微機電系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀及關鍵技術分析

劉洋

1 微機電系統(tǒng)（MEMS）現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢

隨著智能制造和物聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，傳感器作為數(shù)據(jù)采集的入口，其關鍵器件的作用越來越重要。萬物互聯(lián)時代必將使智能終端大規(guī)模推廣應用，傳感器的市場需求也會隨之急劇增加，并且主要應用類別逐漸向具有高技術含量的MEMS傳感器領域轉(zhuǎn)移。

MEMS是融合微電子和微機械加工技術，將微型傳感器和微型執(zhí)行器以及信息處理單元等集成于一體并實現(xiàn)特定功能的微型智能系統(tǒng)。MEMS傳感器作為獲取信息的關鍵器件，其類別繁多、應用廣泛，具有質(zhì)量輕、體積小、能耗低、精度高、穩(wěn)定性好、集成度高以及耐惡劣工況等技術特點，對各種傳感系統(tǒng)的微型化、集成化、模塊化發(fā)展起著巨大的推動作用，已在航空航天、軍事裝備、工業(yè)控制、生物醫(yī)療、環(huán)境監(jiān)測、汽車工業(yè)、通信通訊及智能電子產(chǎn)品等關鍵高新技術領域中得到了廣泛的應用，成為國民經(jīng)濟和軍事發(fā)展過程中的關鍵技術。

根據(jù)市場研究機構IC Insights發(fā)布的報告，2018年全球傳感器市場規(guī)模約為215.8億美元，其中MEMS傳感器市場份額占比為78%，2018年MEMS傳感器銷售額增長11%，達到168.3億美元，其中消費電子和汽車是MEMS應用的支柱性產(chǎn)業(yè)，共計占到MEMS應用產(chǎn)業(yè)規(guī)模的80%以上。預計到2020年，全球MEMS產(chǎn)業(yè)將超過200億美元。全球MEMS產(chǎn)業(yè)細分市場占比見圖1。

全球前10名MEMS器件廠商占據(jù)了大部分市場份額，2017年營業(yè)收入超過2億美元的有20家，其中傳感器行業(yè)5大領導者企業(yè)——博世有限公司、意法半導體（ST）集團、美國德州儀器公司、安華高科技公司、惠普公司占據(jù)市場份額的1/3，營業(yè)收入合計約43億美元[1]。中國作為世界最大的電子產(chǎn)品制造基地，MEMS器件使用量約為全球的1/4。2017年，中國MEMS傳感器市場銷售額將達到41億美元。

全球MEMS傳感器主要細分應用領域及其市場規(guī)模詳見圖2。由于筆記本、平板電腦和智能手機等消費類電子產(chǎn)品的巨大市場需求，以及具有廣闊增長潛力的可穿戴類電子設備和物聯(lián)網(wǎng)應用市場的帶動作用，MEMS傳感器產(chǎn)業(yè)發(fā)展將進入快速發(fā)展時期。

隨著人們生活應用的不斷拓展，要求能夠監(jiān)測多種物理參量功能的傳感器需求也變的非常普遍，傳感器未來發(fā)展趨勢是朝著多功能、集成化、模塊化方向發(fā)展，目前具有多種傳感功能集成的MEMS器件也出現(xiàn)在應用市場。如慣性MEMS傳感器已經(jīng)推出了三軸、六軸甚至九軸等不同組合的集成模塊，將陀螺儀、地磁計以及加速度傳感器等MEMS器件集成于一體，既滿足了生產(chǎn)廠商要求器件體積小、成本低、功能多樣的需求，又提升了用戶多元化的體驗。

2 MEMS技術原理及其分類應用

MEMS基本結構分為傳感器、執(zhí)行器、信號處理單元以及通訊接口單元，其基本結構如圖3所示。MEMS傳感器以半導體制造技術為基礎，將微電子技術和微機械加工技術相結合，采用氧化、光刻、擴散、外延等半導體制備技術，結合硅料腐蝕、固相鍵合、微細加工、LIGA等工藝，應用以上技術工藝制備三維微型單元并與特定用途的薄膜材料、控制電路相結合，實現(xiàn)對壓力、重力、磁場、光強、溫度、濕度、聲量、流量、熱量、濃度等各類物理或化學參數(shù)的探測[2]。

