詳解微機(jī)電系統(tǒng)，總有你不知道的點(diǎn)

　　微機(jī)電系統(tǒng)(Micro-Electro Mechanical System)是指尺寸在幾毫米乃至更小的傳感器裝置，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)一般在微米甚至納米量級(jí)，是一個(gè)獨(dú)立的智能系統(tǒng)。簡(jiǎn)單理解， MEMS 就是將傳統(tǒng)傳感器的機(jī)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(jù)不同的應(yīng)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(shì)， 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(tǒng) 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(dǎo)體發(fā)展歷史： 從 20 世紀(jì)初在英國(guó)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(jì)算機(jī) TRADIC， 到 1954 年飛兆半導(dǎo)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(jì)算機(jī) IBM 360。 模擬量到數(shù)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(xiàn)代化產(chǎn)業(yè)發(fā)展前進(jìn)的永恒追求。

　　半導(dǎo)體的發(fā)展歷史： 從電子管-晶體管-集成電路

　　正因?yàn)?MEMS 擁有如此眾多跨世代的優(yōu)勢(shì)， 目前來(lái)看我們認(rèn)為其是替代傳統(tǒng)傳感器的唯一可能選擇，也可能是未來(lái)構(gòu)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(jì)量單位， 重量輕、耗能低。 同時(shí)微型化以后的機(jī)械部件具有慣性小、諧振頻率高、響應(yīng)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?zhèn)鞲衅鞯拿舾谐潭取?/p>

　　2)硅基加工工藝，可兼容傳統(tǒng) IC 生產(chǎn)工藝：硅的強(qiáng)度、硬度和楊氏模量與鐵相當(dāng)，密度類似鋁，熱傳導(dǎo)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(jī)械傳感器的同時(shí)， 還會(huì)集成ASIC 芯片，控制 MEMS 芯片以及轉(zhuǎn)換模擬量為數(shù)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(zhí)行器集成于一體，或形成微傳感器陣列、微執(zhí)行器陣列，甚至把多種功能的器件集成在一起，形成復(fù)雜的微系統(tǒng)。微傳感器、微執(zhí)行器和微電子器件的集成可制造出可靠性、穩(wěn)定性很高的 MEMS。 隨著 MEMS 的工藝的發(fā)展，現(xiàn)在傾向于單個(gè) MEMS 芯片中整合更多的功能， 實(shí)現(xiàn)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(nèi)中集成了三軸陀螺儀、加速度計(jì)、磁力計(jì)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(cè)量單元。

　　5)多學(xué)科交叉： MEMS 涉及電子、機(jī)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(dāng)今科學(xué)技術(shù)發(fā)展的許多尖端成果。MEMS 是構(gòu)筑物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)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)線傳感器網(wǎng)絡(luò)對(duì)器件的物理尺寸、功耗、成本等十分敏感，傳感器的微型化對(duì)物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展至關(guān)重要。 MEMS 微機(jī)電系統(tǒng)結(jié)合兼容傳統(tǒng)的半導(dǎo)體工藝， 采用微米技術(shù)在芯片上制造微型機(jī)械，并將其與對(duì)應(yīng)電路集成為一個(gè)整體的技術(shù)，它是以半導(dǎo)體制造技術(shù)為基礎(chǔ)發(fā)展起來(lái)的， 批量化生產(chǎn)能滿足物聯(lián)網(wǎng)對(duì)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(jī)會(huì)

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

　　摩爾定律正在接近極限

　　就目前趨勢(shì)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(duì)下降。 先進(jìn)制程節(jié)點(diǎn)元件的實(shí)際工程成本，已經(jīng)證明對(duì)產(chǎn)業(yè)界大多數(shù)廠商來(lái)說(shuō)都太昂貴;因此半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)確實(shí)已經(jīng)分頭發(fā)展，只有少數(shù)會(huì)追求微縮至 7 納米，而大多數(shù)仍維持采用 28 納米或更舊節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)。

　　未來(lái)可以預(yù)見(jiàn)未來(lái)大規(guī)模下游應(yīng)用主要會(huì)以新的消費(fèi)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(chǔ)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(tǒng)架構(gòu)主要包括三部分：感知層、傳輸層和應(yīng)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(lán)牙等通訊協(xié)議組成;應(yīng)用層主要包括云計(jì)算、云存儲(chǔ)、 大數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)挖掘以及人機(jī)交互等軟件應(yīng)用層面構(gòu)成。 感知層傳感器處于整個(gè)物聯(lián)網(wǎng)的最底層，是數(shù)據(jù)采集的入口，物聯(lián)網(wǎng)的“心臟”， 有著巨大的發(fā)展空間。

　　物聯(lián)網(wǎng)的三層架構(gòu)

