你真的懂MEMS嗎？

　　微機電系統(tǒng)(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(tǒng)。簡單理解， MEMS 就是將傳統(tǒng)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(yōu)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(tǒng) 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(fā)展歷史： 從 20 世紀初在英國物理學家弗萊明手下發(fā)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(fā)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(yè)發(fā)展前進的永恒追求。

      半導體的發(fā)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(yōu)勢， 目前來看我們認為其是替代傳統(tǒng)傳感器的唯一可能選擇，也可能是未來構筑物聯(lián)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(yōu)點。 MEMS 更高的表面體積比(表面積比體積) 可以提高表面?zhèn)鞲衅鞯拿舾谐潭取?/p>

　　2)硅基加工工藝，可兼容傳統(tǒng) 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(zhí)行器集成于一體，或形成微傳感器陣列、微執(zhí)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(tǒng)。微傳感器、微執(zhí)行器和微電子器件的集成可制造出可靠性、穩(wěn)定性很高的 MEMS。 隨著 MEMS 的工藝的發(fā)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(fā)展的許多尖端成果。MEMS 是構筑物聯(lián)網的基礎物理感知層傳感器的最主要選擇之一。 由于物聯(lián)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(lián)網產業(yè)的發(fā)展至關重要。 MEMS 微機電系統(tǒng)結合兼容傳統(tǒng)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(fā)展起來的， 批量化生產能滿足物聯(lián)網對傳感器的巨大需求量和低成本要求。

　　物聯(lián)網時代到來，MEMS的機會

　　全球半導體產業(yè)中， PC 在主導產業(yè) 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(chuàng)辦人 Zvi Or-Bach 的觀點，在 28 納米之后， 晶圓廠可以繼續(xù)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(lián)網應用可能會成為成熟制程重要的下游產業(yè)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(jié)點元件的實際工程成本，已經證明對產業(yè)界大多數廠商來說都太昂貴;因此半導體產業(yè)確實已經分頭發(fā)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(jié)點的設計。

　　未來可以預見未來大規(guī)模下游應用主要會以新的消費電子例如 AR/VR， 以及物聯(lián)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(lián)網的快速發(fā)展，將會給 MEMS 行業(yè)帶來巨大的發(fā)展紅利。