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一文讀懂MEMS傳感器（必須收藏）

導語(yǔ)：

傳感器發(fā)展到今天，小型化、智能化、集成化，已經(jīng)是升級換代的必由之路。今天，我們來(lái)為大家介紹一下傳感器家族的mini型產(chǎn)品——--MEMS傳感器。


什么是MEMS傳感器？

MEMS的全稱(chēng)是微型電子機械系統（Micro-ElectroMechanical System），微機電系統是指可批量制作的，將微型機構、微型傳感器、微型執行器以及信號處理和控制電路、直至接口、通信和電源等集成于一塊或多塊芯片上的微型器件或系統。而MEMS傳感器就是采用微電子和微機械加工技術(shù)制造出來(lái)的新型傳感器。

MEMS是用傳統的半導體工藝和材料，以半導體制造技術(shù)為基礎發(fā)展起來(lái)的一種先進(jìn)的制造技術(shù)，學(xué)科交叉現象極其明顯，主要涉及微加工技術(shù)，機械學(xué)/固體聲波理論，熱流理論，電子學(xué)、材料、物理學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)、醫學(xué)等等。經(jīng)過(guò)四十多年的發(fā)展，已成為世界矚目的重大科技領(lǐng)域之一。

加工工藝：


MEMS技術(shù)基于已經(jīng)相當成熟的微電子技術(shù)、集成電路技術(shù)及其加工工藝。它與傳統的IC工藝有許多相似之處，如光刻、薄膜沉積、摻雜、刻蝕、化學(xué)機械拋光工藝等，但是有些復雜的微結構難以用IC工藝實(shí)現，必須采用微加工技術(shù)制造。

微加工技術(shù)包括硅的體微加工技術(shù)、表面微加工技術(shù)和特殊微加工技術(shù)。體加工技術(shù)是指沿著(zhù)硅襯底的厚度方向對硅襯底進(jìn)行刻蝕的工藝，包括濕法刻蝕和干法刻蝕，是實(shí)現三維結構的重要方法。表面微加工是采用薄膜沉積、光刻以及刻蝕工藝，通過(guò)在犧牲層薄膜上沉積結構層薄膜，然后去除犧牲層釋放結構層實(shí)現可動(dòng)結構。

除了上述兩種微加工技術(shù)以外，MEMS制造還廣泛地使用多種特殊加工方法，其中常見(jiàn)的方法包括鍵合、LIGA、電鍍、軟光刻、微模鑄、微立體光刻與微電火花加工等。

應用材料：


硅基材料：大部分集成電路和MEMS的原材料是硅(Si)，這個(gè)神奇的VI族元素可以從二氧化硅中大量提取出來(lái)。而二氧化硅是什么？說(shuō)的通俗一點(diǎn)，就是沙子。沙子君在經(jīng)歷了一系列復雜的加工過(guò)程之后，就變成了單晶硅，長(cháng)這個(gè)樣子：

這個(gè)長(cháng)長(cháng)的大柱子，直徑可以是 1 inch (2.5 cm) 到 12 inch (30 cm)，被切成一層層 500 微米厚的硅片 （英文：wafer，和威化餅同詞），長(cháng)這個(gè)樣子：

采用以硅為主的材料，電氣性能優(yōu)良，硅材料的強度、硬度和楊氏模量與鐵相當，密度與鋁類(lèi)似，熱傳導率接近鉬和鎢。若單個(gè)MEMS傳感器芯片面積為5 mm x 5 mm，則一個(gè)8英寸(直徑20厘米)硅片(wafer)可切割出約1000個(gè)MEMS傳感器芯片，分攤到每個(gè)芯片的成本則可大幅度降低。

