一文讀懂MEMS傳感器

導(dǎo)語(yǔ)：

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)。

技術(shù)優(yōu)勢(shì)：

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(diǎn)， 產(chǎn)能高，良品率高。 MEMS技術(shù)使數(shù)以萬(wàn)計(jì)的MEMS芯片（有些工藝也會(huì)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(guò)程目前已經(jīng)全自動(dòng)化控制，隔離了人為因素，確保了每一個(gè)MEMS芯片之間的工藝誤差可以得到嚴(yán)格的控制，從而提高了良品率。 切片、封裝之后，就成為了一個(gè)個(gè)的MEMS芯片。 從外觀上來(lái)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(jí)的特征尺寸使MEMS傳感器可以完成某些傳統(tǒng)機(jī)械傳感器所不能實(shí)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(jī)械傳感器，普遍應(yīng)用于消費(fèi)電子產(chǎn)品、汽車工業(yè)、航空航天、機(jī)械、化工及醫(yī)藥等各領(lǐng)域。 常見(jiàn)產(chǎn)品有壓力傳感器，加速度計(jì)，陀螺，靜電致動(dòng)光投影顯示器，DNA擴(kuò)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(lái)更清晰地認(rèn)識(shí)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麥克風(fēng)：

圖中，傳統(tǒng)麥克風(fēng)的七八種機(jī)械配件就全部集成在了一塊很小的MEMS傳感器芯片上了，體積非常小，重量也非常輕。 由于是芯片制造，一致性好、功耗低，更易于批量生產(chǎn)。 但是對(duì)技術(shù)的要求那就非常高了。 MEMS傳感器的出現(xiàn)極大的滿足了大家對(duì)產(chǎn)品小體積、高性能的要求。

MEMS傳感器的分類

MEMS傳感器不僅能夠感知被測(cè)參數(shù)，將其轉(zhuǎn)換成方便度量的信號(hào)； 而且能對(duì)所得到的信號(hào)進(jìn)行分析、處理和識(shí)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(xì)分方法。 如加速度計(jì)，按檢測(cè)質(zhì)量的運(yùn)動(dòng)方式劃分，有角振動(dòng)式和線振動(dòng)式加速度計(jì)等，常見(jiàn)的MEMS傳感器有壓力傳感器、加速度傳感器、微機(jī)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(wàn)為單位，且不同MEMS之間參量較多，沒(méi)有完全標(biāo)準(zhǔn)的工藝。

　　審核編輯：湯梓紅