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    詳解微機電系統,總有你不知道的點

    2019-02-18 17:32:20
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    微機電系統(Micro-Electro Mechanical System)是指尺寸在幾毫米乃至更小的傳感器裝置,其內部結構一般在微米甚至納米量級,是一個獨立的智能系統。簡單理解, MEMS 就是將傳統傳感器的機械部件微型化后,通過三維堆疊技術,例如三維硅穿孔 TSV 等技術把器件固定在硅晶元(wafer)上,最后根據不同的應用場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法企及的 IC 硅片加工批量化生產帶來的成本優勢, MEMS 同時又具備普通傳感器無法具備的微型化和高集成度。

     


    傳統 ECM 駐極體電容麥克風/Apple Watch 樓氏 MEMS 硅麥克風

     

    諸如最典型的半導體發展歷史: 從 20 世紀初在英國物理學家弗萊明手下發明的第一個電子管,到 1943 年擁有 17468 個電子三極管的 ENIAC 和 1954 年誕生裝有 800 個晶體管的計算機 TRADIC, 到 1954 年飛兆半導體發明了平面工藝使得集成電路可以量產, 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算機 IBM 360。 模擬量到數字化、 大體積到小型化以及隨之而來的高度集成化,是所有近現代化產業發展前進的永恒追求。

     

     


    半導體的發展歷史: 從電子管-晶體管-集成電路

     

    正因為 MEMS 擁有如此眾多跨世代的優勢, 目前來看我們認為其是替代傳統傳感器的唯一可能選擇,也可能是未來構筑物聯網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 MEMS 傳感器的尺寸以毫米甚至微米為計量單位, 重量輕、耗能低。 同時微型化以后的機械部件具有慣性小、諧振頻率高、響應時間短等優點。 MEMS 更高的表面體積比(表面積比體積) 可以提高表面傳感器的敏感程度。

     

    2)硅基加工工藝,可兼容傳統 IC 生產工藝:硅的強度、硬度和楊氏模量與鐵相當,密度類似鋁,熱傳導率接近鉬和鎢,同時可以很大程度上兼容硅基加工工藝。

     

    3)批量生產: 以單個 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切割出大約 1000 個 MEMS 芯片, 批量生產可大大降低單個 MEMS 的生產成本。

     

    4)集成化: 一般來說,單顆 MEMS 往往在封裝機械傳感器的同時, 還會集成ASIC 芯片,控制 MEMS 芯片以及轉換模擬量為數字量輸出。 同時不同的封裝工藝可以把不同功能、不同敏感方向或致動方向的多個傳感器或執行器集成于一體,或形成微傳感器陣列、微執行器陣列,甚至把多種功能的器件集成在一起,形成復雜的微系統。微傳感器、微執行器和微電子器件的集成可制造出可靠性、穩定性很高的 MEMS。 隨著 MEMS 的工藝的發展,現在傾向于單個 MEMS 芯片中整合更多的功能, 實現更高的集成度。 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 推出的一個封裝內中集成了三軸陀螺儀、加速度計、磁力計和一個壓力傳感器以及 ADSP-BF512 Blackfin 處理器的 10 自由度高精度 MEMS 慣性測量單元。

     

    5)多學科交叉: MEMS 涉及電子、機械、材料、制造、信息與自動控制、物理、化學和生物等多種學科,并集約了當今科學技術發展的許多尖端成果。MEMS 是構筑物聯網的基礎物理感知層傳感器的最主要選擇之一。 由于物聯網特別是無線傳感器網絡對器件的物理尺寸、功耗、成本等十分敏感,傳感器的微型化對物聯網產業的發展至關重要。 MEMS 微機電系統結合兼容傳統的半導體工藝, 采用微米技術在芯片上制造微型機械,并將其與對應電路集成為一個整體的技術,它是以半導體制造技術為基礎發展起來的, 批量化生產能滿足物聯網對傳感器的巨大需求量和低成本要求。

     

    物聯網時代到來,MEMS的機會

    全球半導體產業中, PC 在主導產業 10 多年后, 已經逐漸讓位于消費電子, 隨著摩爾定律逐漸到達其瓶頸, 制程的進步已經漸近其物理極限。 根據 MonolithIC 3D 創辦人 Zvi Or-Bach 的觀點,在 28 納米之后, 晶圓廠可以繼續把晶體做得更小、但卻無法更便宜, 對制程要求相對較低的物聯網應用可能會成為成熟制程重要的下游產業應用。

     

     


    摩爾定律正在接近極限

     

    就目前趨勢來看, 高端制程在整個 IC 封裝工藝中, 占比已經開始相對下降。 先進制程節點元件的實際工程成本,已經證明對產業界大多數廠商來說都太昂貴;因此半導體產業確實已經分頭發展,只有少數會追求微縮至 7 納米,而大多數仍維持采用 28 納米或更舊節點的設計。

     

    未來可以預見未來大規模下游應用主要會以新的消費電子例如 AR/VR, 以及物聯網例如智能駕駛、 智慧物流、 智能家居等。 而傳感器做為感知層,是不可或缺的關鍵基礎物理層部分,物聯網的快速發展,將會給 MEMS 行業帶來巨大的發展紅利。

     
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