文︱立厷
圖︱網(wǎng)絡(luò)
MEMS（Micro Electro Mechanical System）技術(shù)和集成電路不同，與國(guó)外相比沒(méi)有兩到三代的差距，基本上差不到一代，也就是半代左右，甚至有的方面還在領(lǐng)先。這是華東光電集成器件研究所研究員、副所長(zhǎng)展明浩日前發(fā)表的觀點(diǎn)。
今天就聊聊MEMS傳感器的發(fā)展歷史和現(xiàn)狀，以及目前的一些熱門(mén)應(yīng)用，看看國(guó)內(nèi)MEMS傳感器到底在什么位置。
什么是傳感器和MEMS？
國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB7665-87對(duì)傳感器的定義是：能感受規(guī)定的被測(cè)量件并按照一定的規(guī)律（數(shù)學(xué)函數(shù)法則）轉(zhuǎn)換成可用信號(hào)的器件或裝置，通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成。通俗講傳感器就是一種檢測(cè)裝置，能感受到被測(cè)量的信息，并能將感受到的信息轉(zhuǎn)換成為電信號(hào)或其他所需形式的信息輸出。
傳感器實(shí)際上是一個(gè)敏感元件，是在一定條件下按照一定的規(guī)律將各種信號(hào)轉(zhuǎn)換成可用信號(hào)的器件或裝置。傳感器的種類很多，包括力、磁、光、電、化學(xué)、生物、聲學(xué)，還有熱敏傳感器等。
傳感器種類很多
從17世紀(jì)伽利略發(fā)明溫度計(jì)開(kāi)始，就有了可量化外部世界的傳感器。傳感器的發(fā)展經(jīng)過(guò)了三個(gè)階段，第一階段是1950年到1969年的結(jié)構(gòu)性傳感器發(fā)展階段；第二階段是1971年到1999年的固態(tài)傳感器階段；2000年開(kāi)始到現(xiàn)在MEMS傳感器是第三個(gè)階段，MEMS技術(shù)發(fā)展很快，特別是兼容CMOS技術(shù)的MEMS傳感器。隨著半導(dǎo)體工藝的發(fā)展，MEMS傳感器在各個(gè)領(lǐng)域都有了很好的應(yīng)用。
傳感器的發(fā)展歷程
MEMS是一種采用微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)的傳感器，是用微電子、機(jī)械加工技術(shù)制造出來(lái)的傳感器。其特點(diǎn)是體積小、重量輕、功耗低、成本較低、可靠性較高，適于批量化生產(chǎn)。
MEMS傳感器
智能傳感器的里程碑
MEMS易于和專用IC（集成電路）結(jié)合在一起實(shí)現(xiàn)智能化特性。人們常說(shuō)，一代裝備，一代器件；反過(guò)來(lái)是一代器件推動(dòng)了一代裝備的發(fā)展；裝備的發(fā)展又帶動(dòng)了工藝的發(fā)展，工藝技術(shù)的進(jìn)步又推動(dòng)了器件，而器件的進(jìn)步又推動(dòng)了裝備性能的進(jìn)一步提升，周而復(fù)始，互相促進(jìn)。
先看智能傳感器的幾個(gè)里程碑事件，1970年，H.A.Waggener提出了電化學(xué)自終止腐蝕技術(shù)，它可以精確地控制和氫氧化鉀精確腐蝕的體硅工藝，標(biāo)志著體硅工藝的誕生。體硅各向異性化學(xué)腐蝕工藝的實(shí)現(xiàn)誕生了MEMS壓力傳感器。
MEMS壓力傳感器誕生
上世紀(jì)60年代末，美國(guó)Kulitez公司將硅傳感器發(fā)揚(yáng)光大，做出了民用商業(yè)化MEMS產(chǎn)品。硅壓阻壓力傳感器是Kulite的核心產(chǎn)品，它將過(guò)去簡(jiǎn)單的橋路電阻傳感器升級(jí)到采用高技術(shù)的硅絕緣傳感器——無(wú)引線傳感器。
第二個(gè)里程碑是平面犧牲層工藝的發(fā)展，帶來(lái)了MEMS慣性（IMU）傳感器技術(shù)的進(jìn)步。1988年，UC Berkley利用犧牲層工藝制作了首個(gè)靜電驅(qū)動(dòng)馬達(dá)，后來(lái)又做出了微機(jī)械陀螺、加速度傳感器等，之后都實(shí)現(xiàn)了商品化。
