MEMS傳感器概念、分類(lèi)等基礎(chǔ)知識(shí)詳解

關(guān)于MEMS傳感器的基礎(chǔ)知識(shí)，你了解多少？本文將從MEMS傳感器的概念、制造及工藝、MEMS傳感器與傳統(tǒng)傳感器的區(qū)別、MEMS傳感器的分類(lèi)幾大部分詳解，幫助初識(shí)MEMS傳感器的讀者快速了解這一重要器件。

傳感器發(fā)展到今天，小型化、智能化、集成化，已經(jīng)是升級(jí)換代的必由之路。今天，我們來(lái)為大家介紹一下傳感器家族的mini型產(chǎn)品——--MEMS傳感器。

什么是MEMS傳感器？

MEMS的全稱(chēng)是微型電子機(jī)械系統(tǒng)（Micro-ElectroMechanical System），微機(jī)電系統(tǒng)是指可批量制作的，將微型機(jī)構(gòu)、微型傳感器、微型執(zhí)行器以及信號(hào)處理和控制電路、直至接口、通信和電源等集成于一塊或多塊芯片上的微型器件或系統(tǒng)。而MEMS傳感器就是采用微電子和微機(jī)械加工技術(shù)制造出來(lái)的新型傳感器。

MEMS是用傳統(tǒng)的半導(dǎo)體工藝和材料，以半導(dǎo)體制造技術(shù)為基礎(chǔ)發(fā)展起來(lái)的一種先進(jìn)的制造技術(shù)，學(xué)科交叉現(xiàn)象極其明顯，主要涉及微加工技術(shù)，機(jī)械學(xué)/固體聲波理論，熱流理論，電子學(xué)、材料、物理學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)、醫(yī)學(xué)等等。經(jīng)過(guò)四十多年的發(fā)展，已成為世界矚目的重大科技領(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(jī)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(shí)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(jìn)行刻蝕的工藝，包括濕法刻蝕和干法刻蝕，是實(shí)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(guò)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(shí)現(xiàn)可動(dòng)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(jiàn)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(gè)神奇的VI族元素可以從二氧化硅中大量提取出來(lái)。而二氧化硅是什么？說(shuō)的通俗一點(diǎn)，就是沙子。沙子君在經(jīng)歷了一系列復(fù)雜的加工過(guò)程之后，就變成了單晶硅，長(zhǎng)這個(gè)樣子：

這個(gè)長(zhǎng)長(zhǎng)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(zhǎng)這個(gè)樣子：

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

非硅材料：近年來(lái)，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(kāi)始專(zhuān)注于開(kāi)發(fā)聚合物和紙基微型器件。利用這些材料開(kāi)發(fā)的器件，不僅工藝環(huán)保，而且制作設(shè)備簡(jiǎn)單、成本較低。相對(duì)硅材料，它們大幅縮減了研發(fā)經(jīng)費(fèi)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(duì)該領(lǐng)域來(lái)說(shuō)，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(kāi)發(fā)，目前還處于相對(duì)早期的階段，這類(lèi)器件的生產(chǎn)設(shè)施現(xiàn)今也還沒(méi)有開(kāi)發(fā)出來(lái)。這些新技術(shù)的成熟和商業(yè)化，可能還需要超過(guò)10年的時(shí)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(huì)面臨發(fā)展停滯的風(fēng)險(xiǎn)。