1 乘風(fēng)智能制造，MEMS傳感器工藝逐漸成熟

什么是MEMS

微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS, Micro-Electro-Mechanical System），也叫做微電子機(jī)械系統(tǒng)、微系統(tǒng)、微機(jī)械等，指尺 寸在幾毫米乃至更小的高科技裝置。微機(jī)電系統(tǒng)其內(nèi)部結(jié)構(gòu)一般在微米甚至納米量級(jí)。微機(jī)電系統(tǒng)是在微 電子技術(shù)（半導(dǎo)體制造技術(shù)）基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，融合了光刻、腐蝕、薄膜、LIGA、硅微加工、非硅微加 工和精密機(jī)械加工等技術(shù)制作的高科技電子機(jī)械器件。

MEMS是一個(gè)獨(dú)立的智能系統(tǒng)，可大批量生產(chǎn)，其 系統(tǒng)尺寸在幾毫米乃至更小，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)一般在微米甚至納米量級(jí)。例如，常見的MEMS產(chǎn)品尺寸一般都 在3mm×3mm×1.5mm，甚至更小。

一個(gè)MEMS傳感器里面最重要的芯片為MEMS芯片和ASIC芯片，其中 MEMS芯片負(fù)責(zé)感知信號(hào)，將測(cè)量量轉(zhuǎn)化為電阻、電容等信號(hào)變化；ASIC芯片負(fù)責(zé)將電容、電阻等信號(hào)轉(zhuǎn) 換為電信號(hào)，其中涉及到信號(hào)的轉(zhuǎn)換和放大等功能。

MEMS傳感器

MEMS傳感器是基于微機(jī)電系統(tǒng)的典型傳感器件。它是 指可以批量制造的，集微結(jié)構(gòu)、微傳感器、微執(zhí)行器 以及信號(hào)處理和控制電路于一體的器件或系統(tǒng)。其特 征尺寸一般在0.1m～100m范圍。MEMS集成了當(dāng)今 科學(xué)技術(shù)的許多尖端成果，它將感知信息處理與執(zhí)行 機(jī)構(gòu)相結(jié)合，改變了人類感知和控制外部世界的方式。

與傳統(tǒng)的機(jī)械傳感器相比，MEMS傳感器具有體積小、 重量輕、成本低、功耗低、可靠性高、適于批量化生 產(chǎn)、易于集成和實(shí)現(xiàn)智能化等特點(diǎn)。在微米量級(jí)的特 征尺寸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。因此，MEMS傳感器正逐步取代傳統(tǒng)機(jī) 械傳感器的主導(dǎo)地位，在消費(fèi)電子產(chǎn)品、汽車工業(yè)、 航空航天、機(jī)械、化工及醫(yī)藥等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。

MEMS傳感器應(yīng)用領(lǐng)域

MEMS傳感器種類極多，可應(yīng)用于物理、化學(xué)、 生物等領(lǐng)域信號(hào)的探測(cè)，較為常見的種類有加速 度傳感器、慣 性 傳 感 器、壓 力 傳 感 器、 MEMS 陀 螺 儀 以 及MEMS 麥克風(fēng)等。目前 MEMS 傳感器在消費(fèi)電子、醫(yī)療、汽車電 子以及工業(yè)等應(yīng)用領(lǐng)域占比最高，分別占據(jù) 41.8%、28.1%、16.7%和 9.1%。

2 夯實(shí)科技強(qiáng)國基礎(chǔ)，MEMS傳感器無處不在

MEMS壓力傳感器

MEMS壓力傳感器是一種薄膜元件，受到壓力時(shí)變形?？梢岳脩?yīng)變儀（壓阻型感測(cè)）來測(cè)量這種形變， 也可以通過電容感測(cè)兩個(gè)面之間距離的變化來加以測(cè)量。這兩種方法都很流行，輪胎壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)使用比 較結(jié)實(shí)的壓阻方法。

常見的壓力傳感器有三種：壓阻式、電容式和壓電式。具有體積小、重量輕、靈敏度高、精度高、動(dòng)態(tài)特性好、耐腐蝕、零位小等優(yōu)點(diǎn) 。隨著MEMS壓力傳感器的出現(xiàn)和普及，智能手機(jī)中用壓力傳感器也越來越多，主要用來測(cè)量大氣壓力。測(cè) 量大氣壓的目的，是為了通過不同高度的氣壓，來計(jì)算海拔高度，同GPS定位信號(hào)配合，實(shí)現(xiàn)更為精確的 三維定位，譬如爬樓高度、爬樓梯級(jí)數(shù)等都可以檢測(cè)。MEMS壓力傳感器的原理也非常簡單，核心結(jié)構(gòu)就是一層薄膜元件，受到壓力時(shí)變形，形變會(huì)導(dǎo)致材料的 電性能（電阻、電容）改變。因此可以利用壓阻型應(yīng)變儀來測(cè)量這種形變，進(jìn)而計(jì)算受到的壓力。

