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加速薄膜PZT MEMS技術(shù)商業(yè)化,住友精密和AMFitzgerald結(jié)盟
來源:麥姆斯咨詢  瀏覽次數(shù):574  發(fā)布時間:2024-02-27

近日,特種應(yīng)用MEMS和傳感器解決方案供應(yīng)商A. M. Fitzgerald & Associates(英文簡稱:AMFitzgerald)和全球領(lǐng)先的高精度工業(yè)產(chǎn)品制造商住友精密(Sumitomo Precision Products,英文簡稱:SPP)宣布結(jié)成聯(lián)盟,將整合AMFitzgerald的MEMS產(chǎn)品開發(fā)專長和住友精密的外延鋯鈦酸鉛(PZT)MEMS晶圓代工廠“MEMS Infinity”能力。雙方的結(jié)盟將加快薄膜PZT MEMS芯片技術(shù)在中、小市場的商業(yè)化進程。

薄膜PZT是一種新興的高性能壓電MEMS材料,但由于其原型襯底生產(chǎn)的品質(zhì)問題,薄膜PZT MEMS開發(fā)商通常需要面對難以獲得高品質(zhì)原材料的挑戰(zhàn)。

小批量薄膜PZT材料是許多MEMS器件的開發(fā)基礎(chǔ),一般只能由品質(zhì)略低的研發(fā)晶圓獲取,其性能與量產(chǎn)材料存在差異。這一限制增加了設(shè)計新型PZT MEMS器件的成本和難度。AMFitzgerald和住友精密結(jié)盟的目標(biāo)是小批量提供高品質(zhì)的薄膜PZT壓電晶圓,同時為大規(guī)模量產(chǎn)提供便利,無需由于壓電材料問題進行重新設(shè)計。

AMFitzgerald是一家擁有20年歷史的MEMS設(shè)計公司,專門從事航空航天、醫(yī)療和工業(yè)級MEMS器件設(shè)計。住友精密則是一家提供全方位服務(wù)的專業(yè)MEMS代工廠,擁有完整的原型制造設(shè)施和薄膜PZT代工晶圓廠。PZT具有固體介電、鐵電壓電和熱電特性,非常適合機電和熱電器件應(yīng)用。


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住友精密外延PZT晶圓


MEMS需求持續(xù)增長

盡管MEMS不像鋰電池和無線協(xié)議等系統(tǒng)那樣備受關(guān)注,但它們卻已無處不在。MEMS器件的各種優(yōu)勢推動了其需求的持續(xù)增長。一方面,體積更小、成本更低、性能更高的MEMS器件成為采用傳統(tǒng)技術(shù)傳感器的理想替代方案。另一方面,得益于MEMS器件體積小、成本低,這意味著對于原本無法部署傳統(tǒng)傳感器的領(lǐng)域和應(yīng)用,通過增加MEMS傳感器來升級應(yīng)用已經(jīng)變得經(jīng)濟且可行。

據(jù)市場研究機構(gòu)Yole的一項研究表明,在這種“傳感化”趨勢的推動下,2021年MEMS傳感器市場規(guī)模達到了136億美元,預(yù)計到2027年將增長至223億美元,在此期間的復(fù)合年增長率(CAGR)達到9%。


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按應(yīng)用領(lǐng)域細分的MEMS市場增長預(yù)測


MEMS將電子元件和機械元件結(jié)合在同一襯底上。構(gòu)成MEMS器件的元件尺寸通常在0.001毫米到0.1毫米之間,整個組件的尺寸大約在0.02毫米到1.0毫米。通常,MEMS元件基于機械應(yīng)力改變電氣特性的原理而工作。

目前,大多數(shù)MEMS器件都依賴始于20世紀(jì)90年代的蝕刻硅(Si)結(jié)構(gòu)。過去15到20年來,壓電MEMS材料得到了長足進步,利用它們可以制造出廣泛種類的MEMS器件。

硅基MEMS器件基于微小硅結(jié)構(gòu)機械形變所帶來的電容或電阻變化。壓電MEMS器件則依賴壓電效應(yīng),即由機械形變產(chǎn)生微小電荷,或者反過來,由施加的小電荷產(chǎn)生機械形變。