平面犧牲層技術(shù)是在形成微機(jī)械結(jié)構(gòu)的空腔或可活動(dòng)的微結(jié)構(gòu)過(guò)程中，先在下層薄膜上用結(jié)構(gòu)材料淀積所需的各種特殊結(jié)構(gòu)件，再用化學(xué)刻蝕劑將此層薄膜腐蝕掉，而不損傷微結(jié)構(gòu)件，然后就得到了上層薄膜結(jié)構(gòu)（空腔或微結(jié)構(gòu)件）。
MEMS慣性傳感器平面犧牲層工藝
利用平面犧牲層工藝還制作出了MEMS光學(xué)器件。1987年，德州儀器（TI）的Larry Hornbeck博士發(fā)明了DLP?（數(shù)字光源處理技術(shù)）芯片，1992年和1996年壓力分別發(fā)布了一些民用DLP芯片；1996年DLP應(yīng)用于投影顯示，首次實(shí)現(xiàn)了該技術(shù)商的業(yè)化；1998年DLP獲得了艾美獎(jiǎng)，它相當(dāng)于工業(yè)界的奧斯卡獎(jiǎng)；2004年，DLP技術(shù)位列所有MEMS行業(yè)全球第一的位置；2009年，伴隨消費(fèi)電子產(chǎn)品的飛速發(fā)展，TI微型投影顯示應(yīng)運(yùn)而生；2011年，DLP產(chǎn)品開(kāi)創(chuàng)了新的工業(yè)應(yīng)用方向；2015年，TI又將DLP技術(shù)引入到汽車電子行業(yè)；同年，Larry Hornbeck博士獲得了美國(guó)電影科學(xué)技術(shù)工程學(xué)會(huì)頒發(fā)的奧斯卡金像獎(jiǎng)，表彰他用DLP技術(shù)開(kāi)創(chuàng)了整個(gè)電影行業(yè)從膠片到數(shù)字的劃時(shí)代變革。
針對(duì)汽車應(yīng)用，2019年11月，TI加速推進(jìn)DLP技術(shù)在汽車電子五大場(chǎng)景的應(yīng)用落地。在車身電子裝置與照明系統(tǒng)中，包含自適應(yīng)前照燈系統(tǒng)、動(dòng)態(tài)尾燈、個(gè)性化內(nèi)飾照明、更亮的定制化小燈和透明車窗顯示等，TI都有的解決方案和創(chuàng)新產(chǎn)品。DLP?技術(shù)在車燈上的基本功能包括照明、可調(diào)節(jié)自適應(yīng)、增加人車溝通的額外渠道。其實(shí)它有更多的可能性有待廠家和工程師去發(fā)掘。
光MEMS器件平面犧牲層工藝
回到1994年，德國(guó)博世公司發(fā)明深硅刻蝕工藝，實(shí)現(xiàn)了高深寬比、高垂直度的結(jié)構(gòu)，顛覆了MEMS工藝技術(shù)的發(fā)展方向。現(xiàn)在高精度慣性器件基本上都采用深硅刻蝕工藝。
目前，深反應(yīng)離子刻蝕工藝是實(shí)現(xiàn)高深寬比特性的重要方式，已成為微加工技術(shù)的基石。這項(xiàng)刻蝕技術(shù)在眾多領(lǐng)域均得到了應(yīng)用，包括：MEMS電容式慣性傳感器；宏觀設(shè)備的微型化；三維集成電路堆疊技術(shù)的硅通孔工藝。研究發(fā)現(xiàn)，利用高深寬比結(jié)構(gòu)能夠顯著增加傳感面積，提供更高的驗(yàn)證質(zhì)量，同時(shí)降低彈簧剛度，提高電容靈敏度，從而提升慣性MEMS傳感器的性能。
深硅刻蝕工藝
進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，MEMS技術(shù)以超高速的創(chuàng)新速度發(fā)展，慣性MEMS傳感器、光MEMS傳感器，還有生物醫(yī)療MEMS和壓力傳感器，特別是高精度壓力傳感器、氣體傳感器都在不斷推陳出新。
21世紀(jì)MEMS技術(shù)的超高速發(fā)展
汽車成為MEMS創(chuàng)新熱土
在自動(dòng)駕駛或智能網(wǎng)聯(lián)汽車高速發(fā)展的今天，MEMS傳感器找到了進(jìn)一步施展的場(chǎng)景，也逐漸演變成為汽車傳感器的主要部件。
車聯(lián)網(wǎng)、自動(dòng)駕駛、汽車智能化的最重要要求是安全、可靠，然后才是舒適化，而這一切的背后都離不開(kāi)傳感器，特別是用途越來(lái)越廣的MEMS慣性傳感器，也叫慣性測(cè)量單元。
