詳解微機電系統，總有你不知道的點(diǎn)

　　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。

　　物聯(lián)網(wǎng)的系統架構主要包括三部分：感知層、傳輸層和應用層。 感知層的作用主要是獲取環(huán)境信息和物與物的交互， 主要由傳感器、 微處理器和 RF 無(wú)線(xiàn)收發(fā)器等組成; 傳輸層主要用于感知層之間的信息傳遞，由包括 NB IOT、Zig Bee、Thread、藍牙等通訊協(xié)議組成;應用層主要包括云計算、云存儲、 大數據和數據挖掘以及人機交互等軟件應用層面構成。 感知層傳感器處于整個(gè)物聯(lián)網(wǎng)的最底層，是數據采集的入口，物聯(lián)網(wǎng)的“心臟”， 有著(zhù)巨大的發(fā)展空間。

　　物聯(lián)網(wǎng)的三層架構

　　物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)覆蓋面廣，小到手機，大到新能源汽車(chē)以及大量未聯(lián)網(wǎng)的設備、終端都將聯(lián)通，為市場(chǎng)帶來(lái)萬(wàn)億市值增長(cháng)潛力?；ヂ?lián)網(wǎng)、智能手機的出世推動(dòng)了信息產(chǎn)業(yè)第二波浪潮，但目前已趨于成熟，增速較為平緩，而以傳感網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)為代表的信息獲取或信息感知正在推動(dòng)信息產(chǎn)業(yè)進(jìn)入第三次浪潮，物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代已經(jīng)啟動(dòng)。

　　物聯(lián)網(wǎng)：第三次產(chǎn)業(yè)化浪潮

　　2015 年，全球物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)規模已接近 3500 億美元，中國物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)規模達到7500 億人民幣。 Forrester Research 預測，到 2020 年，物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的規模要比信息互聯(lián)網(wǎng)大 30 倍，將有 240 億臺物聯(lián)網(wǎng)設備接入互聯(lián)網(wǎng)，真正實(shí)現萬(wàn)物互聯(lián)。

　　隨著(zhù)國內設計、制造、封測等多個(gè)環(huán)節的技術(shù)和工藝正在逐步成熟， MEMS 作為物理量連接半導體的產(chǎn)物，將恰逢其時(shí)的受益于物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展， MEMS 在消費電子、汽車(chē)電子、工業(yè)控制、軍工、智能家居、智慧城市等領(lǐng)域將得到更為廣泛的應用，根據 Yole developpement 的預測， 2016-2020 年 MEMS 傳感器市場(chǎng)將以 13%年復合成長(cháng)率增長(cháng)， 2020 年 MEMS 傳感器市場(chǎng)將達到 300 億美元,前景無(wú)限。

　　MEMS 全球市場(chǎng)產(chǎn)值預測(億美元)

　　2015 年中國 MEMS 器件市場(chǎng)規模為 308 億元人民幣，占據全球市場(chǎng)的三分之一。從發(fā)展速度而言，中國 MEMS 市場(chǎng)增速一直快于全球市場(chǎng)增速。中國 MEMS 器件市場(chǎng)平均增速約 15 - 20%，中國集成電路市場(chǎng)增速約為 7 - 10%，橫向對比而言，MEMS 器件市場(chǎng)的增速兩倍于集成電路市場(chǎng)。

　　中國近年 MEMS 傳感器市場(chǎng)規模(億元)

　　MEMS產(chǎn)業(yè)鏈一覽，國外領(lǐng)先

　　MEMS 沒(méi)有一個(gè)固定成型的標準化的生產(chǎn)工藝流程， 每一款 MEMS 都針對下游特定的應用場(chǎng)合， 因而有獨特的設計和對應的封裝形式，千差萬(wàn)別。

　　MEMS 和傳統的半導體產(chǎn)業(yè)有著(zhù)巨大的不同， 她是微型機械加工工藝和半導體工藝的結合。 MEMS 傳感器本身一般是個(gè)比較復雜的微型物理機械結構，并沒(méi)有 PN 結。但同時(shí)單個(gè) MEMS 一般都會(huì )集成 ASIC 芯片并植在硅晶圓片上， 再封裝測試和切割，后道工藝流程又類(lèi)似傳統 COMS 工藝流程。

　　因此 MEMS 性能的提升很大程度上不會(huì )過(guò)分依賴(lài)于硅晶圓制程工藝的升級， 而更傾向于根據下游應用需求定制設計、對微型機械結構的優(yōu)化、對不同材料的選擇，實(shí)現每一款傳感器的獨特功能，因此也不存在傳統半導體工藝晶圓廠(chǎng)不同世代的制程工藝升級路線(xiàn)圖(ROAD MAP)。

　　IC 制程工藝更接近于 2D 平面 VS MEMS3 維立體堆疊

　　典型的 MEMS 系統如圖所示，由傳感器、信息處理單元、執行器和通訊/接口單元等組成。其輸入是物理信號，通過(guò)傳感器轉換為電信號，經(jīng)過(guò)信號處理(模擬的和/或數字的)后，由執行器與外界作用。每一個(gè)微系統可以采用數字或模擬信號(電、光、磁等物理量)與其它微系統進(jìn)行通信。 MEMS 將電子系統與周?chē)h(huán)境有機結合在一起，微傳感器接收運動(dòng)、光、熱、聲、磁等自然界信號，信號再被轉換成電子系統能夠識別、處理的電信號，部分 MEMS 器件可通過(guò)微執行器實(shí)現對外部介質(zhì)的操作功能。

　　傳感器工作原理