Технология производства MEMS датчиков

Микроэлектромеханические системы (МЭМС) сенсоры революционизировали индустрию беспилотных летательных аппаратов (БПЛА), предлагая компактные, легкие и экономически выгодные решения для обнаружения. Эти датчики играют важную роль в определении положения, ориентации и навигации БПЛА. МЭМС-датчики широко используются в БПЛА для различных приложений, включая акселерометры, гироскопы, датчики давления и магнитометры. В данной статье приведено подробное описание технологии производства микроэлектромеханических (МЭМС) датчиков для БПЛА, с акцентом на процессы проектирования, изготовления и упаковки.

1.      Проектирование МЭМС-датчиков

Процесс проектирования МЭМС-датчиков включает тщательный выбор материалов, структур и принципов обнаружения, чтобы соответствовать желаемым характеристикам производительности. На этом этапе часто используются инструменты компьютерного проектирования (САПР), такие как моделирование методом конечных элементов (МКЭ) и мультифизические симуляции. Основные критерии проектирования МЭМС-датчиков для приложений БПЛА включают чувствительность, точность, разрешение, полосу пропускания, энергопотребление и надежность.

2.      Технология изготовления

МЭМС-сенсоры обычно изготавливаются с использованием методов микрофабрикации, которые можно разделить на следующие категории: 

а. Объемная микромеханика: этот процесс включает выборочное удаление материала подложки для создания трехмерных структур. Техники, такие как мокрое травление, сухое травление и глубокое реактивно-ионное травление (DRIE), используются для формирования кремниевых или других материалов подложек. 

б. Поверхностная микромеханика: этот подход основан на осаждении и паттернировании тонких пленок на поверхности подложки для формирования функциональных МЭМС-структур. Распространенные методы осаждения включают химическое осаждение из газовой фазы (CVD), физическое осаждение из паровой фазы (PVD) и электроплетение. 

в. Микромеханика с высоким аспектным соотношением (HARM): этот процесс позволяет изготавливать структуры с высоким аспектным соотношением (высота к ширине) с использованием таких методов, как глубокая рентгеновская литография (DXRL) и LIGA (немецкий акроним для литографии, электроплетения и формовки). 

г. Сращивание подложек: эта техника включает сращивание двух или более подложек для создания сложных МЭМС-структур. В зависимости от требований приложения и совместимости материалов могут использоваться различные методы сращивания, такие как анодное сращивание, сращивание путем слияния и клеевое сращивание.

3.      Упаковка и сборка

После изготовления МЭМС-структур их необходимо упаковать и интегрировать с необходимой электроникой для создания полноценных систем датчиков. Упаковка играет решающую роль в защите деликатных МЭМС-структур от воздействия окружающей среды, такой как температура, влажность и механические удары, обеспечивая при этом правильные электрические и механические соединения. Процесс упаковки можно разделить на две категории: а. Упаковка на уровне чипа: этот подход включает упаковку отдельных МЭМС-чипов в защитные корпуса, обычно изготовленные из керамики или пластика. Техники упаковки на уровне чипа включают проводную связь, связь с обратной стороны чипа и пайку шариками. б. Упаковка на системном уровне: этот метод включает интеграцию МЭМС-датчиков, соответствующей электроники и других компонентов в единый корпус, часто называемый системой в корпусе (SiP) или многочиповым модулем (MCM). Техники упаковки на системном уровне включают технологию поверхностного монтажа (SMT), сквозные кремниевые переходы (TSV) и трехмерную укладку.

 4.    Тестирование и калибровка

После упаковки МЭМС-датчики проходят различные процедуры тестирования и калибровки, чтобы обеспечить соответствие их производительности заданным требованиям. Этот процесс обычно включает электрические испытания, механические испытания и испытания воздействия окружающей среды. Электрические испытания проверяют целостность сигнала датчика, механические испытания оценивают его механическую прочность и чувствительность. Испытания на воздействие окружающей среды обеспечивают работоспособность датчика при различных температурах, влажности и давлении.

В заключение, производство МЭМС-датчиков для БПЛА включает сложный и высокоточный процесс, охватывающий проектирование, изготовление, упаковку и тестирование. Эти датчики стали неотъемлемым элементом в индустрии БПЛА благодаря их компактному размеру, низкому энергопотреблению и высокой производительности, что позволило разработать передовые и надежные системы БПЛА. Поскольку спрос на более совершенные БПЛА продолжает расти, разработка инновационных технологий МЭМС-датчиков останется важной областью исследований. Развитие новых материалов, улучшенных методов проектирования и оптимизация процессов микрофабрикации способствуют созданию датчиков с лучшими характеристиками, такими как повышенная чувствительность, уменьшенный шум и расширенный диапазон рабочих параметров. Кроме того, важным направлением исследований является разработка и интеграция беспроводных технологий передачи данных и энергии для МЭМС-датчиков, что позволит упростить интеграцию датчиков в системы БПЛА и сократить массу и размеры аппаратуры. Также может быть рассмотрена возможность использования энергохарвестинга, то есть получения энергии из окружающей среды, для питания МЭМС-датчиков, что снизит их энергопотребление и увеличит время работы БПЛА.

В целом, технология производства МЭМС-датчиков для БПЛА продолжает усовершенствоваться и адаптироваться к возрастающим требованиям в области авиации и аэрокосмической индустрии. Рост спроса на БПЛА для различных военных и гражданских приложений стимулирует инновации и разработку новых технологий, делая МЭМС-датчики ключевым фактором в обеспечении безопасности, надежности и эффективности систем БПЛА.