物聯(lián)網(wǎng)如何讓MEMS傳感器技術(shù)大放異彩

傳感器和執(zhí)行器是物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的重要組成部分。智能傳感器構(gòu)成物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的感知層，是完成物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集的最直接的系統(tǒng)單元。一個(gè)獨(dú)立工作的物聯(lián)網(wǎng)終端一般由傳感器、數(shù)據(jù)處理單元（處理器加存儲(chǔ)器）、電源管理單元和無線通訊單元組成。在這樣的終端中，由傳感器采集的數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)處理單元的處理，由無線通訊系統(tǒng)傳遞到云端，實(shí)現(xiàn)與整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的連接。物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用對(duì)傳感器的要求包括：器件微型化、功能集成化 、低成本和海量制造。其中低成本和海量制造兩者直接關(guān)聯(lián)。由硅基集成電路制造技術(shù)衍生出的MEMS技術(shù)能夠滿足上述要求，成為物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代微型傳感器技術(shù)的主流生產(chǎn)技術(shù)。

圖1 物聯(lián)網(wǎng)終端的四個(gè)系統(tǒng)單元

應(yīng)用廣泛的MEMS

MEMS是微機(jī)電系統(tǒng)（Micro－Electro－Mechanical System）的簡(jiǎn)稱。它有兩個(gè)特征：其一是器件尺寸在微米或納米量級(jí)；其二是通常有一個(gè)懸空的運(yùn)動(dòng)部件以實(shí)現(xiàn)感知或傳動(dòng)功能，比如圖2中的懸臂梁。當(dāng)懸臂梁的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，設(shè)計(jì)好的機(jī)電耦合裝置就把機(jī)械運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化成電信號(hào)。機(jī)電耦合的方法很多，比如把懸臂梁和下面的電極組成一個(gè)電容器，就可以實(shí)現(xiàn)輸出的電壓信號(hào)獲得關(guān)于懸臂梁運(yùn)動(dòng)的信息。在懸臂梁上附著能夠感知外部環(huán)境的薄膜材料，即增感層，就能制成各種各樣的傳感器。比如，感知運(yùn)動(dòng)的傳感器用以檢測(cè)壓力、加速度、運(yùn)動(dòng)方向、扭曲、流量、風(fēng)力等。感知聲波的MEMS麥克風(fēng)便是一種十分常見的聲學(xué)傳感器，在手機(jī)和移動(dòng)終端上獲得非常廣泛的應(yīng)用。MEMS上附著光敏層，可把光轉(zhuǎn)化成熱，改變懸臂梁形狀，從而形成光敏傳感器、紅外傳感器等。

圖2 MEMS器件結(jié)構(gòu)示意圖

MEMS技術(shù)還可以用電信號(hào)操控懸臂梁的運(yùn)動(dòng)，制成執(zhí)行器（actuators），比如微電機(jī)、微開關(guān)、微泵、噴墨打印頭等。手機(jī)中廣泛應(yīng)用的MEMS揚(yáng)聲器就是一種典型的執(zhí)行器。采用MEMS還可制成應(yīng)用于光學(xué)系統(tǒng)的微鏡、微投影、微光閘等電控光學(xué)器件。還有一類采用MEMS工藝制造的器件，利用懸臂梁的力學(xué)諧振功能制成高頻濾波器，有望取代聲表面波濾波器。此外，還有采用運(yùn)動(dòng)部件把機(jī)械運(yùn)動(dòng)動(dòng)能轉(zhuǎn)化成電能并加以儲(chǔ)存的能量采集器件（energy harvest）等。

作為產(chǎn)品的MEMS傳感器出現(xiàn)較晚。上世紀(jì)80年代，人們才把硅懸臂梁結(jié)構(gòu)封裝在玻璃上制成了第一款用于發(fā)動(dòng)機(jī)控制的MEMS傳感器。上世紀(jì)90年代，MEMS加速度計(jì)開始用于汽車安全氣囊；此外，MEMS壓力傳感器開始在血壓計(jì)中得到應(yīng)用；采用MEMS技術(shù)制造的噴墨打印頭則應(yīng)用于打印機(jī)，成為第一款廣泛使用的消費(fèi)類MEMS執(zhí)行器。2000到2010年間，MEMS傳感器和執(zhí)行器得到大幅推廣，出現(xiàn)了用于測(cè)量輪胎壓強(qiáng)的胎壓傳感器，監(jiān)測(cè)相機(jī)和手機(jī)等裝置水平和豎直運(yùn)動(dòng)的陀螺儀，基于MEMS技術(shù)的麥克風(fēng)和揚(yáng)聲器、MEMS開關(guān)、紅外圖像傳感器、指紋識(shí)別傳感器等一批產(chǎn)品。

