文︱立厷
圖︱網(wǎng)絡
MEMS（Micro Electro Mechanical System）技術(shù)和集成電路不同，與國外相比沒有兩到三代的差距，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、副所長展明浩日前發(fā)表的觀點。
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應用，看看國內(nèi)MEMS傳感器到底在什么位置。
什么是傳感器和MEMS？
國家標準GB7665-87對傳感器的定義是：能感受規(guī)定的被測量件并按照一定的規(guī)律（數(shù)學函數(shù)法則）轉(zhuǎn)換成可用信號的器件或裝置，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裝置，能感受到被測量的信息，并能將感受到的信息轉(zhuǎn)換成為電信號或其他所需形式的信息輸出。
傳感器實際上是一個敏感元件，是在一定條件下按照一定的規(guī)律將各種信號轉(zhuǎn)換成可用信號的器件或裝置。傳感器的種類很多，包括力、磁、光、電、化學、生物、聲學，還有熱敏傳感器等。
傳感器種類很多
從17世紀伽利略發(fā)明溫度計開始，就有了可量化外部世界的傳感器。傳感器的發(fā)展經(jīng)過了三個階段，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年開始到現(xiàn)在MEMS傳感器是第三個階段，MEMS技術(shù)發(fā)展很快，特別是兼容CMOS技術(shù)的MEMS傳感器。隨著半導體工藝的發(fā)展，MEMS傳感器在各個領(lǐng)域都有了很好的應用。
傳感器的發(fā)展歷程
MEMS是一種采用微機電系統(tǒng)技術(shù)的傳感器，是用微電子、機械加工技術(shù)制造出來的傳感器。其特點是體積小、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)合在一起實現(xiàn)智能化特性。人們常說，一代裝備，一代器件；反過來是一代器件推動了一代裝備的發(fā)展；裝備的發(fā)展又帶動了工藝的發(fā)展，工藝技術(shù)的進步又推動了器件，而器件的進步又推動了裝備性能的進一步提升，周而復始，互相促進。
先看智能傳感器的幾個里程碑事件，1970年，H.A.Waggener提出了電化學自終止腐蝕技術(shù)，它可以精確地控制和氫氧化鉀精確腐蝕的體硅工藝，標志著體硅工藝的誕生。體硅各向異性化學腐蝕工藝的實現(xiàn)誕生了MEMS壓力傳感器。
MEMS壓力傳感器誕生
上世紀60年代末，美國Kulitez公司將硅傳感器發(fā)揚光大，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，它將過去簡單的橋路電阻傳感器升級到采用高技術(shù)的硅絕緣傳感器——無引線傳感器。
第二個里程碑是平面犧牲層工藝的發(fā)展，帶來了MEMS慣性（IMU）傳感器技術(shù)的進步。1988年，UC Berkley利用犧牲層工藝制作了首個靜電驅(qū)動馬達，后來又做出了微機械陀螺、加速度傳感器等，之后都實現(xiàn)了商品化。
平面犧牲層技術(shù)是在形成微機械結(jié)構(gòu)的空腔或可活動的微結(jié)構(gòu)過程中，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應用于投影顯示，首次實現(xiàn)了該技術(shù)商的業(yè)化；1998年DLP獲得了艾美獎，它相當于工業(yè)界的奧斯卡獎；2004年，DLP技術(shù)位列所有MEMS行業(yè)全球第一的位置；2009年，伴隨消費電子產(chǎn)品的飛速發(fā)展，TI微型投影顯示應運而生；2011年，DLP產(chǎn)品開創(chuàng)了新的工業(yè)應用方向；2015年，TI又將DLP技術(shù)引入到汽車電子行業(yè)；同年，Larry Hornbeck博士獲得了美國電影科學技術(shù)工程學會頒發(fā)的奧斯卡金像獎，表彰他用DLP技術(shù)開創(chuàng)了整個電影行業(yè)從膠片到數(shù)字的劃時代變革。
針對汽車應用，2019年11月，TI加速推進DLP技術(shù)在汽車電子五大場景的應用落地。在車身電子裝置與照明系統(tǒng)中，包含自適應前照燈系統(tǒng)、動態(tài)尾燈、個性化內(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、增加人車溝通的額外渠道。其實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，德國博世公司發(fā)明深硅刻蝕工藝，實現(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，深反應離子刻蝕工藝是實現(xiàn)高深寬比特性的重要方式，已成為微加工技術(shù)的基石。這項刻蝕技術(shù)在眾多領(lǐng)域均得到了應用，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，提供更高的驗證質(zhì)量，同時降低彈簧剛度，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