在自動(dòng)駕駛領(lǐng)域，IMU主要用來(lái)檢測(cè)和測(cè)量加速度和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。其原理是慣性定律，包括超小型MEMS傳感器，以及測(cè)量精度非常高的激光陀螺，無(wú)論尺寸大小，都是采用這一原理。最基礎(chǔ)的慣性傳感器包括加速度計(jì)和角速度計(jì)（陀螺儀）。不過(guò)，高精度的陀螺儀制造困難，成本高昂。因此，提高陀螺儀的精度，同時(shí)降低成本是當(dāng)前傳感器行業(yè)追求的目標(biāo)。
IMU在無(wú)人駕駛中的重要角色
自動(dòng)駕駛車輛的定位精度要求極高，需要能夠識(shí)別車輛正行駛在哪個(gè)車道，而不是正行駛在什么道路。通常一條車道的寬度只有2.7米到4.6米，允許誤差范圍極小。更高水平的自動(dòng)駕駛應(yīng)用需要通過(guò)更精確和高度穩(wěn)定的IMU性能來(lái)實(shí)現(xiàn)，特別是在Z軸或偏航陀螺儀性能方面。
IMU傳感器的汽車應(yīng)用
了解車輛在時(shí)空中的運(yùn)動(dòng)方式對(duì)于自動(dòng)駕駛應(yīng)用至關(guān)重要，IMU是所有定位系統(tǒng)中最關(guān)鍵的傳感器之一，可以測(cè)量運(yùn)動(dòng)、加速度和旋轉(zhuǎn)速度的基本物理量。它也是最可靠的傳感器，不受其他信號(hào)干擾和天氣等環(huán)境條件的影響。
IMU傳感器集成了多種傳感元件來(lái)測(cè)量運(yùn)動(dòng)和方向；其技術(shù)的進(jìn)步可以提高自動(dòng)駕駛車輛定位精度和操作安全。目前，國(guó)產(chǎn)MEMS IMU傳感器和自主傳感器融合算法的進(jìn)步正在不斷縮小精度和性能方面與國(guó)外產(chǎn)品的差距，已有望實(shí)現(xiàn)大規(guī)模商業(yè)化部署。
IMU數(shù)據(jù)與相關(guān)數(shù)據(jù)融合是關(guān)鍵
在自動(dòng)駕駛系統(tǒng)中，將IMU數(shù)據(jù)與GPS、視覺(jué)和其他探測(cè)和測(cè)距系統(tǒng)融合，可以填補(bǔ)GPS更新之間的空隙，并在GPS和/或其他傳感器受到影響時(shí)安全進(jìn)行短時(shí)導(dǎo)航。特別是，IMU數(shù)據(jù)始終可用，是所有自主車輛系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分，并可在具有挑戰(zhàn)性的環(huán)境中保持車輛安全運(yùn)行。
國(guó)內(nèi)MEMS傳感器產(chǎn)業(yè)方興未艾
MEMS涉及物理學(xué)、半導(dǎo)體、光學(xué)、電子工程、化學(xué)、材料工程、機(jī)械工程、醫(yī)學(xué)、信息工程及生物工程等多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域。隨著新技術(shù)、新工藝的出現(xiàn)，以MEMS技術(shù)為代表的傳感器行業(yè)正在加速進(jìn)入發(fā)展的快車道。
最近幾年，MEMS傳感器市場(chǎng)非?；穑瑥闹悄苁謾C(jī)開(kāi)始使MEMS傳感器應(yīng)用發(fā)生了顛覆性變化，實(shí)現(xiàn)了更多場(chǎng)景的應(yīng)用。未來(lái)，MEMS技術(shù)也將在自動(dòng)駕駛等領(lǐng)域發(fā)揮越來(lái)越重要的作用，讓自動(dòng)駕駛早日走向我們的生活。
在5G、自動(dòng)駕駛、新型智慧城市等國(guó)家發(fā)展戰(zhàn)略的推動(dòng)下，我國(guó)MEMS上下游產(chǎn)業(yè)鏈正在蓬勃發(fā)展。國(guó)內(nèi)MEMS廠商正逐步走向世界舞臺(tái)，在性能、市場(chǎng)等方面的一些優(yōu)勢(shì)也開(kāi)始顯現(xiàn)。
據(jù)介紹，MEMS領(lǐng)域和集成電路不同，和國(guó)外的差距沒(méi)有三代那么大，行業(yè)共識(shí)是，MEMS領(lǐng)域和國(guó)外的差距基本上差不到一代，在某些技術(shù)環(huán)節(jié)甚至可能有些領(lǐng)先。