MEMS傳感器分類方法也分多種，按照工作原理可分為物理傳感器、化學傳感器和生物傳感器，其中每種MEMS傳感器又可分多種小類，不同類別MEMS傳感器可測量不同的參量，實現(xiàn)各種特定功能。

MEMS物理傳感器又可分為力學、電學、磁學、熱學、光學、聲學等6類傳感器；MEMS化學傳感器可分為氣體、溫度、離子等3類傳感器；MEMS生物傳感器可分為生理和生化2類傳感器。傳感器類別具體劃分見表1所示。

目前市場上常用的MEMS傳感器主要包括壓力傳感器、慣性傳感器、加速度計、陀螺儀等。消費電子領域是MEMS傳感器的最大應用市場。在三星公司、蘋果公司、華為技術有限公司等高端手機中共使用了超過14顆傳感器，分別是陀螺儀、加速度計、電子羅盤、壓力傳感器、位移傳感器、光線傳感器、指紋識別傳感器、成像傳感器、硅麥克風和圖像處理傳感器等。隨著平板電腦、智能手機功能的不斷發(fā)展，消費電子領域的傳感器使用量也會增加，預計將為全球MEMS傳感器市場帶來8%以上增長率。汽車也是MEMS傳感器應用較大的市場，一般而言高端汽車都會使用超過30顆MEMS傳感器，車用傳感器分布情況見圖4，其中壓力傳感器超過10個，目前絕大部分的輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)中采用的是基于MEMS技術壓力傳感器。未來汽車領域的發(fā)展趨勢是使用更多的傳感器來提升車輛的安全性以及舒適度。

3 MEMS關鍵技術

MEMS是基于集成電路、微電子及微細加工等技術且緊密交叉的現(xiàn)代信息技術前沿研究領域。MEMS器件因其內(nèi)部單元為納米級別且結構復雜，尺寸控制及其嚴格，所以對制備技術及加工工藝要求極高。

MEMS傳感器核心關鍵技術在設計及其制備加工環(huán)節(jié)[3]。MEMS是結合了半導體制備技術和機械微細加工工藝的微型器件，制造技術以及工藝難度比半導體芯片制備更難。MEMS技術路徑主要由仿真設計、加工制造、集成封裝、測試分析等4部分構成，圖5為MEMS技術路徑示意圖。

3.1 MEMS設計及仿真技術

MEMS設計及仿真技術涉及內(nèi)容廣、技術要求高、綜合性強。需要根據(jù)MEMS器件的功能原理作為設計指導，通過計算機的模擬仿真進行驗證分析并迭代優(yōu)化。MEMS頂層設計涵蓋后續(xù)的機械加工、封裝集成以及測試分析等各環(huán)節(jié)，對器件的功能參數(shù)起著決定性的影響。與微細加工制備技術相比，MEMS器件設計及仿真技術要求更高。目前MEMS器件設計及仿真技術的是朝著自動化、智能化的趨勢發(fā)展，不斷提升產(chǎn)品的功能集成度以及實用性，滿足多元化的市場需求。

MEMS傳感器系統(tǒng)設計關鍵點主要體現(xiàn)在信號與能量之間的轉(zhuǎn)換。MEMS系統(tǒng)設計仿真分析方法主要包括有限元法（FEM）、邊界元法（BEM）、有限差分法（FDM）等。MEMS設計可分為工藝級、器件級、系統(tǒng)級等不同的層次，其設計難度依次遞增。

MEMS系統(tǒng)級設計綜合各系統(tǒng)框架進行整體性分析，其設計采用自頂層結構自上而下的建立各分子系統(tǒng)動態(tài)模型進行分析，減少了系統(tǒng)間多種信號和能量之間的轉(zhuǎn)換。MEMS器件級設計為特定性的功能模塊，需要開展重復性的參數(shù)分析，可采用數(shù)值分析法對大批量的數(shù)據(jù)信息分析比較，作為器件設計的理論依據(jù)。MEMS工藝級設計主要保證尺寸精密度并進行微細加工，因此與微細加工技術緊密相關。

