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隨著物聯(lián)網(wǎng)、智能穿戴設(shè)備的興起，MEMS傳感器也是現(xiàn)在IC行業(yè)炒作的熱點(diǎn)。當(dāng)然我們的MEMS傳感器除了智能終端，還有汽車電子以及工業(yè)4.0都是未來MEMS的用武之地。未來的終端都是有思維的、有感知的，而這個(gè)思維和感知就是要依賴MEMS傳感器。 在智能手機(jī)上，MEMS傳感器提供在聲音性能、場(chǎng)景切換、手勢(shì)識(shí)別、方向定位、以及溫度/壓力/濕度傳感器等應(yīng)用。而在汽車上，MEMS傳感器借助氣囊碰撞傳感器、胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(TPMS)和車輛穩(wěn)定性控制增強(qiáng)車輛的性能。醫(yī)療領(lǐng)域，通過MEMS傳感器研成功制出微型胰島素注射泵，并使心臟搭橋移植和人工細(xì)胞組織成為現(xiàn)實(shí)中可實(shí)際使用的治療方式。在可穿戴應(yīng)用中，MEMS傳感器可實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)追蹤、心跳速率測(cè)量等。 1、何為MEMS傳感器： MEMS的全稱是微型電子機(jī)械系統(tǒng)（Micro-ElectroMechanicalSystem），微機(jī)電系統(tǒng)是將微型機(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、通信和電源等于一體的微型器件或系統(tǒng)。所以它包含兩個(gè)部分：一個(gè)是Electronic電子電路部分，一個(gè)是Mechanical機(jī)械部分。狹義的理解可以說是用微米技術(shù)在芯片上制造微型機(jī)械，并將其與對(duì)應(yīng)專用電路(ASIC)集成為一個(gè)整體的技術(shù)。所以它是以半導(dǎo)體制造技術(shù)為基礎(chǔ)發(fā)展起來的一種先進(jìn)的制造技術(shù)平臺(tái)。當(dāng)然廣義的MEMS不僅僅是半導(dǎo)體材料的工藝，其他比如光纖探測(cè)等等都算的，我是半導(dǎo)體人，所以只著重講基于半導(dǎo)體工藝的MEMS技術(shù)。 為什么要有MEMS傳感器呢？主要就是因?yàn)樗鹗加贗C制造技術(shù)，相對(duì)于傳統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)，它更小型化而且尺寸更容易控制(IC制造的CD和OVL對(duì)于MEMS制造來說應(yīng)該太easy了)。而且在機(jī)械和電信號(hào)的轉(zhuǎn)換過程中更容易整合減小AC/DC轉(zhuǎn)換的互聯(lián)損失等。而硅的材料特性與金屬類似比如硬度與鐵相似，密度與鋁相似，導(dǎo)熱性與鎢相似，所以適合制造具有機(jī)械特性的元件。 MEMS傳感器其實(shí)就包含兩個(gè)部分：傳感器和執(zhí)行器。傳感器用來探測(cè)和感知物理和化學(xué)現(xiàn)象(溫度、振動(dòng)、光、磁場(chǎng)、PH值、離子濃度等)，而執(zhí)行器是感知到物理化學(xué)信號(hào)之后產(chǎn)生機(jī)械運(yùn)動(dòng)(力和扭矩)。所以又可以稱之為換能器，實(shí)現(xiàn)將信號(hào)由一種能量轉(zhuǎn)換成另外一種能量(電能、機(jī)械能、化學(xué)能、輻射能、磁能、熱能等)。 大家辦公室都有的噴墨打印機(jī)就是基于硅的機(jī)械加工技術(shù)，由于半導(dǎo)體制造技術(shù)的微小結(jié)構(gòu)，是的噴嘴陣列非常密集(>300/打印頭)實(shí)現(xiàn)了高密度分辨率的打印技術(shù)(1000dpi)，由于噴墨空腔小(40ng)，所以小型加熱器就可以迅速使墨汁升溫和降溫得到高速打印，該技術(shù)最早由惠普公司與1978年提出，并成了激光打印機(jī)的廉價(jià)取代技術(shù)。 1989年美國UC-Berkeley多晶硅靜電馬達(dá)，直徑小于120um，厚度1um，可以在350V電壓下達(dá)到500rpm轉(zhuǎn)速，這也是激起業(yè)界對(duì)MEMS熱情的第一步。 2、MEMS傳感器發(fā)展史： 應(yīng)該說MEMS技術(shù)的起源應(yīng)該是IC制造技術(shù)，而最早提出這個(gè)概念的應(yīng)該是1984年由Petersen發(fā)表的《Silicon as a mechanical material》。隨后幾年產(chǎn)業(yè)便有了MEMS的術(shù)語，而且逐漸在業(yè)界被廣泛接受，這個(gè)名稱包含了該領(lǐng)域研究的尺寸(um)、實(shí)現(xiàn)方式(電子和機(jī)械結(jié)合)、研究課題(系統(tǒng))。在1984年以前的20年幾乎都是萌芽階段主要研究一些零散部件以及各向異性蝕刻的三維加工技術(shù)等等。 直到1990年之后全世界才開始真正工業(yè)化MEMS傳感器，最早應(yīng)該就是ADI吧，它主要搞的汽車安全氣囊的慣性傳感器，還有TI的數(shù)字光學(xué)處理芯片(光傳感器)。