劉洋

1 微機電系統(tǒng)（MEMS）現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢

隨著智能制造和物聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，傳感器作為數(shù)據(jù)采集的入口，其關(guān)鍵器件的作用越來越重要。萬物互聯(lián)時代必將使智能終端大規(guī)模推廣應用，傳感器的市場需求也會隨之急劇增加，并且主要應用類別逐漸向具有高技術(shù)含量的MEMS傳感器領(lǐng)域轉(zhuǎn)移。

MEMS是融合微電子和微機械加工技術(shù)，將微型傳感器和微型執(zhí)行器以及信息處理單元等集成于一體并實現(xiàn)特定功能的微型智能系統(tǒng)。MEMS傳感器作為獲取信息的關(guān)鍵器件，其類別繁多、應用廣泛，具有質(zhì)量輕、體積小、能耗低、精度高、穩(wěn)定性好、集成度高以及耐惡劣工況等技術(shù)特點，對各種傳感系統(tǒng)的微型化、集成化、模塊化發(fā)展起著巨大的推動作用，已在航空航天、軍事裝備、工業(yè)控制、生物醫(yī)療、環(huán)境監(jiān)測、汽車工業(yè)、通信通訊及智能電子產(chǎn)品等關(guān)鍵高新技術(shù)領(lǐng)域中得到了廣泛的應用，成為國民經(jīng)濟和軍事發(fā)展過程中的關(guān)鍵技術(shù)。

根據(jù)市場研究機構(gòu)IC Insights發(fā)布的報告，2018年全球傳感器市場規(guī)模約為215.8億美元，其中MEMS傳感器市場份額占比為78%，2018年MEMS傳感器銷售額增長11%，達到168.3億美元，其中消費電子和汽車是MEMS應用的支柱性產(chǎn)業(yè)，共計占到MEMS應用產(chǎn)業(yè)規(guī)模的80%以上。預計到2020年，全球MEMS產(chǎn)業(yè)將超過200億美元。全球MEMS產(chǎn)業(yè)細分市場占比見圖1。

全球前10名MEMS器件廠商占據(jù)了大部分市場份額，2017年營業(yè)收入超過2億美元的有20家，其中傳感器行業(yè)5大領(lǐng)導者企業(yè)——博世有限公司、意法半導體（ST）集團、美國德州儀器公司、安華高科技公司、惠普公司占據(jù)市場份額的1/3，營業(yè)收入合計約43億美元[1]。中國作為世界最大的電子產(chǎn)品制造基地，MEMS器件使用量約為全球的1/4。2017年，中國MEMS傳感器市場銷售額將達到41億美元。

全球MEMS傳感器主要細分應用領(lǐng)域及其市場規(guī)模詳見圖2。由于筆記本、平板電腦和智能手機等消費類電子產(chǎn)品的巨大市場需求，以及具有廣闊增長潛力的可穿戴類電子設(shè)備和物聯(lián)網(wǎng)應用市場的帶動作用，MEMS傳感器產(chǎn)業(yè)發(fā)展將進入快速發(fā)展時期。

隨著人們生活應用的不斷拓展，要求能夠監(jiān)測多種物理參量功能的傳感器需求也變的非常普遍，傳感器未來發(fā)展趨勢是朝著多功能、集成化、模塊化方向發(fā)展，目前具有多種傳感功能集成的MEMS器件也出現(xiàn)在應用市場。如慣性MEMS傳感器已經(jīng)推出了三軸、六軸甚至九軸等不同組合的集成模塊，將陀螺儀、地磁計以及加速度傳感器等MEMS器件集成于一體，既滿足了生產(chǎn)廠商要求器件體積小、成本低、功能多樣的需求，又提升了用戶多元化的體驗。

2 MEMS技術(shù)原理及其分類應用

MEMS基本結(jié)構(gòu)分為傳感器、執(zhí)行器、信號處理單元以及通訊接口單元，其基本結(jié)構(gòu)如圖3所示。MEMS傳感器以半導體制造技術(shù)為基礎(chǔ)，將微電子技術(shù)和微機械加工技術(shù)相結(jié)合，采用氧化、光刻、擴散、外延等半導體制備技術(shù)，結(jié)合硅料腐蝕、固相鍵合、微細加工、LIGA等工藝，應用以上技術(shù)工藝制備三維微型單元并與特定用途的薄膜材料、控制電路相結(jié)合，實現(xiàn)對壓力、重力、磁場、光強、溫度、濕度、聲量、流量、熱量、濃度等各類物理或化學參數(shù)的探測[2]。

MEMS傳感器分類方法也分多種，按照工作原理可分為物理傳感器、化學傳感器和生物傳感器，其中每種MEMS傳感器又可分多種小類，不同類別MEMS傳感器可測量不同的參量，實現(xiàn)各種特定功能。

