迅速增長的MEMS傳感器和執(zhí)行器應用

傳感器和執(zhí)行器是物聯(lián)網系統(tǒng)的重要組成部分。智能傳感器構成物聯(lián)網系統(tǒng)的感知層，是完成物聯(lián)網系統(tǒng)數(shù)據采集的最直接的系統(tǒng)單元。一個獨立工作的物聯(lián)網終端一般由傳感器、數(shù)據處理單元（處理器加存儲器）、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)據通過數(shù)據處理單元的處理，由無線通訊系統(tǒng)傳遞到云端，實現(xiàn)與整個網絡的連接。物聯(lián)網應用對傳感器的要求包括：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聯(lián)。由硅基集成電路制造技術衍生出的MEMS技術能夠滿足上述要求，成為物聯(lián)網時代微型傳感器技術的主流生產技術。

圖1 物聯(lián)網終端的四個系統(tǒng)單元

應用廣泛的MEMS

MEMS是微機電系統(tǒng)（Micro-Electro-Mechanical System）的簡稱。它有兩個特征：其一是器件尺寸在微米或納米量級；其二是通常有一個懸空的運動部件以實現(xiàn)感知或傳動功能，比如圖2中的懸臂梁。當懸臂梁的運動狀態(tài)發(fā)生變化時，設計好的機電耦合裝置就把機械運動轉化成電信號。機電耦合的方法很多，比如把懸臂梁和下面的電極組成一個電容器，就可以實現(xiàn)輸出的電壓信號獲得關于懸臂梁運動的信息。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，感知運動的傳感器用以檢測壓力、加速度、運動方向、扭曲、流量、風力等。感知聲波的MEMS麥克風便是一種十分常見的聲學傳感器，在手機和移動終端上獲得非常廣泛的應用。MEMS上附著光敏層，可把光轉化成熱，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器件結構示意圖

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

作為產品的MEMS傳感器出現(xiàn)較晚。上世紀80年代，人們才把硅懸臂梁結構封裝在玻璃上制成了第一款用于發(fā)動機控制的MEMS傳感器。上世紀90年代，MEMS加速度計開始用于汽車安全氣囊；此外，MEMS壓力傳感器開始在血壓計中得到應用；采用MEMS技術制造的噴墨打印頭則應用于打印機，成為第一款廣泛使用的消費類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)了用于測量輪胎壓強的胎壓傳感器，監(jiān)測相機和手機等裝置水平和豎直運動的陀螺儀，基于MEMS技術的麥克風和揚聲器、MEMS開關、紅外圖像傳感器、指紋識別傳感器等一批產品。

2010年以來，在物聯(lián)網技術需求的驅動下，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)實產品、智能家居、智能手機、智能制造、汽車和自動駕駛等領域得到廣泛應用（圖3），產品包括各種運動傳感器和執(zhí)行器、氣敏/濕敏/光敏傳感器、紅外成像傳感器等。僅應用于智能手機中的MEMS器件產品已經有十幾種，包括9軸慣性傳感器、MEMS麥克風、RF MEMS、氣壓計、溫濕度傳感器、氣體傳感器、自動對焦執(zhí)行器、光學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 迅速增長的MEMS傳感器和執(zhí)行器應用

基于CMOS的制造技術

MEMS制造技術衍生自CMOS集成電路制造技術。在過去的50多年時間里，CMOS集成電路制造技術發(fā)展迅猛，成為有史以來精細度和復雜度最高的制造技術，單從器件尺寸上說，從1970年代的1微米線寬，已經縮微到現(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技術的工藝能力遠遠超過MEMS器件制造的需求?？梢哉f，CMOS集成電路制造技術為MEMS制造奠定了十分堅實的基礎。但另一方面，MEMS制造工藝又有它不同于CMOS制造的特點。首先，是它獨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、結構層、多晶硅層。之后采用特殊的工藝涉及，通過光刻、刻蝕、化學機械拋光（CMP）等CMOS圖形化工藝將犧牲層暴露出來，并用化學溶劑（濕法）或化學蒸汽（干法）把吸收層腐蝕掉，使結構層懸空，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，再將結構層晶圓表面向下，與襯底晶圓鍵合在一起。之后采用減薄技術，將結構晶圓從背面減薄，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。兩種技術方案的區(qū)別在于前者的工藝相對簡單，除了在采用蒸汽刻蝕時需要引入特殊的蒸汽刻蝕設備，基本可使用現(xiàn)有的CMOS工業(yè)設備，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備，因此技術復雜度相對較高，并因此增加了一些制造成本。它的優(yōu)點是懸臂梁的質量和工藝一致性高。在犧牲層工藝中，結構層是由高溫沉積形成的多晶硅材料，層內不可避免地殘存有應力。這樣，薄膜生長工藝條件的漲落很容易造成片內和片間均勻性問題，甚至造成良率的降低。采用鍵合工藝形成的結構層是單晶材料，層內沒有高溫生長帶來的應力，材料性能的一致性好，對良率提升有很大助益。