MEMS傳感器設計首先對功能需求、性能特性以及加工要求進行綜合分析，構建系統(tǒng)基本框架結構，梳理系統(tǒng)設計基本方向；然后根據(jù)系統(tǒng)基本框架結構進行功能模塊以及單元結構的布局，再利用信號評測電路對電子線路和機械結構布局進行整體性優(yōu)化改進，從而形成完整結構布局。在MEMS系統(tǒng)設計中從頂層開始結構設計及布局，在系統(tǒng)結構模型構建過程中對各功能結構進行分工，同時關注各系統(tǒng)之間的信息反饋，如果發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)結構間存在問題及時進行調(diào)整。

3.2 MEMS微細加工制備技術

MEMS傳感器通常采用微縮比例的孔道、腔體、懸臂等機械零部件常用結構。MEMS器件加工技術與半導體制造工藝類似，均采用批量處理模式的微細加工制造技術工藝，其特點是能大幅減少規(guī)?；a(chǎn)成本。MEMS制備技術工藝主要包括體微加工、表面微加工和LIGA工藝（三維微細加工工藝），體微加工、表面微加工2類制備加工技術工藝都是基于集成電路制備技術，所使用的基本材料為硅材料[4]。而LIGA工藝加工的材料可以采用金屬、聚合物等不同材質(zhì)。

體微加工技術是在硅襯底上通過各向異性刻蝕制備各種微型機械構件。該技術采用對硅材料的腐蝕得到小深寬比且外形結構簡單的微細機械結構零件，技術優(yōu)點是資金投入少、加工設備簡單，可以將大尺寸硅片批量制備成高精度MEMS器件，同時該技術還可以去除因為研磨制備工藝造成的剩余機械應力，降低了器件的不良率，提升了器件性能的可靠性和穩(wěn)定性。

表面微加工技術是通過表面生長及光刻等工藝在基底逐層構造各種微細機械部件。該技術可以通過摻入各種材料制備結構比較復雜的器件，一般采用的淀積技術分為化學工藝和物理工藝2大類，化學工藝包括有化學氣相沉積、電鍍；物理工藝包括物理氣相淀積、蒸發(fā)；刻蝕技術采用干法刻蝕和濕法腐蝕等工藝。表面微加工技術的缺點是技術工藝復雜，加工設備價格高昂。

LIGA技術是制版、電鑄、注塑的德文縮寫，是一種基于X射線光刻技術的三維微細加工工藝技術。與傳統(tǒng)微細加工方法相比，采用LIGA技術可批量制備大深寬比、結構復雜的MEMS器件，同時對加工材料的范圍也比較廣，可對金屬、陶瓷、塑料、聚合物等材料進行加工。其工藝流程為輻射、顯影、電鑄、剝模、充模、脫模、電鑄成型等步驟，在批量制備器件時充模、脫模、電鑄成型等工藝步驟可重復進行。

3.3 MEMS封裝及測試技術

MEMS傳感器的功能原理以及器件結構差異性很大，同時封裝形式的多樣性以及技術復雜，導致部分MEMS器件的封裝以及測試成本占比極高。MEMS傳感器技術中，器件封裝及系統(tǒng)測試也是關鍵環(huán)節(jié)之一。其封裝方法以及系統(tǒng)測試分析決定著MEMS傳感器的功能穩(wěn)定性和可靠性。

MEMS器件封裝技術可分為倒裝封裝、單片集成封裝以及多芯片封裝等。MEMS傳感器采用專用電子電路集成芯片進行采樣及驅(qū)動，倒裝封裝技術是將IC芯片正面倒置朝下并與基板封裝，其優(yōu)勢是可從芯片四周引出接口與其他電子線路連接，提升了器件的運行速度，其封裝結構更輕薄、體積更小巧、信號傳輸更高效。單片集成封裝是指在基底上形成微型結構以及線路，使其構成完整系統(tǒng)，其具有內(nèi)部互連長度短、電氣特性優(yōu)異、結構小、接口接點密度高等優(yōu)點，是MEMS器件封裝較理想方式；多芯片組件封裝是指封裝器件中包含2個及其以上芯片通過基板聯(lián)接構成的封裝形式，該組件封裝結構屬于系統(tǒng)級封裝，包含器件所需的信號接口、散熱控制、機械支撐等功能。多芯片封裝技術是MEMS器件封裝的發(fā)展趨勢，其具有線路密度高、尺寸結構小、工作頻率高、運行效率優(yōu)、制備成本低等特點。