非硅材料：近年來(lái)，MEMS的材料應用上有被非硅材料逐漸替代的現象，學(xué)術(shù)研究人員現在開(kāi)始專(zhuān)注于開(kāi)發(fā)聚合物和紙基微型器件。利用這些材料開(kāi)發(fā)的器件，不僅工藝環(huán)保，而且制作設備簡(jiǎn)單、成本較低。相對硅材料，它們大幅縮減了研發(fā)經(jīng)費預算。許多聚合物和紙基微型器件的創(chuàng ) 新都指向了醫療應用，對該領(lǐng)域來(lái)說(shuō)，生物相容性和材料的柔性是基本要求。



紙基和聚合物微型器件的功能和性能開(kāi)發(fā)，目前還處于相對早期的階段，這類(lèi)器件的生產(chǎn)設施現今也還沒(méi)有開(kāi)發(fā)出來(lái)。這些新技術(shù)的成熟和商業(yè)化，可能還需要超過(guò)10年的時(shí)間。所以，基于硅材料的微型器件研究，還有很多創(chuàng ) 新工作要做，不然就會(huì )面臨發(fā)展停滯的風(fēng)險。


技術(shù)優(yōu)勢：


用MEMS工藝制造傳感器、執行器或者微結構， 具有微型化、集成化、智能化、成本低、效能高、可大批量生產(chǎn)等特點(diǎn)，  產(chǎn)能高，良品率高。MEMS技術(shù)使數以萬(wàn)計的MEMS芯片（有些工藝也會(huì )把集成電路芯片放在同一步驟加工）出現在了每一片wafer上面，如下圖所示。

這種批量生產(chǎn)（batch process）的過(guò)程目前已經(jīng)全自動(dòng)化控制，隔離了人為因素，確保了每一個(gè)MEMS芯片之間的工藝誤差可以得到嚴格的控制，從而提高了良品率。切片、封裝之后，就成為了一個(gè)個(gè)的MEMS芯片。從外觀(guān)上來(lái)看，大部分的MEMS芯片和集成電路芯片是差不多的。


綜上所述，微米量級的特征尺寸使MEMS傳感器可以完成某些傳統機械傳感器所不能實(shí)現的功能。是微型傳感器的主力軍，正在逐漸取代傳統機械傳感器，普遍應用于消費電子產(chǎn)品、汽車(chē)工業(yè)、航空航天、機械、化工及醫藥等各領(lǐng)域。常見(jiàn)產(chǎn)品有壓力傳感器，加速度計，陀螺，靜電致動(dòng)光投影顯示器，DNA擴增微系統，催化傳感器。

與傳統傳感器的區別：


在下面的圖片中，以麥克風(fēng)為例我們來(lái)更清晰地認識一下傳統麥克風(fēng)和MEMS麥克風(fēng)的區別。

傳統的駐極體麥克風(fēng)：

MEMS麥克風(fēng)：

圖中，傳統麥克風(fēng)的七八種機械配件就全部集成在了一塊很小的MEMS傳感器芯片上了，體積非常小，重量也非常輕。由于是芯片制造，一致性好、功耗低，更易于批量生產(chǎn)。但是對技術(shù)的要求那就非常高了。MEMS傳感器的出現極大的滿(mǎn)足了大家對產(chǎn)品小體積、高性能的要求。


MEMS傳感器的分類(lèi)


MEMS傳感器不僅能夠感知被測參數，將其轉換成方便度量的信號；而且能對所得到的信號進(jìn)行分析、處理和識別、判斷，因此形象地被稱(chēng)為智能傳感器。 

MEMS傳感器的種類(lèi)繁多，也有很多分類(lèi)的方法。下面是按照工作原理分類(lèi)：

每一種MEMS傳感器又有很多種細分方法。如加速度計，按檢測質(zhì)量的運動(dòng)方式劃分，有角振動(dòng)式和線(xiàn)振動(dòng)式加速度計等，常見(jiàn)的MEMS傳感器有壓力傳感器、加速度傳感器、微機械陀螺儀、慣性傳感器、MEMS硅麥克風(fēng)等等;MEMS傳感器的品種多到可以以萬(wàn)為單位，且不同MEMS之間參量較多，沒(méi)有完全標準的工藝。

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