　　物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)覆蓋面廣，小到手機(jī)，大到新能源汽車以及大量未聯(lián)網(wǎng)的設(shè)備、終端都將聯(lián)通，為市場(chǎng)帶來(lái)萬(wàn)億市值增長(zhǎng)潛力?；ヂ?lián)網(wǎng)、智能手機(jī)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(guī)模已接近 3500 億美元，中國(guó)物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)規(guī)模達(dá)到7500 億人民幣。 Forrester Research 預(yù)測(cè)，到 2020 年，物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的規(guī)模要比信息互聯(lián)網(wǎng)大 30 倍，將有 240 億臺(tái)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備接入互聯(lián)網(wǎng)，真正實(shí)現(xiàn)萬(wàn)物互聯(lián)。

　　隨著國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)、制造、封測(cè)等多個(gè)環(huán)節(jié)的技術(shù)和工藝正在逐步成熟， MEMS 作為物理量連接半導(dǎo)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(fèi)電子、汽車電子、工業(yè)控制、軍工、智能家居、智慧城市等領(lǐng)域?qū)⒌玫礁鼮閺V泛的應(yīng)用，根據(jù) Yole developpement 的預(yù)測(cè)， 2016-2020 年 MEMS 傳感器市場(chǎng)將以 13%年復(fù)合成長(zhǎng)率增長(zhǎng)， 2020 年 MEMS 傳感器市場(chǎng)將達(dá)到 300 億美元,前景無(wú)限。

　　MEMS 全球市場(chǎng)產(chǎn)值預(yù)測(cè)(億美元)

　　2015 年中國(guó) MEMS 器件市場(chǎng)規(guī)模為 308 億元人民幣，占據(jù)全球市場(chǎng)的三分之一。從發(fā)展速度而言，中國(guó) MEMS 市場(chǎng)增速一直快于全球市場(chǎng)增速。中國(guó) MEMS 器件市場(chǎng)平均增速約 15 - 20%，中國(guó)集成電路市場(chǎng)增速約為 7 - 10%，橫向?qū)Ρ榷?，MEMS 器件市場(chǎng)的增速兩倍于集成電路市場(chǎng)。

　　中國(guó)近年 MEMS 傳感器市場(chǎng)規(guī)模(億元)

　　MEMS產(chǎn)業(yè)鏈一覽，國(guó)外領(lǐng)先

　　MEMS 沒(méi)有一個(gè)固定成型的標(biāo)準(zhǔn)化的生產(chǎn)工藝流程， 每一款 MEMS 都針對(duì)下游特定的應(yīng)用場(chǎng)合， 因而有獨(dú)特的設(shè)計(jì)和對(duì)應(yīng)的封裝形式，千差萬(wàn)別。

　　MEMS 和傳統(tǒng)的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)有著巨大的不同， 她是微型機(jī)械加工工藝和半導(dǎo)體工藝的結(jié)合。 MEMS 傳感器本身一般是個(gè)比較復(fù)雜的微型物理機(jī)械結(jié)構(gòu)，并沒(méi)有 PN 結(jié)。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(cè)試和切割，后道工藝流程又類似傳統(tǒng) COMS 工藝流程。

　　因此 MEMS 性能的提升很大程度上不會(huì)過(guò)分依賴于硅晶圓制程工藝的升級(jí)， 而更傾向于根據(jù)下游應(yīng)用需求定制設(shè)計(jì)、對(duì)微型機(jī)械結(jié)構(gòu)的優(yōu)化、對(duì)不同材料的選擇，實(shí)現(xiàn)每一款傳感器的獨(dú)特功能，因此也不存在傳統(tǒng)半導(dǎo)體工藝晶圓廠不同世代的制程工藝升級(jí)路線圖(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(tǒng)如圖所示，由傳感器、信息處理單元、執(zhí)行器和通訊/接口單元等組成。其輸入是物理信號(hào)，通過(guò)傳感器轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，經(jīng)過(guò)信號(hào)處理(模擬的和/或數(shù)字的)后，由執(zhí)行器與外界作用。每一個(gè)微系統(tǒng)可以采用數(shù)字或模擬信號(hào)(電、光、磁等物理量)與其它微系統(tǒng)進(jìn)行通信。 MEMS 將電子系統(tǒng)與周圍環(huán)境有機(jī)結(jié)合在一起，微傳感器接收運(yùn)動(dòng)、光、熱、聲、磁等自然界信號(hào)，信號(hào)再被轉(zhuǎn)換成電子系統(tǒng)能夠識(shí)別、處理的電信號(hào)，部分 MEMS 器件可通過(guò)微執(zhí)行器實(shí)現(xiàn)對(duì)外部介質(zhì)的操作功能。

　　傳感器工作原理