圖4 兩種制備MEMS懸臂梁結構的工藝流程

MEMS工藝不同于CMOS工藝的另一個方面在于前者對封裝的特殊要求。對CMOS來說，當器件通過互連方式完成多層布線，即可通過側面打線、倒裝焊接，或者基于硅通孔（TSV）技術的多維（2.5D/3D）封裝進行封裝連線，再用塑料封裝填充封裝。而對MEMS來說，器件的懸臂梁結構必須能夠自由運動，因此，不能像CMOS那樣進行填充封裝，而必須采用帽封方式，把懸臂梁等部件用封帽罩起來。帽內不填注材料。特別是運動型MEMS器件，需要在封帽內保持真空。因此MEMS封裝帶來了很大的工藝復雜度和成本上升。在采用單芯片帽封工藝時，真空封裝的MEMS制造成本中，封裝占70%以上。一個降低成本的手段是采用晶圓級封裝，即在一個硅片上，設計制造一個空腔，形成封蓋晶圓，再把封蓋晶圓蓋到器件晶圓上，實現(xiàn)晶圓級真空封裝。為了與晶圓級封裝相匹配，還要考慮電學引線的連出。圖5給出了用過硅通過連線和晶圓級封裝完成的MEMS器件結構示意圖。

圖5 通過硅通孔連線和晶圓級封裝完成的MEMS器件結構示意圖

機遇及挑戰(zhàn)

MEMS技術有非常廣闊的應用前景，特別是進入物聯(lián)網時代，只有MEMS能夠滿足物聯(lián)網應用對傳感器和執(zhí)行器的要求。首先，MEMS的尺寸完全滿足物聯(lián)網應用的微型化要求。其次，MEMS技術與CMOS技術的兼容性，使之很容易滿足物聯(lián)網對傳感器和執(zhí)行器的智能化要求。采用相同的工藝線，可以同時完成CMOS集成電路和MEMS器件的制造，實現(xiàn)兩者的異質集成。異質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封裝集成到同一個系統(tǒng)。第三個優(yōu)勢是MEMS在能量損耗上的優(yōu)勢。物聯(lián)網應用在功耗方面的要求比其它應用環(huán)境要嚴苛得多。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)網功耗要求的技術。還有一個優(yōu)勢是它能夠滿足物聯(lián)網對傳感器/執(zhí)行器的數(shù)量要求。硅基集成電路技術可以在一個晶圓上制造出數(shù)萬顆MEMS傳感器，同時具有低廉的制造成本。得益于CMOS制造技術發(fā)展過程中的研發(fā)投入，MEMS制造所需設備、工藝制造技術都已經存在。只需做較小的調整和開發(fā)，就可以用于MEMS生產。事實上，目前世界上用于MEMS制造的生產線主要還是從CMOS主流產品制造上淘汰下來的8英寸線。采用這些產線，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類產品的價格要求的程度。

由于MEMS市場的應用種類繁多，產品生產技術的多樣化，為中小企業(yè)帶來了機遇。特別是之前有過技術積累的企業(yè)，將會在很多市場中發(fā)現(xiàn)機會，贏得企業(yè)的快速發(fā)展。但從另一方面來講，MEMS生產技術的發(fā)展和企業(yè)的成長也面臨著一些特殊的挑戰(zhàn)。首先，MEMS的市場細分化突出，使得單一產品的需求總量相對集成電路產品來說小很多，而MEMS產品生產線的投入相對較大，使得投資風險高，投資回報周期長，在一定程度上限制了MEMS產業(yè)和企業(yè)的發(fā)展。要破解中小企業(yè)在產業(yè)技術開發(fā)和獲得投資人信心上的困難，促進國家和地方MEMS產業(yè)的集聚和發(fā)展，一個可行的措施是建立公共技術研發(fā)平臺，為中小企業(yè)提供工藝研發(fā)和中試服務，努力減少投資的盲目性，增強初創(chuàng)企業(yè)的生成能力。

近年來，中國科學院微電子研究所建立了完整的MEMS工藝中試線，采用工業(yè)界標準的生產設備為企業(yè)提供研發(fā)服務，取得了很好的社會效益。相信通過國家、地方和企業(yè)的共同努力，踐行產學研合作的理念，將能夠克服產業(yè)發(fā)展遇到的困難，推動MEMS產業(yè)迅速發(fā)展，及時滿足物聯(lián)網技術發(fā)展對傳感器和執(zhí)行器的不斷迅速增長的需求。
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