大家比較熟悉的應(yīng)該就是氣囊慣性傳感器，汽車撞擊剎那氣囊會(huì)自動(dòng)彈開保護(hù)車內(nèi)人員，這個(gè)比較有意思，它的原理就是利用叉指狀兩組電極，一組固定接在陽極上，一組懸浮接在比較長(zhǎng)的支撐梁上，這樣當(dāng)外面有加速度的時(shí)候，懸浮的支撐梁會(huì)發(fā)生漂移使得瞬間與相鄰的那一組固定叉指間距變化使得電容發(fā)生變化，通過探測(cè)電容變化來感知是否有外力碰撞的加速度。(當(dāng)然這個(gè)叉指的機(jī)械任性就比較重要，別加速度來了它斷了，還有它的懸浮漂移特性也很重要F=m*a，所以懸浮條的重量取決于長(zhǎng)度和厚度) MEMS發(fā)展的第三個(gè)階段活躍期應(yīng)該是2000年之后吧，整個(gè)工業(yè)體系應(yīng)該已經(jīng)形成，如HP公司的噴墨打印機(jī)(5億美金銷售額)，Epson/Lexmark的噴墨打印做到了6億美金。TI的光學(xué)數(shù)字處理(DLP)做到了9億美金，ADI的氣囊傳感器也做到1.5億，F(xiàn)reescale的壓力傳感器做到2億美金等等。 后來包括MEMSIC和STMicro的加速度計(jì)、InvenSense的陀螺儀，SiTime的晶振等等都是比較知名的傳感器公司。而在醫(yī)療領(lǐng)域也開始取得重大進(jìn)步，比如膠囊內(nèi)窺鏡、MEMS注射針頭、DNA識(shí)別等等。比較有感覺的是膠囊內(nèi)窺鏡有了這個(gè)還怕做胃鏡和腸鏡嗎？MEMS注射針頭更高級(jí)，以后打針根本就是無痛的，打針痛是因?yàn)榕龅搅似は律窠?jīng)末梢，位于皮下70um深，而我們的注射只需要在50um皮層完成即可，我們可以利用MEMS注射控制深度在50~70um就可以實(shí)現(xiàn)無痛注射。 3、MEMS傳感器的工藝挑戰(zhàn)： 因?yàn)殡妼W(xué)特性已經(jīng)在IC制造時(shí)代很成熟了，所以MEMS技術(shù)主要應(yīng)該偏重機(jī)械和物理特性，比如懸臂梁的剛性以及膜層的諧振特性等等。而典型的MEMS器件都是um~cm級(jí)別，由于等比例縮小原則，尺寸越小硬度越高，諧振頻率，靈敏度越高等。打個(gè)比方木棍越短越難折斷就是這個(gè)道理，再打個(gè)比方跳蚤可以跳高超過自己身高十倍，而大象可以嗎？這就是為什么需要MEMS實(shí)現(xiàn)機(jī)械性能。但是不是所有的東西都是越小越好，半導(dǎo)體IC制造界有一個(gè)叫等比例縮小(Scanable)，同樣在MEMS也有比例尺定律，很多在大尺寸時(shí)候可以忽略的效應(yīng)在小尺寸下就很突出，比如懸臂梁的彈性常數(shù)(靈敏度)、支撐梁的諧振頻率(頻率帶寬)、總電容(靈敏度)等等都隨著尺寸變化而變化。 而它的制造工藝主要分為體硅(Bulk-Si)以及表面硅(Surface-Si)工藝，說起來比較拗口，研究過半導(dǎo)體IC的人應(yīng)該都知道Mesa工藝也就是臺(tái)面工藝，這就是我們的Bulk-Si工藝，它是在Si襯底上吃一個(gè)個(gè)凹槽來實(shí)現(xiàn)機(jī)械結(jié)構(gòu)(MESA是吃凹槽達(dá)到隔離效果)。 所以后來發(fā)展到Surface Silicon工藝，主要是它與成熟的CMOS技術(shù)兼容，所以又叫做CMOS-MEMS。它主要靠薄膜生長(zhǎng)(Poly, PSG,Metal)通過蝕刻的方式得到所要的結(jié)構(gòu)，他與CMOS最大的區(qū)別是，CMOS制程的Film都是貼在襯底上一層層累積上去的，可是MEMS的膜層通過蝕刻之后是懸浮站立在襯底上(Free Standing)，這在受力和振動(dòng)情況下對(duì)這個(gè)懸臂梁的物理和機(jī)械考研是很嚴(yán)格的。 4、MEMS傳感器的發(fā)展趨勢(shì)： MEMS是個(gè)看起來很美的行業(yè)，充其量也就是個(gè)小而美吧，單獨(dú)從事MEMS行業(yè)的公司很難生存，首先它跟半導(dǎo)體行業(yè)掛鉤，這個(gè)行業(yè)本身就是個(gè)燒錢的行業(yè)風(fēng)險(xiǎn)高。第二個(gè)傳感器本來就是品種復(fù)雜設(shè)計(jì)千變?nèi)f化的，每個(gè)產(chǎn)品都是獨(dú)立事件，沒有類似CMOS的標(biāo)準(zhǔn)工藝以及標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)，所以很多FAB不提供MEMS制造服務(wù)，這就使得MEMS公司必須自己有FAB，走回半導(dǎo)體制造界1987年以前的IDM路線，比如中國的MEMSIC。如何讓MEMS制造標(biāo)準(zhǔn)化走半導(dǎo)體代工的路線將是業(yè)界研究的重點(diǎn)，也是最重要的driving force。 后面再開具體課程研究CMOS-Based MEMS技術(shù)和市場(chǎng)吧，以及各種MEMS的原理及實(shí)現(xiàn)方法。（來源：芯苑）
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