MEMS物理傳感器又可分為力學、電學、磁學、熱學、光學、聲學等6類傳感器；MEMS化學傳感器可分為氣體、溫度、離子等3類傳感器；MEMS生物傳感器可分為生理和生化2類傳感器。傳感器類別具體劃分見表1所示。

目前市場上常用的MEMS傳感器主要包括壓力傳感器、慣性傳感器、加速度計、陀螺儀等。消費電子領(lǐng)域是MEMS傳感器的最大應用市場。在三星公司、蘋果公司、華為技術(shù)有限公司等高端手機中共使用了超過14顆傳感器，分別是陀螺儀、加速度計、電子羅盤、壓力傳感器、位移傳感器、光線傳感器、指紋識別傳感器、成像傳感器、硅麥克風和圖像處理傳感器等。隨著平板電腦、智能手機功能的不斷發(fā)展，消費電子領(lǐng)域的傳感器使用量也會增加，預計將為全球MEMS傳感器市場帶來8%以上增長率。汽車也是MEMS傳感器應用較大的市場，一般而言高端汽車都會使用超過30顆MEMS傳感器，車用傳感器分布情況見圖4，其中壓力傳感器超過10個，目前絕大部分的輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)中采用的是基于MEMS技術(shù)壓力傳感器。未來汽車領(lǐng)域的發(fā)展趨勢是使用更多的傳感器來提升車輛的安全性以及舒適度。

3 MEMS關(guān)鍵技術(shù)

MEMS是基于集成電路、微電子及微細加工等技術(shù)且緊密交叉的現(xiàn)代信息技術(shù)前沿研究領(lǐng)域。MEMS器件因其內(nèi)部單元為納米級別且結(jié)構(gòu)復雜，尺寸控制及其嚴格，所以對制備技術(shù)及加工工藝要求極高。

MEMS傳感器核心關(guān)鍵技術(shù)在設(shè)計及其制備加工環(huán)節(jié)[3]。MEMS是結(jié)合了半導體制備技術(shù)和機械微細加工工藝的微型器件，制造技術(shù)以及工藝難度比半導體芯片制備更難。MEMS技術(shù)路徑主要由仿真設(shè)計、加工制造、集成封裝、測試分析等4部分構(gòu)成，圖5為MEMS技術(shù)路徑示意圖。

3.1 MEMS設(shè)計及仿真技術(shù)

MEMS設(shè)計及仿真技術(shù)涉及內(nèi)容廣、技術(shù)要求高、綜合性強。需要根據(jù)MEMS器件的功能原理作為設(shè)計指導，通過計算機的模擬仿真進行驗證分析并迭代優(yōu)化。MEMS頂層設(shè)計涵蓋后續(xù)的機械加工、封裝集成以及測試分析等各環(huán)節(jié)，對器件的功能參數(shù)起著決定性的影響。與微細加工制備技術(shù)相比，MEMS器件設(shè)計及仿真技術(shù)要求更高。目前MEMS器件設(shè)計及仿真技術(shù)的是朝著自動化、智能化的趨勢發(fā)展，不斷提升產(chǎn)品的功能集成度以及實用性，滿足多元化的市場需求。

MEMS傳感器系統(tǒng)設(shè)計關(guān)鍵點主要體現(xiàn)在信號與能量之間的轉(zhuǎn)換。MEMS系統(tǒng)設(shè)計仿真分析方法主要包括有限元法（FEM）、邊界元法（BEM）、有限差分法（FDM）等。MEMS設(shè)計可分為工藝級、器件級、系統(tǒng)級等不同的層次，其設(shè)計難度依次遞增。

MEMS系統(tǒng)級設(shè)計綜合各系統(tǒng)框架進行整體性分析，其設(shè)計采用自頂層結(jié)構(gòu)自上而下的建立各分子系統(tǒng)動態(tài)模型進行分析，減少了系統(tǒng)間多種信號和能量之間的轉(zhuǎn)換。MEMS器件級設(shè)計為特定性的功能模塊，需要開展重復性的參數(shù)分析，可采用數(shù)值分析法對大批量的數(shù)據(jù)信息分析比較，作為器件設(shè)計的理論依據(jù)。MEMS工藝級設(shè)計主要保證尺寸精密度并進行微細加工，因此與微細加工技術(shù)緊密相關(guān)。

MEMS傳感器設(shè)計首先對功能需求、性能特性以及加工要求進行綜合分析，構(gòu)建系統(tǒng)基本框架結(jié)構(gòu)，梳理系統(tǒng)設(shè)計基本方向；然后根據(jù)系統(tǒng)基本框架結(jié)構(gòu)進行功能模塊以及單元結(jié)構(gòu)的布局，再利用信號評測電路對電子線路和機械結(jié)構(gòu)布局進行整體性優(yōu)化改進，從而形成完整結(jié)構(gòu)布局。在MEMS系統(tǒng)設(shè)計中從頂層開始結(jié)構(gòu)設(shè)計及布局，在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型構(gòu)建過程中對各功能結(jié)構(gòu)進行分工，同時關(guān)注各系統(tǒng)之間的信息反饋，如果發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)間存在問題及時進行調(diào)整。