目前國(guó)內(nèi)的MEMS傳感器產(chǎn)業(yè)用方興未艾來(lái)形容一點(diǎn)也不為過(guò)。MEMS傳感器行業(yè)主要上市公司有歌爾股份、賽微電子、士蘭微、華潤(rùn)微、高德紅外等。從產(chǎn)業(yè)鏈看，其上游產(chǎn)業(yè)鏈包括原材料、芯片設(shè)計(jì)等，涉及半導(dǎo)體材料、陶瓷材料、金屬材料和有機(jī)材料四大類。下游應(yīng)用與工業(yè)、汽車電子產(chǎn)品、通信電子產(chǎn)品、消費(fèi)電子產(chǎn)品、專用設(shè)備等緊密相關(guān)，所涉及的領(lǐng)域范圍非常廣泛。
從發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看，汽車工業(yè)和消費(fèi)類電子市場(chǎng)蓬勃發(fā)展，成為了MEMS傳感器的應(yīng)用基礎(chǔ)，未來(lái)醫(yī)療、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、智慧城市等智能現(xiàn)代化趨勢(shì)將使MEMS傳感器應(yīng)用進(jìn)一步提速。
產(chǎn)業(yè)鏈日趨豐富
目前，中國(guó)電科第十三研究所、華東光電、廣州奧松電子、芯動(dòng)科技等一批6英寸MEMS生產(chǎn)線已投入運(yùn)營(yíng)，開(kāi)始成功量產(chǎn)。在6英寸MEMS體硅SOI工藝平臺(tái)上，一些廠商已形成完善的工藝技術(shù)體系，包含硅硅直接鍵合、高深寬比SOI結(jié)構(gòu)刻蝕釋放、高深寬比TSV刻蝕與填充、晶圓級(jí)真空封裝、熱應(yīng)力隔離結(jié)構(gòu)等關(guān)鍵工藝技術(shù)。
體硅SOI工藝可以實(shí)現(xiàn)高精度微機(jī)械慣性器件加工，滿足高精度、高深寬比、低應(yīng)力的工藝加工要求。其產(chǎn)品涵蓋紅外溫度傳感器、氣體傳感器、流量傳感器、壓力傳感器、陀螺和加速度傳感器，以及MEMS超聲換能器、溫濕度、流量、氣體、差壓、風(fēng)速等傳感器芯片，廣泛用于家用呼吸機(jī)、額溫槍、高端工業(yè)、國(guó)防軍工等領(lǐng)域。
在系統(tǒng)設(shè)計(jì)，特別是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，主要采用的都是國(guó)外主流的EDA軟件，與其他半導(dǎo)體器件設(shè)計(jì)領(lǐng)域相仿。
設(shè)計(jì)平臺(tái)
MEMS制造平臺(tái)主要有三大工藝體系：制造高精度MEMS傳感器的SOI體硅工藝體系；制造小型化商用MEMS傳感器的TSV硅工藝體系；以及制造壓阻式MEMS傳感器的壓阻體硅工藝體系。
MEMS制造平臺(tái)
全自動(dòng)無(wú)人值守測(cè)試平臺(tái)
目前，傳感器行業(yè)常見(jiàn)的模式是提供一站式定制服務(wù)。由于工藝線寬沒(méi)有處理器那么高，國(guó)內(nèi)的MEMS慣性傳感器代工廠也比較多，有助于解決國(guó)外大廠沒(méi)有產(chǎn)能的燃眉之急。有的企業(yè)既做設(shè)計(jì)生產(chǎn)并銷售傳感器產(chǎn)品，同時(shí)也和其他公司合作，提供代工服務(wù)，甚至已在國(guó)內(nèi)MEMS慣性傳感器代工領(lǐng)域名列前茅；也有一些企業(yè)與光MEMS傳感器全球排名前三的企業(yè)合作，不斷擴(kuò)大自己的代工業(yè)務(wù)。
一些傳感器的消費(fèi)類應(yīng)用
合作才能共贏
這種兩條腿走路的方式不失為國(guó)內(nèi)MEMS傳感器實(shí)現(xiàn)技術(shù)、市場(chǎng)和產(chǎn)品銷售突破的一條捷徑，特別是根據(jù)客戶需求的定制模式，更有助于企業(yè)及時(shí)發(fā)現(xiàn)市場(chǎng)熱點(diǎn)和商機(jī)，讓自己掌握的技術(shù)能夠應(yīng)用于更廣泛的新興個(gè)性化應(yīng)用中。
