h1_key

MEMS傳感器的全稱是微型電子機械系統(tǒng)(Micro-ElectroMechanicalSystem)，微機電系統(tǒng)是指將微機構(gòu)、微傳感器、微執(zhí)行器、信號處理和控制電路、接口、通信和電源集成到一個或多個芯片上的微設(shè)備或系統(tǒng)。MEMS傳感器是利用微電子和微機械加工技術(shù)制造的新型傳感器。

MEMS是一種基于傳統(tǒng)半導(dǎo)體技術(shù)和材料的先進制造技術(shù)。學(xué)科交叉現(xiàn)象極其明顯，主要包括微加工技術(shù)、機械/固態(tài)聲波理論、熱流理論、電子、材料、物理、化學(xué)、生物學(xué)、醫(yī)學(xué)等。經(jīng)過40多年的發(fā)展，它已成為世界上最重要的技術(shù)領(lǐng)域之一。

  加工工藝：

  MEMS技術(shù)基于已經(jīng)相當(dāng)成熟的微電子技術(shù)、集成電路技術(shù)及其加工工藝。它與傳統(tǒng)的IC工藝有許多相似之處，如光刻、薄膜沉積、摻雜、刻蝕、化學(xué)機械拋光工藝等，但是有些復(fù)雜的微結(jié)構(gòu)難以用IC工藝實現(xiàn)，必須采用微加工技術(shù)制造。

  微加工技術(shù)包括硅的體微加工技術(shù)、表面微加工技術(shù)和特殊微加工技術(shù)。體加工技術(shù)是指沿著硅襯底的厚度方向?qū)枰r底進行刻蝕的工藝，包括濕法刻蝕和干法刻蝕，是實現(xiàn)三維結(jié)構(gòu)的重要方法。表面微加工是采用薄膜沉積、光刻以及刻蝕工藝，通過在犧牲層薄膜上沉積結(jié)構(gòu)層薄膜，然后去除犧牲層釋放結(jié)構(gòu)層實現(xiàn)可動結(jié)構(gòu)。

除了上述兩種微加工技術(shù)以外，MEMS制造還廣泛地使用多種特殊加工方法，其中常見的方法包括鍵合、LIGA、電鍍、軟光刻、微模鑄、微立體光刻與微電火花加工等。

  應(yīng)用材料：

  硅基材料：大部分集成電路和MEMS的原材料是硅(Si)，這個神奇的VI族元素可以從二氧化硅中大量提取出來。而二氧化硅是什么?說的通俗一點，就是沙子。沙子君在經(jīng)歷了一系列復(fù)雜的加工過程之后，就變成了單晶硅，長這個樣子：

  這個長長的大柱子，直徑可以是 1 inch (2.5 cm) 到 12 inch (30 cm)，被切成一層層 500 微米厚的硅片 (英文：wafer，和威化餅同詞)，長這個樣子：

  采用以硅為主的材料，電氣性能優(yōu)良，硅材料的強度、硬度和楊氏模量與鐵相當(dāng)，密度與鋁類似，熱傳導(dǎo)率接近鉬和鎢。若單個MEMS傳感器芯片面積為5 mm x 5 mm，則一個8英寸(直徑20厘米)硅片(wafer)可切割出約1000個MEMS傳感器芯片，分攤到每個芯片的成本則可大幅度降低。

  非硅材料：近年來，MEMS的材料應(yīng)用上有被非硅材料逐漸替代的現(xiàn)象，學(xué)術(shù)研究人員現(xiàn)在開始專注于開發(fā)聚合物和紙基微型器件。利用這些材料開發(fā)的器件，不僅工藝環(huán)保，而且制作設(shè)備簡單、成本較低。相對硅材料，它們大幅縮減了研發(fā)經(jīng)費預(yù)算。許多聚合物和紙基微型器件的創(chuàng)新都指向了醫(yī)療應(yīng)用，對該領(lǐng)域來說，生物相容性和材料的柔性是基本要求。