3.2 MEMS微細加工制備技術(shù)

MEMS傳感器通常采用微縮比例的孔道、腔體、懸臂等機械零部件常用結(jié)構(gòu)。MEMS器件加工技術(shù)與半導體制造工藝類似，均采用批量處理模式的微細加工制造技術(shù)工藝，其特點是能大幅減少規(guī)?；a(chǎn)成本。MEMS制備技術(shù)工藝主要包括體微加工、表面微加工和LIGA工藝（三維微細加工工藝），體微加工、表面微加工2類制備加工技術(shù)工藝都是基于集成電路制備技術(shù)，所使用的基本材料為硅材料[4]。而LIGA工藝加工的材料可以采用金屬、聚合物等不同材質(zhì)。

體微加工技術(shù)是在硅襯底上通過各向異性刻蝕制備各種微型機械構(gòu)件。該技術(shù)采用對硅材料的腐蝕得到小深寬比且外形結(jié)構(gòu)簡單的微細機械結(jié)構(gòu)零件，技術(shù)優(yōu)點是資金投入少、加工設(shè)備簡單，可以將大尺寸硅片批量制備成高精度MEMS器件，同時該技術(shù)還可以去除因為研磨制備工藝造成的剩余機械應力，降低了器件的不良率，提升了器件性能的可靠性和穩(wěn)定性。

表面微加工技術(shù)是通過表面生長及光刻等工藝在基底逐層構(gòu)造各種微細機械部件。該技術(shù)可以通過摻入各種材料制備結(jié)構(gòu)比較復雜的器件，一般采用的淀積技術(shù)分為化學工藝和物理工藝2大類，化學工藝包括有化學氣相沉積、電鍍；物理工藝包括物理氣相淀積、蒸發(fā)；刻蝕技術(shù)采用干法刻蝕和濕法腐蝕等工藝。表面微加工技術(shù)的缺點是技術(shù)工藝復雜，加工設(shè)備價格高昂。

LIGA技術(shù)是制版、電鑄、注塑的德文縮寫，是一種基于X射線光刻技術(shù)的三維微細加工工藝技術(shù)。與傳統(tǒng)微細加工方法相比，采用LIGA技術(shù)可批量制備大深寬比、結(jié)構(gòu)復雜的MEMS器件，同時對加工材料的范圍也比較廣，可對金屬、陶瓷、塑料、聚合物等材料進行加工。其工藝流程為輻射、顯影、電鑄、剝模、充模、脫模、電鑄成型等步驟，在批量制備器件時充模、脫模、電鑄成型等工藝步驟可重復進行。

3.3 MEMS封裝及測試技術(shù)

MEMS傳感器的功能原理以及器件結(jié)構(gòu)差異性很大，同時封裝形式的多樣性以及技術(shù)復雜，導致部分MEMS器件的封裝以及測試成本占比極高。MEMS傳感器技術(shù)中，器件封裝及系統(tǒng)測試也是關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。其封裝方法以及系統(tǒng)測試分析決定著MEMS傳感器的功能穩(wěn)定性和可靠性。

MEMS器件封裝技術(shù)可分為倒裝封裝、單片集成封裝以及多芯片封裝等。MEMS傳感器采用專用電子電路集成芯片進行采樣及驅(qū)動，倒裝封裝技術(shù)是將IC芯片正面倒置朝下并與基板封裝，其優(yōu)勢是可從芯片四周引出接口與其他電子線路連接，提升了器件的運行速度，其封裝結(jié)構(gòu)更輕薄、體積更小巧、信號傳輸更高效。單片集成封裝是指在基底上形成微型結(jié)構(gòu)以及線路，使其構(gòu)成完整系統(tǒng)，其具有內(nèi)部互連長度短、電氣特性優(yōu)異、結(jié)構(gòu)小、接口接點密度高等優(yōu)點，是MEMS器件封裝較理想方式；多芯片組件封裝是指封裝器件中包含2個及其以上芯片通過基板聯(lián)接構(gòu)成的封裝形式，該組件封裝結(jié)構(gòu)屬于系統(tǒng)級封裝，包含器件所需的信號接口、散熱控制、機械支撐等功能。多芯片封裝技術(shù)是MEMS器件封裝的發(fā)展趨勢，其具有線路密度高、尺寸結(jié)構(gòu)小、工作頻率高、運行效率優(yōu)、制備成本低等特點。