2010年以來，在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)需求的驅(qū)動(dòng)下，各種各樣的MEMS傳感器和執(zhí)行器在可穿戴系統(tǒng)、虛擬現(xiàn)實(shí)產(chǎn)品、智能家居、智能手機(jī)、智能制造、汽車和自動(dòng)駕駛等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用（圖3），產(chǎn)品包括各種運(yùn)動(dòng)傳感器和執(zhí)行器、氣敏／濕敏／光敏傳感器、紅外成像傳感器等。僅應(yīng)用于智能手機(jī)中的MEMS器件產(chǎn)品已經(jīng)有十幾種，包括9軸慣性傳感器、MEMS麥克風(fēng)、RF MEMS、氣壓計(jì)、溫濕度傳感器、氣體傳感器、自動(dòng)對(duì)焦執(zhí)行器、光學(xué)MEMS等。未來還可能引入能量收集器、紅外成像傳感器、紫外傳感器、超聲波傳感器等。

圖3 迅速增長(zhǎng)的MEMS傳感器和執(zhí)行器應(yīng)用

基于CMOS的制造技術(shù)

MEMS制造技術(shù)衍生自CMOS集成電路制造技術(shù)。在過去的50多年時(shí)間里，CMOS集成電路制造技術(shù)發(fā)展迅猛，成為有史以來精細(xì)度和復(fù)雜度最高的制造技術(shù)，單從器件尺寸上說，從1970年代的1微米線寬，已經(jīng)縮微到現(xiàn)在的20納米線寬，使得單位硅襯底面積上的器件數(shù)量有了極大地提高。在器件圖形化方面，CMOS技術(shù)的工藝能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過MEMS器件制造的需求。可以說，CMOS集成電路制造技術(shù)為MEMS制造奠定了十分堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

但另一方面，MEMS制造工藝又有它不同于CMOS制造的特點(diǎn)。首先，是它獨(dú)特的懸臂梁部件形成工藝。目前可供選用的懸臂梁形成工藝有兩類，一類采用犧牲層工藝，另一類采用晶圓鍵合工藝。

圖4（左）給出了采用犧牲層工藝形成懸臂梁的流程示意圖。具體做法是在硅襯底表面沉積犧牲層，比如二氧化硅層、結(jié)構(gòu)層、多晶硅層。之后采用特殊的工藝涉及，通過光刻、刻蝕、化學(xué)機(jī)械拋光（CMP）等CMOS圖形化工藝將犧牲層暴露出來，并用化學(xué)溶劑（濕法）或化學(xué)蒸汽（干法）把吸收層腐蝕掉，使結(jié)構(gòu)層懸空，形成懸臂梁。

圖4（右）展示的是采用晶圓鍵合工藝形成懸臂梁的流程示意圖。具體做法是在硅襯底上先形成懸臂梁下的空腔，再將結(jié)構(gòu)層晶圓表面向下，與襯底晶圓鍵合在一起。之后采用減薄技術(shù)，將結(jié)構(gòu)晶圓從背面減薄，只保留滿足懸臂梁要求的厚度。再通過光刻、刻蝕等CMOS圖形化工藝，形成懸臂梁。

兩種技術(shù)方案的區(qū)別在于前者的工藝相對(duì)簡(jiǎn)單，除了在采用蒸汽刻蝕時(shí)需要引入特殊的蒸汽刻蝕設(shè)備，基本可使用現(xiàn)有的CMOS工業(yè)設(shè)備，與CMOS制造的兼容性好。而采用晶圓鍵合工藝需要使用晶圓鍵合設(shè)備，因此技術(shù)復(fù)雜度相對(duì)較高，并因此增加了一些制造成本。它的優(yōu)點(diǎn)是懸臂梁的質(zhì)量和工藝一致性高。在犧牲層工藝中，結(jié)構(gòu)層是由高溫沉積形成的多晶硅材料，層內(nèi)不可避免地殘存有應(yīng)力。這樣，薄膜生長(zhǎng)工藝條件的漲落很容易造成片內(nèi)和片間均勻性問題，甚至造成良率的降低。采用鍵合工藝形成的結(jié)構(gòu)層是單晶材料，層內(nèi)沒有高溫生長(zhǎng)帶來的應(yīng)力，材料性能的一致性好，對(duì)良率提升有很大助益。

圖4 兩種制備MEMS懸臂梁結(jié)構(gòu)的工藝流程

MEMS工藝不同于CMOS工藝的另一個(gè)方面在于前者對(duì)封裝的特殊要求。對(duì)CMOS來說，當(dāng)器件通過互連方式完成多層布線，即可通過側(cè)面打線、倒裝焊接，或者基于硅通孔（TSV）技術(shù)的多維（2．5D／3D）封裝進(jìn)行封裝連線，再用塑料封裝填充封裝。而對(duì)MEMS來說，器件的懸臂梁結(jié)構(gòu)必須能夠自由運(yùn)動(dòng)，因此，不能像CMOS那樣進(jìn)行填充封裝，而必須采用帽封方式，把懸臂梁等部件用封帽罩起來。帽內(nèi)不填注材料。特別是運(yùn)動(dòng)型MEMS器件，需要在封帽內(nèi)保持真空。因此MEMS封裝帶來了很大的工藝復(fù)雜度和成本上升。在采用單芯片帽封工藝時(shí)，真空封裝的MEMS制造成本中，封裝占70％以上。一個(gè)降低成本的手段是采用晶圓級(jí)封裝，即在一個(gè)硅片上，設(shè)計(jì)制造一個(gè)空腔，形成封蓋晶圓，再把封蓋晶圓蓋到器件晶圓上，實(shí)現(xiàn)晶圓級(jí)真空封裝。為了與晶圓級(jí)封裝相匹配，還要考慮電學(xué)引線的連出。圖5給出了用過硅通過連線和晶圓級(jí)封裝完成的MEMS器件結(jié)構(gòu)示意圖。

