迅速增長的MEMS傳感器和執(zhí)行器應(yīng)用

傳感器和執(zhí)行器是物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的重要組成部分。智能傳感器構(gòu)成物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的感知層，是完成物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集的最直接的系統(tǒng)單元。一個獨立工作的物聯(lián)網(wǎng)終端一般由傳感器、數(shù)據(jù)處理單元（處理器加存儲器）、電源管理單元和無線通訊單元組成。在這樣的終端中，由傳感器采集的數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)處理單元的處理，由無線通訊系統(tǒng)傳遞到云端，實現(xiàn)與整個網(wǎng)絡(luò)的連接。物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用對傳感器的要求包括：器件微型化、功能集成化 、低成本和海量制造。其中低成本和海量制造兩者直接關(guān)聯(lián)。由硅基集成電路制造技術(shù)衍生出的MEMS技術(shù)能夠滿足上述要求，成為物聯(lián)網(wǎng)時代微型傳感器技術(shù)的主流生產(chǎn)技術(shù)。

圖1 物聯(lián)網(wǎng)終端的四個系統(tǒng)單元

應(yīng)用廣泛的MEMS

MEMS是微機電系統(tǒng)（Micro-Electro-Mechanical System）的簡稱。它有兩個特征：其一是器件尺寸在微米或納米量級；其二是通常有一個懸空的運動部件以實現(xiàn)感知或傳動功能，比如圖2中的懸臂梁。當懸臂梁的運動狀態(tài)發(fā)生變化時，設(shè)計好的機電耦合裝置就把機械運動轉(zhuǎn)化成電信號。機電耦合的方法很多，比如把懸臂梁和下面的電極組成一個電容器，就可以實現(xiàn)輸出的電壓信號獲得關(guān)于懸臂梁運動的信息。在懸臂梁上附著能夠感知外部環(huán)境的薄膜材料，即增感層，就能制成各種各樣的傳感器。比如，感知運動的傳感器用以檢測壓力、加速度、運動方向、扭曲、流量、風力等。感知聲波的MEMS麥克風便是一種十分常見的聲學傳感器，在手機和移動終端上獲得非常廣泛的應(yīng)用。MEMS上附著光敏層，可把光轉(zhuǎn)化成熱，改變懸臂梁形狀，從而形成光敏傳感器、紅外傳感器等。

圖2 MEMS器件結(jié)構(gòu)示意圖

MEMS技術(shù)還可以用電信號操控懸臂梁的運動，制成執(zhí)行器（actuators），比如微電機、微開關(guān)、微泵、噴墨打印頭等。手機中廣泛應(yīng)用的MEMS揚聲器就是一種典型的執(zhí)行器。采用MEMS還可制成應(yīng)用于光學系統(tǒng)的微鏡、微投影、微光閘等電控光學器件。還有一類采用MEMS工藝制造的器件，利用懸臂梁的力學諧振功能制成高頻濾波器，有望取代聲表面波濾波器。此外，還有采用運動部件把機械運動動能轉(zhuǎn)化成電能并加以儲存的能量采集器件（energy harvest）等。

作為產(chǎn)品的MEMS傳感器出現(xiàn)較晚。上世紀80年代，人們才把硅懸臂梁結(jié)構(gòu)封裝在玻璃上制成了第一款用于發(fā)動機控制的MEMS傳感器。上世紀90年代，MEMS加速度計開始用于汽車安全氣囊；此外，MEMS壓力傳感器開始在血壓計中得到應(yīng)用；采用MEMS技術(shù)制造的噴墨打印頭則應(yīng)用于打印機，成為第一款廣泛使用的消費類MEMS執(zhí)行器。2000到2010年間，MEMS傳感器和執(zhí)行器得到大幅推廣，出現(xiàn)了用于測量輪胎壓強的胎壓傳感器，監(jiān)測相機和手機等裝置水平和豎直運動的陀螺儀，基于MEMS技術(shù)的麥克風和揚聲器、MEMS開關(guān)、紅外圖像傳感器、指紋識別傳感器等一批產(chǎn)品。

2010年以來，在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)需求的驅(qū)動下，各種各樣的MEMS傳感器和執(zhí)行器在可穿戴系統(tǒng)、虛擬現(xiàn)實產(chǎn)品、智能家居、智能手機、智能制造、汽車和自動駕駛等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用（圖3），產(chǎn)品包括各種運動傳感器和執(zhí)行器、氣敏/濕敏/光敏傳感器、紅外成像傳感器等。僅應(yīng)用于智能手機中的MEMS器件產(chǎn)品已經(jīng)有十幾種，包括9軸慣性傳感器、MEMS麥克風、RF MEMS、氣壓計、溫濕度傳感器、氣體傳感器、自動對焦執(zhí)行器、光學MEMS等。未來還可能引入能量收集器、紅外成像傳感器、紫外傳感器、超聲波傳感器等。

