研究员 Philip D. Wasserman,马里兰州盖瑟斯堡市,2005 年 12 月26 日)

与电容式指纹传感器不同,压电 式装置可以检测皮肤表皮层的纹路和 间隙的电阻抗。此外,超声感应机制 使其能够获得皮肤表面之下的图像, 从而使其安全性更高 (见图 3,图中 展示了压电式指纹传感器的概念图)。

图 3. 压电式指纹传感器安装于 CMOS 电路上方。(资料来源:《应用物理学 快报》第 106 卷,2015 年)

实现这一功能的关键在于压电材 料的选择,包括氮化铝 (AlN)、钪掺 杂氮化铝 (ScAlN) 以及具有合适的电 子和机械特性、同时又兼容 CMOS 的 其它 PVD 喷溅材料。

加州大学伯克利传感器和致动 器中心 (BSAC) 的戴维·霍斯利教授 (David Horsley) 指出,超声波接收器 的灵敏度取决于影响发射器灵敏度的 高压电系数与较低的相对电容率二者 之间的结合。“除了掺杂钪的氮化铝 (AlN) 薄膜的更高机电耦合系数之外, 这些已证明钪的含量增加可提高 CMOS 兼容类压电材料的总体性能。”他说。

如今,氮化铝 (AlN) 薄膜中高达 20% 的钪含量已被实验证明可改善 器件性能。随着钪含量的不断增加, 性能几乎呈线性增长。

对于原始设备制造商来说,挑 战变成如何为这些薄膜提供稳健、可 靠的喷溅工艺。目前市面上的 ScAlN 薄膜是单一合金靶,其钪含量低于 10%,被用于 RF 滤波器装置中。

应用材料公司正在与材料革新提 供商 Materion Corporation (俄亥俄州 克利夫兰市)密切合作,开发 ScAl 的 单一合金靶 (含量超过 20%)。这项研 发将应用于多种 MEMS 应用,从 RF 滤 波器到微机械超声换能器 (pMUTs)、 以及强力压电致动器。

一旦研发出合适的靶材料,工艺 研发便会紧随其后。晶圆薄膜要求沉 积率、不均匀性和跨晶圆应力水平达 到一定的水平,为此,硬件要素的改 良应与工艺配方条件相呼应。

MEMS 传感器 感应汽车尾气

有一些其它趋势可能对 MEMS 产业 带来显而易见的效果。例如,最近的汽 车排放丑闻就对汽车 MEMS 市场产生了 积极的影响,促使厂商更多地采用更先 进的排气后处理系统,比如基于 MEMS 传感器的选择性催化还原 (SCR) 系统。 产业分析师预测单单改进排放控制就有 可能使每辆车增加一打或更多传感器。

如今,超过 20% 的汽车上都装有 辅助控制车内暖通空调的湿度传感器, 并且这个数字正在不断上升。传感器在 提升电动汽车蓄电池组的安全和寿命方 面也起到了一定的作用。

无论它是在哪方面的应用,在最新 智能手机、先进的驾驶员感知系统中的 最新功能也好,还是作为推动乘客安全和 排放控制市场趋势的监管力量也罢(通常 是在汽车市场中),下一代基于 MEMS 的 装置应用将大大依赖于新材料和工艺。所 有这些应用必须在稳定、可靠且价格具有 竞争性的平台解决方案上开发。

欲知详情,请联系 mike_rosa@amat.com.

[1] 钪是一种化学元素,其元素符号为 Sc, 原子序数为 21。它是一种位于 d-block 的 银白色金属元素,有时与钇和镧系元素一 起被归类为稀土元素。(资料来源:维基 百科)


压电效应

压电效应是某些材料因受到机械应力而产生电荷的 能力。锆钛酸铅 (PZT) — 最常见的压电材料 — 在受到 机械应力下产生可测量到的压电。压电传感器利用这种 特性测量因移位或机械力而产生的变化。

压电效应的一个独特特点就是它的可逆性。表现出 正压电效应的材料也会表现出逆压电效应:当施加电场 时,机械应力即会产生。

逆压电效应可用于产生一个机械(或驱动)力。 脉冲电信号转换成高频振动波(比如医学超声扫描中使 用的声波)就是一个例子。技师用探头在受检者身体上 滑行,压电换能器通过高频机械振动产生一个超声波 信号。在该例子中,通过正确的设计,同一台压电装 置可产生一个超声波信号,也能“听到”返回的信号。

1880 年,法国物理学家雅克 (Jacques) 和皮埃尔· 居里 (Pierre Curie) 发现了压电现象。“piezoelectric”一 词来源于希腊语“piezein”,意为挤或压,piezo 在希腊 语中是“推”的意思。[1]

[1]资料来源:维基百科