你真的懂MEMS嗎？

　　微機電系統(Micro-Electro Mechanical System)是指尺寸在幾毫米乃至更小的傳感器裝置，其內部結構一般在微米甚至納米量級，是一個(gè)獨立的智能系統。簡(jiǎn)單理解， MEMS 就是將傳統傳感器的機械部件微型化后，通過(guò)三維堆疊技術(shù)，例如三維硅穿孔 TSV 等技術(shù)把器件固定在硅晶元(wafer)上，最后根據不同的應用場(chǎng)合采用特殊定制的封裝形式， 最終切割組裝而成的硅基傳感器。 受益于普通傳感器無(wú)法企及的 IC 硅片加工批量化生產(chǎn)帶來(lái)的成本優(yōu)勢， MEMS 同時(shí)又具備普通傳感器無(wú)法具備的微型化和高集成度。

　　傳統 ECM 駐極體電容麥克風(fēng)/Apple Watch 樓氏 MEMS 硅麥克風(fēng)

　　諸如最典型的半導體發(fā)展歷史： 從 20 世紀初在英國物理學(xué)家弗萊明手下發(fā)明的第一個(gè)電子管，到 1943 年擁有 17468 個(gè)電子三極管的 ENIAC 和 1954 年誕生裝有 800 個(gè)晶體管的計算機 TRADIC， 到 1954 年飛兆半導體發(fā)明了平面工藝使得集成電路可以量產(chǎn)， 從而誕生了 1964 年具有里程碑意義的首款使用集成電路的計算機 IBM 360。 模擬量到數字化、 大體積到小型化以及隨之而來(lái)的高度集成化，是所有近現代化產(chǎn)業(yè)發(fā)展前進(jìn)的永恒追求。

      半導體的發(fā)展歷史： 從電子管-晶體管-集成電路

　　正因為 MEMS 擁有如此眾多跨世代的優(yōu)勢， 目前來(lái)看我們認為其是替代傳統傳感器的唯一可能選擇，也可能是未來(lái)構筑物聯(lián)網(wǎng)感知層傳感器最主要的選擇之一。

　　1)微型化： MEMS 器件體積小， 一般單個(gè) MEMS 傳感器的尺寸以毫米甚至微米為計量單位， 重量輕、耗能低。 同時(shí)微型化以后的機械部件具有慣性小、諧振頻率高、響應時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)。 MEMS 更高的表面體積比(表面積比體積) 可以提高表面傳感器的敏感程度。

　　2)硅基加工工藝，可兼容傳統 IC 生產(chǎn)工藝：硅的強度、硬度和楊氏模量與鐵相當，密度類(lèi)似鋁，熱傳導率接近鉬和鎢，同時(shí)可以很大程度上兼容硅基加工工藝。

　　3)批量生產(chǎn)： 以單個(gè) 5mm*5mm 尺寸的 MEMS 傳感器為例， 用硅微加工工藝在一片 8 英寸的硅片晶元上可同時(shí)切割出大約 1000 個(gè) MEMS 芯片， 批量生產(chǎn)可大大降低單個(gè) MEMS 的生產(chǎn)成本。

　　4)集成化： 一般來(lái)說(shuō)，單顆 MEMS 往往在封裝機械傳感器的同時(shí)， 還會(huì )集成ASIC 芯片，控制 MEMS 芯片以及轉換模擬量為數字量輸出。 同時(shí)不同的封裝工藝可以把不同功能、不同敏感方向或致動(dòng)方向的多個(gè)傳感器或執行器集成于一體，或形成微傳感器陣列、微執行器陣列，甚至把多種功能的器件集成在一起，形成復雜的微系統。微傳感器、微執行器和微電子器件的集成可制造出可靠性、穩定性很高的 MEMS。 隨著(zhù) MEMS 的工藝的發(fā)展，現在傾向于單個(gè) MEMS 芯片中整合更多的功能， 實(shí)現更高的集成度。 例如慣性傳感器 IMU(Inertial measurement unit) 中， 從最早的分立慣性傳感器，到 ADI 推出的一個(gè)封裝內中集成了三軸陀螺儀、加速度計、磁力計和一個(gè)壓力傳感器以及 ADSP-BF512 Blackfin 處理器的 10 自由度高精度 MEMS 慣性測量單元。

　　5)多學(xué)科交叉： MEMS 涉及電子、機械、材料、制造、信息與自動(dòng)控制、物理、化學(xué)和生物等多種學(xué)科，并集約了當今科學(xué)技術(shù)發(fā)展的許多尖端成果。MEMS 是構筑物聯(lián)網(wǎng)的基礎物理感知層傳感器的最主要選擇之一。 由于物聯(lián)網(wǎng)特別是無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )對器件的物理尺寸、功耗、成本等十分敏感，傳感器的微型化對物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展至關(guān)重要。 MEMS 微機電系統結合兼容傳統的半導體工藝， 采用微米技術(shù)在芯片上制造微型機械，并將其與對應電路集成為一個(gè)整體的技術(shù)，它是以半導體制造技術(shù)為基礎發(fā)展起來(lái)的， 批量化生產(chǎn)能滿(mǎn)足物聯(lián)網(wǎng)對傳感器的巨大需求量和低成本要求。

　　物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代到來(lái)，MEMS的機會(huì )

　　全球半導體產(chǎn)業(yè)中， PC 在主導產(chǎn)業(yè) 10 多年后， 已經(jīng)逐漸讓位于消費電子， 隨著(zhù)摩爾定律逐漸到達其瓶頸， 制程的進(jìn)步已經(jīng)漸近其物理極限。 根據 MonolithIC 3D 創(chuàng )辦人 Zvi Or-Bach 的觀(guān)點(diǎn)，在 28 納米之后， 晶圓廠(chǎng)可以繼續把晶體做得更小、但卻無(wú)法更便宜， 對制程要求相對較低的物聯(lián)網(wǎng)應用可能會(huì )成為成熟制程重要的下游產(chǎn)業(yè)應用。

　　摩爾定律正在接近極限

　　就目前趨勢來(lái)看， 高端制程在整個(gè) IC 封裝工藝中， 占比已經(jīng)開(kāi)始相對下降。 先進(jìn)制程節點(diǎn)元件的實(shí)際工程成本，已經(jīng)證明對產(chǎn)業(yè)界大多數廠(chǎng)商來(lái)說(shuō)都太昂貴;因此半導體產(chǎn)業(yè)確實(shí)已經(jīng)分頭發(fā)展，只有少數會(huì )追求微縮至 7 納米，而大多數仍維持采用 28 納米或更舊節點(diǎn)的設計。

　　未來(lái)可以預見(jiàn)未來(lái)大規模下游應用主要會(huì )以新的消費電子例如 AR/VR， 以及物聯(lián)網(wǎng)例如智能駕駛、 智慧物流、 智能家居等。 而傳感器做為感知層，是不可或缺的關(guān)鍵基礎物理層部分，物聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，將會(huì )給 MEMS 行業(yè)帶來(lái)巨大的發(fā)展紅利。