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    详解微机电系统,总有你不知道的点

    2019-02-18 17:32:20
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    微机电系统(Micro-Electro Mechanical System)是指尺寸在几毫米乃至更小的传感器装置,其内部结构一般在微米甚至纳米量级,是一个独立的智能系统。简单理解, MEMS 就是将传统传感器的机械部件微型化后,通过三维堆叠技术,例如三维硅穿孔 TSV 等技术把器件固定在硅晶元(wafer)上,最后根据不同的应用场合采用特殊定制的封装形式, 最终切割组装而成的硅基传感器。 受益于普通传感器无法企及的 IC 硅片加工批量化生产带来的成本优势, MEMS 同时又具备普通传感器无法具备的微型化和高集成度。

     


    传统 ECM 驻极体电容麦克风/Apple Watch 楼氏 MEMS 硅麦克风

     

    诸如最典型的半导体发展历史: 从 20 世?#32479;?#22312;英国物理学家弗莱明手?#36335;?#26126;的第一个电子管,到 1943 年拥有 17468 个电子三极管的 ENIAC 和 1954 年诞生装有 800 个晶体管的计算机 TRADIC, 到 1954 年飞?#35013;?#23548;体发明了平面工艺使得集成电路可以量产, 从而诞生了 1964 年具有里程碑意义的首款使用集成电路的计算机 IBM 360。 模拟量到数字化、 大体积到小型化以及随之而来的高度集成化,是所有近现代化产业发展前进的永恒?#38750;蟆?/p>

     

     


    半导体的发展历史: 从电子管-晶体管-集成电路

     

    正因为 MEMS 拥有如此众多跨世代的优势, 目前来看我们认为其是替代传统传感器的唯一可能选择,?#37096;?#33021;是未来构筑物联网感知层传感器最主要的选择之一。

     

    1)微型化: MEMS 器件体积小, 一般单个 MEMS 传感器的尺寸以毫米甚至微米为计量单位, 重量轻、耗能低。 同时微型化以后的机械部件具有惯性小、谐振频率高、响应时间短等优点。 MEMS 更高的表面体积比(表面积比体积) 可以提高表面传感器的敏感程度。

     

    2)硅基加工工艺,可兼容传统 IC 生产工艺:硅的强度、硬?#32676;?#26472;氏模量与铁相当,密度类似铝,热传导?#24335;?#36817;钼和钨,同时可以很大程度上兼容硅基加工工艺。

     

    3)批量生产: 以单个 5mm*5mm 尺寸的 MEMS 传感器为例, 用硅微加工工艺在一片 8 英寸的硅片晶元上可同时切割出大约 1000 个 MEMS 芯片, 批量生产可大大?#26723;?#21333;个 MEMS 的生产成本。

     

    4)集成化: 一般来说,单颗 MEMS 往往在封装机械传感器的同时, 还会集成ASIC 芯片,控制 MEMS 芯片以及转换模拟量为数?#33267;?#36755;出。 同时不同的封装工艺可以把不同功能、不同敏感方向或致动方向的多个传感器或执行器集成于一体,或形成微传感器阵?#23567;?#24494;执行器阵?#26657;?#29978;至把多种功能的器件集成在一起,形成复杂的微系统。微传感器、微执行器和微电子器件的集成可制造出可靠性、稳定性很高的 MEMS。 随着 MEMS 的工艺的发展,现在倾向于单个 MEMS 芯片中整合更多的功能, 实?#25351;?#39640;的集成度。 例如惯性传感器 IMU(Inertial measurement unit) 中, 从最早的?#33267;?#24815;性传感器,到 ADI 推出的一个封装内中集成了三轴?#21191;?#20202;、加速度计、磁力计和一个压力传感器以及 ADSP-BF512 Blackfin 处理器的 10 自由度高精度 MEMS 惯性测量单元。

     

    5)多学科交叉: MEMS 涉及电子、机械、材料、制造、信息与自动控制、物理、化学和生物等多种学科,并集约了当今科学技术发展的许多尖端?#26194;EMS 是构筑物联网的基础物理感知层传感器的最主要选择之一。 由于物联网特别是无线传感器网络对器件的物理尺寸、功耗、成本等十?#32622;?#24863;,传感器的微型化对物联网产业的发展至关重要。 MEMS 微机电系统结合兼容传统的半导体工艺, 采用微米技术在芯片上制造微型机械,并将其与对应电路集成为一个整体的技术,它是以半导体制造技术为基础发展起来的, 批量化生产能满足物联网对传感器的巨大需求量和?#32479;?#26412;要求。

     

    物联网时代到来,MEMS的机会

    全球半导体产业中, PC 在主导产业 10 多年后, ?#20011;?#36880;渐让位于消费电子, 随着摩尔定律逐渐到达其瓶颈, 制程的进步?#20011;?#28176;近其物理极限。 根据 MonolithIC 3D 创办人 Zvi Or-Bach 的观点,在 28 纳米之后, 晶圆厂可以继续把晶体做得更小、但却无法更便宜, 对制程要求相对?#31995;?#30340;物联网应用可能会成为成熟制?#35752;?#35201;的下游产业应用。

     

     


    摩尔定律正在接近极限

     

    就目前趋?#35780;?#30475;, 高端制程在整个 IC 封装工艺中, 占比?#20011;?#24320;始相对下降。 先进制程节点元件的?#23548;?#24037;程成本,?#20011;?#35777;明对产业界大多数厂商来说?#32487;?#26114;贵;因此半导体产?#31561;?#23454;?#20011;?#20998;头发展,只有少数会?#38750;?#24494;缩至 7 纳米,而大多数仍维持采用 28 纳米或更旧节点的设计。

     

    未来可以预见未来大规模下游应用主要会以新的消费电子例如 AR/VR, 以及物联网例如智能驾驶、 智慧物流、 智能家居等。 而传感器做为感知层,是不可或缺的关键基础物理层部分,物联网的快速发展,将会给 MEMS 行业带来巨大的发?#36141;?#21033;。

     
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