圖5 通過硅通孔連線和晶圓級(jí)封裝完成的MEMS器件結(jié)構(gòu)示意圖

機(jī)遇及挑戰(zhàn)

MEMS技術(shù)有非常廣闊的應(yīng)用前景，特別是進(jìn)入物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，只有MEMS能夠滿足物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用對(duì)傳感器和執(zhí)行器的要求。

首先，MEMS的尺寸完全滿足物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的微型化要求。

其次，MEMS技術(shù)與CMOS技術(shù)的兼容性，使之很容易滿足物聯(lián)網(wǎng)對(duì)傳感器和執(zhí)行器的智能化要求。采用相同的工藝線，可以同時(shí)完成CMOS集成電路和MEMS器件的制造，實(shí)現(xiàn)兩者的異質(zhì)集成。異質(zhì)集成可以通過在同一顆芯片上完成兩者的制造和相互連接，也可以在不同的晶圓上制造，再通過2．5D或3D封裝集成到同一個(gè)系統(tǒng)。

第三個(gè)優(yōu)勢(shì)是MEMS在能量損耗上的優(yōu)勢(shì)。物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用在功耗方面的要求比其它應(yīng)用環(huán)境要嚴(yán)苛得多。MEMS的感知和執(zhí)行方式使它成為能耗較低的器件，最可能成為滿足物聯(lián)網(wǎng)功耗要求的技術(shù)。還有一個(gè)優(yōu)勢(shì)是它能夠滿足物聯(lián)網(wǎng)對(duì)傳感器／執(zhí)行器的數(shù)量要求。硅基集成電路技術(shù)可以在一個(gè)晶圓上制造出數(shù)萬顆MEMS傳感器，同時(shí)具有低廉的制造成本。得益于CMOS制造技術(shù)發(fā)展過程中的研發(fā)投入，MEMS制造所需設(shè)備、工藝制造技術(shù)都已經(jīng)存在。只需做較小的調(diào)整和開發(fā)，就可以用于MEMS生產(chǎn)。

事實(shí)上，目前世界上用于MEMS制造的生產(chǎn)線主要還是從CMOS主流產(chǎn)品制造上淘汰下來的8英寸線。采用這些產(chǎn)線，即可用于滿足海量制造的要求，又可以使每一顆MEMS的制造成本降到滿足消費(fèi)類產(chǎn)品的價(jià)格要求的程度。

由于MEMS市場(chǎng)的應(yīng)用種類繁多，產(chǎn)品生產(chǎn)技術(shù)的多樣化，為中小企業(yè)帶來了機(jī)遇。特別是之前有過技術(shù)積累的企業(yè)，將會(huì)在很多市場(chǎng)中發(fā)現(xiàn)機(jī)會(huì)，贏得企業(yè)的快速發(fā)展。但從另一方面來講，MEMS生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展和企業(yè)的成長(zhǎng)也面臨著一些特殊的挑戰(zhàn)。首先，MEMS的市場(chǎng)細(xì)分化突出，使得單一產(chǎn)品的需求總量相對(duì)集成電路產(chǎn)品來說小很多，而MEMS產(chǎn)品生產(chǎn)線的投入相對(duì)較大，使得投資風(fēng)險(xiǎn)高，投資回報(bào)周期長(zhǎng)，在一定程度上限制了MEMS產(chǎn)業(yè)和企業(yè)的發(fā)展。要破解中小企業(yè)在產(chǎn)業(yè)技術(shù)開發(fā)和獲得投資人信心上的困難，促進(jìn)國(guó)家和地方MEMS產(chǎn)業(yè)的集聚和發(fā)展，一個(gè)可行的措施是建立公共技術(shù)研發(fā)平臺(tái)，為中小企業(yè)提供工藝研發(fā)和中試服務(wù)，努力減少投資的盲目性，增強(qiáng)初創(chuàng)企業(yè)的生成能力。

近年來，中國(guó)科學(xué)院微電子研究所建立了完整的MEMS工藝中試線，采用工業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的生產(chǎn)設(shè)備為企業(yè)提供研發(fā)服務(wù)，取得了很好的社會(huì)效益。相信通過國(guó)家、地方和企業(yè)的共同努力，踐行產(chǎn)學(xué)研合作的理念，將能夠克服產(chǎn)業(yè)發(fā)展遇到的困難，推動(dòng)MEMS產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展，及時(shí)滿足物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展對(duì)傳感器和執(zhí)行器的不斷迅速增長(zhǎng)的需求。