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壓電MEMS執(zhí)行器(揚聲器)和MEMS傳感器(麥克風(fēng))示例


作為微型執(zhí)行器,壓電MEMS器件能比硅基深硅蝕刻MEMS執(zhí)行器提供更大的力。壓電MEMS傳感器也比硅基MEMS傳感器更靈敏、更精確。


硅 vs. 壓電材料

硅基MEMS加速度計具有在半導(dǎo)體襯底上蝕刻的一端固定在襯底上,另一端懸置的結(jié)構(gòu)。懸臂部分與襯底絕緣,作為可動電極,襯底作為固定電極。硅基MEMS器件應(yīng)用的蝕刻技術(shù)與集成電路的蝕刻技術(shù)有類似之處。

當(dāng)MEMS器件運動時,由于慣性作用,可動電極的自由端會輕微彎曲。彎曲時,它與固定電極之間的距離會發(fā)生變化,由此導(dǎo)致固定電極和可動電極之間的電容發(fā)生變化。附近的電子元件通常蝕刻在同一硅襯底上,可將電容變化轉(zhuǎn)換成軟件可讀的信號,以顯示加速度的強度。

壓電MEMS加速度計在壓電薄膜襯底上蝕刻有類似的可動結(jié)構(gòu)。當(dāng)發(fā)生運動時,壓電材料會在彎曲作用下產(chǎn)生微小電流。同樣,附近的電子元件會將這些電流轉(zhuǎn)化為可讀信號。


AlN vs. PZT

壓電MEMS材料主要有兩種類型:氮化鋁(AlN)和PZT。薄膜AlN比薄膜PZT成熟的更早,更快成為一種可量產(chǎn)制造技術(shù)。據(jù)AMFitzgerald公司創(chuàng)始人Alissa M. Fitzgerald博士稱,薄膜AlN的應(yīng)用范圍包括射頻濾波器、麥克風(fēng)、振蕩器、觸摸傳感器等。

Fitzgerald博士繼續(xù)說,薄膜AlN相比薄膜PZT更適合那些運動更小的器件或傳感器應(yīng)用,但是薄膜PZT的應(yīng)用潛力更為廣泛,最適合晶圓級或芯片級電子集成。薄膜PZT的應(yīng)用范圍包括噴墨打印頭、自動對焦執(zhí)行器、超聲波換能器、麥克風(fēng)/揚聲器、微鏡、微泵及微流控、陀螺儀、能量收集器等。

PZT并不新鮮。多年來,醫(yī)用超聲一直采用厚膜PZT換能器。然而,厚膜器件與薄膜器件相比非常昂貴。直到最近,薄膜PZT才開始具有商業(yè)價值。要將薄膜PZT廣泛應(yīng)用于MEMS器件,還需要采取的措施之一,就是將小批量原型晶圓做到完全量產(chǎn)的質(zhì)量水平,而這正是AMFitzgerald和住友精密結(jié)盟的目標(biāo)。


縮短設(shè)計流程

如今,PZT MEMS的開發(fā)流程基本上分為兩個原型階段。首先,使用研發(fā)質(zhì)量的晶圓進行初始設(shè)計;然后,選擇MEMS代工廠,對設(shè)計進行調(diào)整和優(yōu)化,以適應(yīng)MEMS代工廠批量生產(chǎn)的優(yōu)質(zhì)材料。


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雙方的結(jié)盟將縮短設(shè)計流程


MEMS代工廠選擇階段也存在問題。Fitzgerald解釋說,大型MEMS晶圓廠對客戶群是有選擇的。他們只想要每年銷售上億顆MEMS器件的客戶,但是許多創(chuàng)新都來自規(guī)模略小的市場及客戶,這意味著每年需要的晶圓產(chǎn)量并不大。這使得中間市場的創(chuàng)新變得非常困難。

通過為小批量MEMS原型制造提供量產(chǎn)級質(zhì)量的晶圓,消除了MEMS代工廠階段的重新設(shè)計。初始設(shè)計就可以在最終量產(chǎn)條件下完成。有了AMFitzgerald和住友精密的結(jié)盟,非大規(guī)模特種工藝市場的開發(fā)商,將更容易獲得成功產(chǎn)品設(shè)計及量產(chǎn)所需要的高質(zhì)量原材料。