  紙基和聚合物微型器件的功能和性能開發(fā)，目前還處于相對早期的階段，這類器件的生產(chǎn)設(shè)施現(xiàn)今也還沒有開發(fā)出來。這些新技術(shù)的成熟和商業(yè)化，可能還需要超過10年的時間。所以，基于硅材料的微型器件研究，還有很多創(chuàng)新工作要做，不然就會面臨發(fā)展停滯的風(fēng)險。

  技術(shù)優(yōu)勢：

  用MEMS工藝制造傳感器、執(zhí)行器或者微結(jié)構(gòu)， 具有微型化、集成化、智能化、成本低、效能高、可大批量生產(chǎn)等特點， 產(chǎn)能高，良品率高。MEMS技術(shù)使數(shù)以萬計的MEMS芯片(有些工藝也會把集成電路芯片放在同一步驟加工)出現(xiàn)在了每一片wafer上面，如下圖所示。

  這種批量生產(chǎn)(batch process)的過程目前已經(jīng)全自動化控制，隔離了人為因素，確保了每一個MEMS芯片之間的工藝誤差可以得到嚴格的控制，從而提高了良品率。切片、封裝之后，就成為了一個個的MEMS芯片。從外觀上來看，大部分的MEMS芯片和集成電路芯片是差不多的。

綜上所述，微米量級的特征尺寸使MEMS傳感器可以完成某些傳統(tǒng)機械傳感器所不能實現(xiàn)的功能。是微型傳感器的主力軍，正在逐漸取代傳統(tǒng)機械傳感器，普遍應(yīng)用于消費電子產(chǎn)品、汽車工業(yè)、航空航天、機械、化工及醫(yī)藥等各領(lǐng)域。常見產(chǎn)品有壓力傳感器，加速度計，陀螺，靜電致動光投影顯示器，DNA擴增微系統(tǒng)，催化傳感器。

  與傳統(tǒng)傳感器的區(qū)別：

在下面的圖片中，以麥克風(fēng)為例我們來更清晰地認識一下傳統(tǒng)麥克風(fēng)和MEMS麥克風(fēng)的區(qū)別。

  傳統(tǒng)的駐極體麥克風(fēng)：

  MEMS傳感器的分類

  MEMS傳感器不僅能夠感知被測參數(shù)，將其轉(zhuǎn)換成方便度量的信號;而且能對所得到的信號進行分析、處理和識別、判斷，因此形象地被稱為智能傳感器。

  MEMS傳感器的種類繁多，也有很多分類的方法。下面是按照工作原理分類：

每一種MEMS傳感器又有很多種細分方法。如加速度計，按檢測質(zhì)量的運動方式劃分，有角振動式和線振動式加速度計等，常見的MEMS傳感器有壓力傳感器、加速度傳感器、微機械陀螺儀、慣性傳感器、MEMS硅麥克風(fēng)等等;MEMS傳感器的品種多到可以以萬為單位，且不同MEMS之間參量較多，沒有完全標(biāo)準(zhǔn)的工藝。

  MEMS工藝流程

  MEMS傳感器作為國際競爭戰(zhàn)略的重要標(biāo)志性產(chǎn)業(yè)，以其技術(shù)含量高、市場前景廣闊等特點備受世界各國的關(guān)注。近十年來，中國MEMS傳感器產(chǎn)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)也正逐步完善，從研發(fā)、設(shè)計、代工、封測到應(yīng)用，完整產(chǎn)業(yè)鏈已基本形成，國家對MEMS傳感器行業(yè)也給予了前所未有的政策支持。我國MEMS產(chǎn)業(yè)發(fā)展面臨了重大的機遇，特別是移動互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，將對MEMS產(chǎn)業(yè)產(chǎn)生深遠的影響，并將催生大量新的產(chǎn)品、新的應(yīng)用，帶動MEMS產(chǎn)品在日常生活及工業(yè)生產(chǎn)中的普及化。