MEMS壓力傳感器應(yīng)用

MEMS壓力傳感器是使用最廣泛的 MEMS傳感器產(chǎn)品之一，通常應(yīng)用于智能手機(jī)、航空航天、汽車、 生物醫(yī)藥以及工藝控制等領(lǐng)域，按照壓力探測(cè)方式可以分為壓阻式、電容式、諧振傳感等，而最為 常用的是壓阻式和電容式，因此這兩種壓力傳感器的技術(shù)迭代也最為活。

為充分降低微壓MEMS傳感器中測(cè)量的敏感性和線性度之間的矛盾，不斷提高微壓傳感器測(cè)量精度， 一種新型的FBBM結(jié)構(gòu)應(yīng)運(yùn)而生，該結(jié)構(gòu)包含了 4 個(gè)短梁和一個(gè)位于中心的方形凸塊，通過減少傳感 膜結(jié)構(gòu)偏轉(zhuǎn)程度達(dá)到進(jìn)一步降低壓力的非線性，并提高了壓阻靈敏度，達(dá)到了提升微壓MEMS傳感器 精度的目標(biāo)。

MEMS加速度計(jì)

加速度計(jì)是一種能夠測(cè)量物體線加速度的器 件。加速度計(jì)的理論基礎(chǔ)是牛頓第二定律， 傳感器在加速過程中，可通過對(duì)質(zhì)量塊所受 慣性力的測(cè)量計(jì)算出加速度值。如果初速度 已知，就可以通過對(duì)時(shí)間積分得到線速度， 再次積分即可計(jì)算出直線位移。加速度計(jì)已 經(jīng)廣泛應(yīng)用于導(dǎo)航定位、姿態(tài)感知、狀態(tài)監(jiān) 測(cè)、平臺(tái)穩(wěn)定等領(lǐng)域。

MEMS加速度計(jì)的核心是一顆MEMS芯片、 一顆ASIC芯片及應(yīng)力隔離封裝。其產(chǎn)品構(gòu)造 與前述陀螺儀基本相同。MEMS加速度計(jì)利 用敏感結(jié)構(gòu)將線加速度的變化轉(zhuǎn)換為電容的 變化量，最終通過專用集成電路讀出電容值 的變化，得到物體運(yùn)動(dòng)的加速度值。產(chǎn)品主 要包含加速度計(jì)敏感結(jié)構(gòu)和ASIC芯片，ASIC 芯片由電容/電壓變換電路和數(shù)字部分組成。

MEMS生物醫(yī)學(xué)傳感器

微傳感器是構(gòu)成任何生物MEMS產(chǎn)品最基本的組元，在 生物醫(yī)學(xué)中，常用的兩類傳感器是生物醫(yī)學(xué)傳感器和生 物傳感器。生物醫(yī)學(xué)傳感器可以分成用于測(cè)量生物學(xué)物質(zhì)的生物醫(yī) 學(xué)儀器和用以醫(yī)學(xué)診斷為目的的儀器，他們通常只需要 小量的樣本，大大加快分析速度。生物傳感器的工作原理基于待檢測(cè)分析物與生物學(xué)方法 產(chǎn)生的生物分子的相互作用，這些分子包括某種形式的 酶、抗體和其他形式的蛋白。這些生物分子附著在傳感 元單元上，當(dāng)它們和被分析物相互作用時(shí)可以改變傳感 器的輸出信號(hào)。

3 著眼未來，重視MEMS傳感器國產(chǎn)替代機(jī)遇

不同MEMS傳感器的比較

由于MEMS傳感器測(cè)量的外部信號(hào)不同，不同類型的MEMS傳感器技術(shù)差異較大。MEMS慣性傳感器主要檢測(cè)物體的運(yùn)動(dòng)，需要將傳感器安裝在載體上用于檢測(cè)載體的運(yùn)動(dòng)，因此多為密 閉式封裝。而壓力/光學(xué)/聲學(xué)傳感器需要通過直接接觸被測(cè)量，所以多為開放式封裝，同時(shí)需要結(jié)合使 用環(huán)境設(shè)計(jì)有利于檢測(cè)信號(hào)的傳感器敏感單元表面結(jié)構(gòu)。

