MEMS傳感器概念、分類等基礎知識詳解

關于MEMS傳感器的基礎知識，你了解多少？本文將從MEMS傳感器的概念、制造及工藝、MEMS傳感器與傳統(tǒng)傳感器的區(qū)別、MEMS傳感器的分類幾大部分詳解，幫助初識MEMS傳感器的讀者快速了解這一重要器件。

傳感器發(fā)展到今天，小型化、智能化、集成化，已經(jīng)是升級換代的必由之路。今天，我們來為大家介紹一下傳感器家族的mini型產(chǎn)品——­­MEMS傳感器。

什么是MEMS傳感器？

MEMS的全稱是微型電子機械系統(tǒng)（Micro-ElectroMechanical System），微機電系統(tǒng)是指可批量制作的，將微型機構、微型傳感器、微型執(zhí)行器以及信號處理和控制電路、直至接口、通信和電源等集成于一塊或多塊芯片上的微型器件或系統(tǒng)。而MEMS傳感器就是采用微電子和微機械加工技術制造出來的新型傳感器。

MEMS是用傳統(tǒng)的半導體工藝和材料，以半導體制造技術為基礎發(fā)展起來的一種先進的制造技術，學科交叉現(xiàn)象極其明顯，主要涉及微加工技術，機械學/固體聲波理論，熱流理論，電子學、材料、物理學、化學、生物學、醫(yī)學等等。經(jīng)過四十多年的發(fā)展，已成為世界矚目的重大科技領域之一。

加工工藝：

MEMS技術基于已經(jīng)相當成熟的微電子技術、集成電路技術及其加工工藝。它與傳統(tǒng)的IC工藝有許多相似之處，如光刻、薄膜沉積、摻雜、刻蝕、化學機械拋光工藝等，但是有些復雜的微結構難以用IC工藝實現(xiàn)，必須采用微加工技術制造。

微加工技術包括硅的體微加工技術、表面微加工技術和特殊微加工技術。體加工技術是指沿著硅襯底的厚度方向對硅襯底進行刻蝕的工藝，包括濕法刻蝕和干法刻蝕，是實現(xiàn)三維結構的重要方法。表面微加工是采用薄膜沉積、光刻以及刻蝕工藝，通過在犧牲層薄膜上沉積結構層薄膜，然后去除犧牲層釋放結構層實現(xiàn)可動結構。

除了上述兩種微加工技術以外，MEMS制造還廣泛地使用多種特殊加工方法，其中常見的方法包括鍵合、LIGA、電鍍、軟光刻、微模鑄、微立體光刻與微電火花加工等。

應用材料：

硅基材料：大部分集成電路和MEMS的原材料是硅（Si），這個神奇的VI族元素可以從二氧化硅中大量提取出來。而二氧化硅是什么？說的通俗一點，就是沙子。沙子君在經(jīng)歷了一系列復雜的加工過程之后，就變成了單晶硅，長這個樣子：

這個長長的大柱子，直徑可以是 1 inch （2.5 cm） 到 12 inch （30 cm），被切成一層層 500 微米厚的硅片 （英文：wafer，和威化餅同詞），長這個樣子：

采用以硅為主的材料，電氣性能優(yōu)良，硅材料的強度、硬度和楊氏模量與鐵相當，密度與鋁類似，熱傳導率接近鉬和鎢。若單個MEMS傳感器芯片面積為5 mm x 5 mm，則一個8英寸（直徑20厘米）硅片（wafer）可切割出約1000個MEMS傳感器芯片，分攤到每個芯片的成本則可大幅度降低。

非硅材料：近年來，MEMS的材料應用上有被非硅材料逐漸替代的現(xiàn)象，學術研究人員現(xiàn)在開始專注于開發(fā)聚合物和紙基微型器件。利用這些材料開發(fā)的器件，不僅工藝環(huán)保，而且制作設備簡單、成本較低。相對硅材料，它們大幅縮減了研發(fā)經(jīng)費預算。許多聚合物和紙基微型器件的創(chuàng)新都指向了醫(yī)療應用，對該領域來說，生物相容性和材料的柔性是基本要求。

紙基和聚合物微型器件的功能和性能開發(fā)，目前還處于相對早期的階段，這類器件的生產(chǎn)設施現(xiàn)今也還沒有開發(fā)出來。這些新技術的成熟和商業(yè)化，可能還需要超過10年的時間。所以，基于硅材料的微型器件研究，還有很多創(chuàng)新工作要做，不然就會面臨發(fā)展停滯的風險。

技術優(yōu)勢：

用MEMS工藝制造傳感器、執(zhí)行器或者微結構， 具有微型化、集成化、智能化、成本低、效能高、可大批量生產(chǎn)等特點， 產(chǎn)能高，良品率高。MEMS技術使數(shù)以萬計的MEMS芯片（有些工藝也會把集成電路芯片放在同一步驟加工）出現(xiàn)在了每一片wafer上面，如下圖所示。

這種批量生產(chǎn)（batch process）的過程目前已經(jīng)全自動化控制，隔離了人為因素，確保了每一個MEMS芯片之間的工藝誤差可以得到嚴格的控制，從而提高了良品率。切片、封裝之后，就成為了一個個的MEMS芯片。從外觀上來看，大部分的MEMS芯片和集成電路芯片是差不多的。

綜上所述，微米量級的特征尺寸使MEMS傳感器可以完成某些傳統(tǒng)機械傳感器所不能實現(xiàn)的功能。是微型傳感器的主力軍，正在逐漸取代傳統(tǒng)機械傳感器，普遍應用于消費電子產(chǎn)品、汽車工業(yè)、航空航天、機械、化工及醫(yī)藥等各領域。常見產(chǎn)品有壓力傳感器，加速度計，陀螺，靜電致動光投影顯示器，DNA擴增微系統(tǒng)，催化傳感器。

與傳統(tǒng)傳感器的區(qū)別：

在下面的圖片中，以麥克風為例我們來更清晰地認識一下傳統(tǒng)麥克風和MEMS麥克風的區(qū)別。

傳統(tǒng)的駐極體麥克風：

MEMS麥克風：

圖中，傳統(tǒng)麥克風的七八種機械配件就全部集成在了一塊很小的MEMS傳感器芯片上了，體積非常小，重量也非常輕。由于是芯片制造，一致性好、功耗低，更易于批量生產(chǎn)。但是對技術的要求那就非常高了。MEMS傳感器的出現(xiàn)極大的滿足了大家對產(chǎn)品小體積、高性能的要求。

MEMS傳感器的分類

MEMS傳感器不僅能夠感知被測參數(shù)，將其轉換成方便度量的信號；而且能對所得到的信號進行分析、處理和識別、判斷，因此形象地被稱為智能傳感器。

MEMS傳感器的種類繁多，也有很多分類的方法。下面是按照工作原理分類：

每一種MEMS傳感器又有很多種細分方法。如加速度計，按檢測質量的運動方式劃分，有角振動式和線振動式加速度計等，常見的MEMS傳感器有壓力傳感器、加速度傳感器、微機械陀螺儀、慣性傳感器、MEMS硅麥克風等等;MEMS傳感器的品種多到可以以萬為單位，且不同MEMS之間參量較多，沒有完全標準的工藝。