MEMS器件測試分為晶圓級測試和成品級測試。晶圓級測試主要在MEMS傳感器研發(fā)階段，其工作主要包括驗證器件的功能實現(xiàn)以及能否正常工作，器件性能參數(shù)的一致性，研發(fā)工藝流程的穩(wěn)定性。通過測試可以得到前期性能特性指標以及相關數(shù)據(jù)進行優(yōu)化分析，相較于成品測試，晶圓級測試可以及早發(fā)現(xiàn)設計階段存在的問題并進行改進，提升產(chǎn)品開發(fā)效率，降低成本，對于MEMS器件產(chǎn)業(yè)化具有重要意義。MEMS器件成品級測試不僅包括器件測試，同時還需要將器件參數(shù)指標進行調(diào)整，輸出特性進行補償、參數(shù)標定等工作。成品級測試目前還沒有自動化測試設備，工作量大，測試時間長，因此占據(jù)了MEMS器件約30%的成本。

4 結語

MEME器件產(chǎn)業(yè)技術門檻高，工藝流程復雜。因MEMS傳感器功能多樣、種類繁多以及應用場合不同，其設計原理、系統(tǒng)結構以及封裝形式也各不相同，所以MEMS器件并沒有通用化的制備工藝流程。

制備技術工藝特點是一類器件產(chǎn)品對應著一種制備生產(chǎn)工藝[5]。不同的MEMS傳感器之間沒有標準工藝流程，產(chǎn)品技術指標較多，每類傳感器實現(xiàn)批量生產(chǎn)都需要從前端開始研發(fā)投入，工藝研發(fā)時間長且成品率比傳統(tǒng)半導體器件行業(yè)更低，因此MEMS傳感器產(chǎn)業(yè)發(fā)展需要在材料、設計、工藝、設備等產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)進行持續(xù)長期的高投入。

全球主要發(fā)達國家都把MEMS傳感器產(chǎn)業(yè)列為國家發(fā)展戰(zhàn)略，我國政府同樣對MEMS傳感器產(chǎn)業(yè)高度重視，將其作為戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)重點發(fā)展。目前我國在MEMS傳感器領域存在產(chǎn)業(yè)鏈上游的設計、工藝、材料等環(huán)節(jié)技術薄弱，在系統(tǒng)應用及配套解決方案提供服務不到位，以及MEMS產(chǎn)業(yè)資源分布不均等問題。今后5年是我國MEMS傳感器產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展的關鍵時期，我國傳感器產(chǎn)業(yè)布局主要包括長三角、珠三角、京津冀地區(qū)和東北 3省等區(qū)域。MEMS產(chǎn)業(yè)發(fā)展比較好的地區(qū)正在逐步形成產(chǎn)業(yè)集聚效應，已經(jīng)初步構建了比較完備的MEMS器件產(chǎn)業(yè)體系和科研創(chuàng)新機制，突破了一批核心關鍵技術，為MEMS器件產(chǎn)業(yè)化奠定了技術基礎。未來可依托具有優(yōu)勢的產(chǎn)業(yè)集聚區(qū)，由企業(yè)和科研院所組成產(chǎn)學研用相結合的立體化發(fā)展模式，完善產(chǎn)業(yè)投融資環(huán)境和技術成果轉(zhuǎn)化機制，突出產(chǎn)業(yè)要素集聚優(yōu)勢，打造產(chǎn)品品牌效應，合理調(diào)整產(chǎn)業(yè)結構以及健全MEMS產(chǎn)業(yè)鏈，形成技術自主創(chuàng)新能力強、產(chǎn)業(yè)鏈配套齊備的傳感器產(chǎn)業(yè)基地，引導推動MEMS傳感器產(chǎn)業(yè)快速健康發(fā)展。

參考文獻

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