圖3 迅速增長的MEMS傳感器和執(zhí)行器應(yīng)用

基于CMOS的制造技術(shù)

MEMS制造技術(shù)衍生自CMOS集成電路制造技術(shù)。在過去的50多年時間里，CMOS集成電路制造技術(shù)發(fā)展迅猛，成為有史以來精細度和復(fù)雜度最高的制造技術(shù)，單從器件尺寸上說，從1970年代的1微米線寬，已經(jīng)縮微到現(xiàn)在的20納米線寬，使得單位硅襯底面積上的器件數(shù)量有了極大地提高。在器件圖形化方面，CMOS技術(shù)的工藝能力遠遠超過MEMS器件制造的需求?？梢哉f，CMOS集成電路制造技術(shù)為MEMS制造奠定了十分堅實的基礎(chǔ)。但另一方面，MEMS制造工藝又有它不同于CMOS制造的特點。首先，是它獨特的懸臂梁部件形成工藝。目前可供選用的懸臂梁形成工藝有兩類，一類采用犧牲層工藝，另一類采用晶圓鍵合工藝。圖4（左）給出了采用犧牲層工藝形成懸臂梁的流程示意圖。具體做法是在硅襯底表面沉積犧牲層，比如二氧化硅層、結(jié)構(gòu)層、多晶硅層。之后采用特殊的工藝涉及，通過光刻、刻蝕、化學機械拋光（CMP）等CMOS圖形化工藝將犧牲層暴露出來，并用化學溶劑（濕法）或化學蒸汽（干法）把吸收層腐蝕掉，使結(jié)構(gòu)層懸空，形成懸臂梁。圖4（右）展示的是采用晶圓鍵合工藝形成懸臂梁的流程示意圖。具體做法是在硅襯底上先形成懸臂梁下的空腔，再將結(jié)構(gòu)層晶圓表面向下，與襯底晶圓鍵合在一起。之后采用減薄技術(shù)，將結(jié)構(gòu)晶圓從背面減薄，只保留滿足懸臂梁要求的厚度。再通過光刻、刻蝕等CMOS圖形化工藝，形成懸臂梁。兩種技術(shù)方案的區(qū)別在于前者的工藝相對簡單，除了在采用蒸汽刻蝕時需要引入特殊的蒸汽刻蝕設(shè)備，基本可使用現(xiàn)有的CMOS工業(yè)設(shè)備，與CMOS制造的兼容性好。而采用晶圓鍵合工藝需要使用晶圓鍵合設(shè)備，因此技術(shù)復(fù)雜度相對較高，并因此增加了一些制造成本。它的優(yōu)點是懸臂梁的質(zhì)量和工藝一致性高。在犧牲層工藝中，結(jié)構(gòu)層是由高溫沉積形成的多晶硅材料，層內(nèi)不可避免地殘存有應(yīng)力。這樣，薄膜生長工藝條件的漲落很容易造成片內(nèi)和片間均勻性問題，甚至造成良率的降低。采用鍵合工藝形成的結(jié)構(gòu)層是單晶材料，層內(nèi)沒有高溫生長帶來的應(yīng)力，材料性能的一致性好，對良率提升有很大助益。

圖4 兩種制備MEMS懸臂梁結(jié)構(gòu)的工藝流程

MEMS工藝不同于CMOS工藝的另一個方面在于前者對封裝的特殊要求。對CMOS來說，當器件通過互連方式完成多層布線，即可通過側(cè)面打線、倒裝焊接，或者基于硅通孔（TSV）技術(shù)的多維（2.5D/3D）封裝進行封裝連線，再用塑料封裝填充封裝。而對MEMS來說，器件的懸臂梁結(jié)構(gòu)必須能夠自由運動，因此，不能像CMOS那樣進行填充封裝，而必須采用帽封方式，把懸臂梁等部件用封帽罩起來。帽內(nèi)不填注材料。特別是運動型MEMS器件，需要在封帽內(nèi)保持真空。因此MEMS封裝帶來了很大的工藝復(fù)雜度和成本上升。在采用單芯片帽封工藝時，真空封裝的MEMS制造成本中，封裝占70%以上。一個降低成本的手段是采用晶圓級封裝，即在一個硅片上，設(shè)計制造一個空腔，形成封蓋晶圓，再把封蓋晶圓蓋到器件晶圓上，實現(xiàn)晶圓級真空封裝。為了與晶圓級封裝相匹配，還要考慮電學引線的連出。圖5給出了用過硅通過連線和晶圓級封裝完成的MEMS器件結(jié)構(gòu)示意圖。