MEMS器件測試分為晶圓級測試和成品級測試。晶圓級測試主要在MEMS傳感器研發(fā)階段，其工作主要包括驗證器件的功能實現(xiàn)以及能否正常工作，器件性能參數(shù)的一致性，研發(fā)工藝流程的穩(wěn)定性。通過測試可以得到前期性能特性指標以及相關(guān)數(shù)據(jù)進行優(yōu)化分析，相較于成品測試，晶圓級測試可以及早發(fā)現(xiàn)設(shè)計階段存在的問題并進行改進，提升產(chǎn)品開發(fā)效率，降低成本，對于MEMS器件產(chǎn)業(yè)化具有重要意義。MEMS器件成品級測試不僅包括器件測試，同時還需要將器件參數(shù)指標進行調(diào)整，輸出特性進行補償、參數(shù)標定等工作。成品級測試目前還沒有自動化測試設(shè)備，工作量大，測試時間長，因此占據(jù)了MEMS器件約30%的成本。

4 結(jié)語

MEME器件產(chǎn)業(yè)技術(shù)門檻高，工藝流程復雜。因MEMS傳感器功能多樣、種類繁多以及應用場合不同，其設(shè)計原理、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)以及封裝形式也各不相同，所以MEMS器件并沒有通用化的制備工藝流程。

制備技術(shù)工藝特點是一類器件產(chǎn)品對應著一種制備生產(chǎn)工藝[5]。不同的MEMS傳感器之間沒有標準工藝流程，產(chǎn)品技術(shù)指標較多，每類傳感器實現(xiàn)批量生產(chǎn)都需要從前端開始研發(fā)投入，工藝研發(fā)時間長且成品率比傳統(tǒng)半導體器件行業(yè)更低，因此MEMS傳感器產(chǎn)業(yè)發(fā)展需要在材料、設(shè)計、工藝、設(shè)備等產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)進行持續(xù)長期的高投入。

全球主要發(fā)達國家都把MEMS傳感器產(chǎn)業(yè)列為國家發(fā)展戰(zhàn)略，我國政府同樣對MEMS傳感器產(chǎn)業(yè)高度重視，將其作為戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)重點發(fā)展。目前我國在MEMS傳感器領(lǐng)域存在產(chǎn)業(yè)鏈上游的設(shè)計、工藝、材料等環(huán)節(jié)技術(shù)薄弱，在系統(tǒng)應用及配套解決方案提供服務不到位，以及MEMS產(chǎn)業(yè)資源分布不均等問題。今后5年是我國MEMS傳感器產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展的關(guān)鍵時期，我國傳感器產(chǎn)業(yè)布局主要包括長三角、珠三角、京津冀地區(qū)和東北 3省等區(qū)域。MEMS產(chǎn)業(yè)發(fā)展比較好的地區(qū)正在逐步形成產(chǎn)業(yè)集聚效應，已經(jīng)初步構(gòu)建了比較完備的MEMS器件產(chǎn)業(yè)體系和科研創(chuàng)新機制，突破了一批核心關(guān)鍵技術(shù)，為MEMS器件產(chǎn)業(yè)化奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。未來可依托具有優(yōu)勢的產(chǎn)業(yè)集聚區(qū)，由企業(yè)和科研院所組成產(chǎn)學研用相結(jié)合的立體化發(fā)展模式，完善產(chǎn)業(yè)投融資環(huán)境和技術(shù)成果轉(zhuǎn)化機制，突出產(chǎn)業(yè)要素集聚優(yōu)勢，打造產(chǎn)品品牌效應，合理調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)以及健全MEMS產(chǎn)業(yè)鏈，形成技術(shù)自主創(chuàng)新能力強、產(chǎn)業(yè)鏈配套齊備的傳感器產(chǎn)業(yè)基地，引導推動MEMS傳感器產(chǎn)業(yè)快速健康發(fā)展。

參考文獻

[1] 郝旭歡，常博，郝旭麗.MEMS傳感器的發(fā)展現(xiàn)狀及應用綜述[J].無線互聯(lián)科技，2016（3）：95-96.

[2] 趙超，焦斌斌.面向物聯(lián)網(wǎng)應用的MEMS傳感器技術(shù)[J].高科技與產(chǎn)業(yè)化，2016（11）：52-57.

[3] 劉青.微電子機械系統(tǒng)的制造及其應用[J].機械設(shè)計與制造，1997（5）：9.

[4] 關(guān)榮鋒，汪學方，甘志銀，等.MEMS封裝技術(shù)及標準工藝研究[J].半導體技術(shù)，2005（1）：50-54，65.

[5] 榮偉彬，謝暉，孫立寧.用于MEMS傳感器批量制造的微裝配系統(tǒng)[J].傳感技術(shù)學報.2006（5）：1573-1579.