MEMS慣性傳感器相對(duì)于壓力傳感器、聲學(xué)傳感器等其他類型的傳感器應(yīng)用領(lǐng)域較廣，在高可靠領(lǐng)域及 其他工業(yè)、消費(fèi)領(lǐng)域均具備豐富的應(yīng)用場(chǎng)景，不同應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)于性能、成本、功耗、體積的要求差異較 大。相對(duì)于在工業(yè)及消費(fèi)領(lǐng)域應(yīng)用較廣的聲學(xué)傳感器、環(huán)境傳感器等，高性能MEMS慣性傳感器多應(yīng)用 于高可靠領(lǐng)域，復(fù)雜環(huán)境下對(duì)于產(chǎn)品性能要求高，因此對(duì)產(chǎn)品可靠性提出了更嚴(yán)格的需求，存在較高的 技術(shù)門檻。

MEMS傳感器發(fā)展困境

相較于美國、日本等科技大國，國內(nèi)對(duì)于 MEMS技術(shù)的研究稍顯落后，在20世紀(jì)80年 代末才開始成為國家重點(diǎn)研究項(xiàng)目之一。經(jīng) 過近三十年的發(fā)展，國產(chǎn)MEMS在技術(shù)方面 有了實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展，在市場(chǎng)應(yīng)用方面逐步實(shí) 現(xiàn)了長效積累。例如在MEMS麥克風(fēng)市場(chǎng)， 全球四大公司占據(jù)市場(chǎng)話語權(quán)，其中兩家來 自中國，歌爾股份和瑞聲科技，他們還正在 挑戰(zhàn)樓氏電子的領(lǐng)袖地位，勢(shì)頭兇猛。

伴隨著消費(fèi)電子、汽車電子、工業(yè)、醫(yī)療等 領(lǐng)域的快速發(fā)展，市場(chǎng)對(duì)MEMS產(chǎn)品的需求 變得十分迫切，MEMS市場(chǎng)如同空池一般急 需更多水源流入。

制造MEMS器件不僅需要成熟且豐富的工藝技術(shù)，還要有足夠多的產(chǎn)線保證產(chǎn)能。目前，國內(nèi)提供專業(yè) MEMS代工服務(wù)的有中芯國際、無錫華潤上華、上海先進(jìn)等。除了以上企業(yè)能夠滿足代工產(chǎn)能和良率要 求之外，其他大多數(shù)國內(nèi)MEMS代工企業(yè)還未積累起足夠的工藝技術(shù)儲(chǔ)備和大規(guī)模市場(chǎng)驗(yàn)證反饋的經(jīng)驗(yàn)， 并且在加工工藝的一致性、可重復(fù)性也都不能滿足設(shè)計(jì)需要，產(chǎn)品的良率和可靠性更是無法達(dá)到規(guī)模生 產(chǎn)要求。

在這樣的情況之下，設(shè)計(jì)公司也只能選擇與國外成熟代工廠合作，才能保證產(chǎn)品的質(zhì)量。而在 后端的封裝測(cè)試環(huán)節(jié)，情況則較為樂觀，南通富士通、晶方半導(dǎo)體、華天科技、長電科技、通富微電等 企業(yè)能夠滿足產(chǎn)品質(zhì)量和數(shù)量的要求。

MEMS傳感器發(fā)展前景

隨著國產(chǎn)MEMS傳感器產(chǎn)業(yè)逐漸完善，MEMS將傳感器“芯片化”的能力得到了廣泛的認(rèn)可，因此很多 人在談?wù)搰a(chǎn)傳感器發(fā)展趨勢(shì)時(shí)，除了過往的集成化、小型化和智能化等，有時(shí)也會(huì)加上“MEMS化”。設(shè)備小型化、耗化未來，不斷縮小產(chǎn)品尺寸、降低產(chǎn)品成本是MEMS傳感器行業(yè)的重要發(fā)展趨勢(shì)之 一。隨著人工智能和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，MEMS傳感器的應(yīng)用場(chǎng)景將更加多元。

MEMS傳感器是人工智 能重要的底層硬件之一，傳感器收集的數(shù)據(jù)越豐富和精準(zhǔn)，人工智能的功能才會(huì)越完善。未來，智能家 居、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、車聯(lián)網(wǎng)、智能城市、機(jī)器人等新產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域都將為MEMS傳感器行業(yè)帶來廣闊的市場(chǎng)空 間。展望未來，技術(shù)水平的不斷提高，使市場(chǎng)對(duì)“小而智能”的傳感器需求越來越大，特別是在物聯(lián)網(wǎng)等應(yīng) 用的推動(dòng)下，MEMS傳感器的應(yīng)用空間也愈發(fā)廣闊。

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審核編輯 黃宇