圖5 通過硅通孔連線和晶圓級封裝完成的MEMS器件結(jié)構(gòu)示意圖

機遇及挑戰(zhàn)

MEMS技術(shù)有非常廣闊的應(yīng)用前景，特別是進入物聯(lián)網(wǎng)時代，只有MEMS能夠滿足物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用對傳感器和執(zhí)行器的要求。首先，MEMS的尺寸完全滿足物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的微型化要求。其次，MEMS技術(shù)與CMOS技術(shù)的兼容性，使之很容易滿足物聯(lián)網(wǎng)對傳感器和執(zhí)行器的智能化要求。采用相同的工藝線，可以同時完成CMOS集成電路和MEMS器件的制造，實現(xiàn)兩者的異質(zhì)集成。異質(zhì)集成可以通過在同一顆芯片上完成兩者的制造和相互連接，也可以在不同的晶圓上制造，再通過2.5D或3D封裝集成到同一個系統(tǒng)。第三個優(yōu)勢是MEMS在能量損耗上的優(yōu)勢。物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用在功耗方面的要求比其它應(yīng)用環(huán)境要嚴苛得多。MEMS的感知和執(zhí)行方式使它成為能耗較低的器件，最可能成為滿足物聯(lián)網(wǎng)功耗要求的技術(shù)。還有一個優(yōu)勢是它能夠滿足物聯(lián)網(wǎng)對傳感器/執(zhí)行器的數(shù)量要求。硅基集成電路技術(shù)可以在一個晶圓上制造出數(shù)萬顆MEMS傳感器，同時具有低廉的制造成本。得益于CMOS制造技術(shù)發(fā)展過程中的研發(fā)投入，MEMS制造所需設(shè)備、工藝制造技術(shù)都已經(jīng)存在。只需做較小的調(diào)整和開發(fā)，就可以用于MEMS生產(chǎn)。事實上，目前世界上用于MEMS制造的生產(chǎn)線主要還是從CMOS主流產(chǎn)品制造上淘汰下來的8英寸線。采用這些產(chǎn)線，即可用于滿足海量制造的要求，又可以使每一顆MEMS的制造成本降到滿足消費類產(chǎn)品的價格要求的程度。

由于MEMS市場的應(yīng)用種類繁多，產(chǎn)品生產(chǎn)技術(shù)的多樣化，為中小企業(yè)帶來了機遇。特別是之前有過技術(shù)積累的企業(yè)，將會在很多市場中發(fā)現(xiàn)機會，贏得企業(yè)的快速發(fā)展。但從另一方面來講，MEMS生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展和企業(yè)的成長也面臨著一些特殊的挑戰(zhàn)。首先，MEMS的市場細分化突出，使得單一產(chǎn)品的需求總量相對集成電路產(chǎn)品來說小很多，而MEMS產(chǎn)品生產(chǎn)線的投入相對較大，使得投資風險高，投資回報周期長，在一定程度上限制了MEMS產(chǎn)業(yè)和企業(yè)的發(fā)展。要破解中小企業(yè)在產(chǎn)業(yè)技術(shù)開發(fā)和獲得投資人信心上的困難，促進國家和地方MEMS產(chǎn)業(yè)的集聚和發(fā)展，一個可行的措施是建立公共技術(shù)研發(fā)平臺，為中小企業(yè)提供工藝研發(fā)和中試服務(wù)，努力減少投資的盲目性，增強初創(chuàng)企業(yè)的生成能力。

近年來，中國科學院微電子研究所建立了完整的MEMS工藝中試線，采用工業(yè)界標準的生產(chǎn)設(shè)備為企業(yè)提供研發(fā)服務(wù)，取得了很好的社會效益。相信通過國家、地方和企業(yè)的共同努力，踐行產(chǎn)學研合作的理念，將能夠克服產(chǎn)業(yè)發(fā)展遇到的困難，推動MEMS產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展，及時滿足物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展對傳感器和執(zhí)行器的不斷迅速增長的需求。
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