進入21世紀以來，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MEMS技術(shù)的超高速發(fā)展
汽車成為MEMS創(chuàng)新熱土
在自動駕駛或智能網(wǎng)聯(lián)汽車高速發(fā)展的今天，MEMS傳感器找到了進一步施展的場景，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傳感器，特別是用途越來越廣的MEMS慣性傳感器，也叫慣性測量單元。
在自動駕駛領(lǐng)域，IMU主要用來檢測和測量加速度和旋轉(zhuǎn)運動。其原理是慣性定律，包括超小型MEMS傳感器，以及測量精度非常高的激光陀螺，無論尺寸大小，都是采用這一原理。最基礎(chǔ)的慣性傳感器包括加速度計和角速度計（陀螺儀）。不過，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，同時降低成本是當前傳感器行業(yè)追求的目標。
IMU在無人駕駛中的重要角色
自動駕駛車輛的定位精度要求極高，需要能夠識別車輛正行駛在哪個車道，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。更高水平的自動駕駛應用需要通過更精確和高度穩(wěn)定的IMU性能來實現(xiàn)，特別是在Z軸或偏航陀螺儀性能方面。
IMU傳感器的汽車應用
了解車輛在時空中的運動方式對于自動駕駛應用至關(guān)重要，IMU是所有定位系統(tǒng)中最關(guān)鍵的傳感器之一，可以測量運動、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測量運動和方向；其技術(shù)的進步可以提高自動駕駛車輛定位精度和操作安全。目前，國產(chǎn)MEMS IMU傳感器和自主傳感器融合算法的進步正在不斷縮小精度和性能方面與國外產(chǎn)品的差距，已有望實現(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
在自動駕駛系統(tǒng)中，將IMU數(shù)據(jù)與GPS、視覺和其他探測和測距系統(tǒng)融合，可以填補GPS更新之間的空隙，并在GPS和/或其他傳感器受到影響時安全進行短時導航。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行。
國內(nèi)MEMS傳感器產(chǎn)業(yè)方興未艾
MEMS涉及物理學、半導體、光學、電子工程、化學、材料工程、機械工程、醫(yī)學、信息工程及生物工程等多個學科領(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)正在加速進入發(fā)展的快車道。
最近幾年，MEMS傳感器市場非常火，從智能手機開始使MEMS傳感器應用發(fā)生了顛覆性變化，實現(xiàn)了更多場景的應用。未來，MEMS技術(shù)也將在自動駕駛等領(lǐng)域發(fā)揮越來越重要的作用，讓自動駕駛早日走向我們的生活。
在5G、自動駕駛、新型智慧城市等國家發(fā)展戰(zhàn)略的推動下，我國MEMS上下游產(chǎn)業(yè)鏈正在蓬勃發(fā)展。國內(nèi)MEMS廠商正逐步走向世界舞臺，在性能、市場等方面的一些優(yōu)勢也開始顯現(xiàn)。
據(jù)介紹，MEMS領(lǐng)域和集成電路不同，和國外的差距沒有三代那么大，行業(yè)共識是，MEMS領(lǐng)域和國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。
目前國內(nèi)的MEMS傳感器產(chǎn)業(yè)用方興未艾來形容一點也不為過。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)計等，涉及半導體材料、陶瓷材料、金屬材料和有機材料四大類。下游應用與工業(yè)、汽車電子產(chǎn)品、通信電子產(chǎn)品、消費電子產(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)展趨勢來看，汽車工業(yè)和消費類電子市場蓬勃發(fā)展，成為了MEMS傳感器的應用基礎(chǔ)，未來醫(yī)療、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、智慧城市等智能現(xiàn)代化趨勢將使MEMS傳感器應用進一步提速。
產(chǎn)業(yè)鏈日趨豐富
目前，中國電科第十三研究所、華東光電、廣州奧松電子、芯動科技等一批6英寸MEMS生產(chǎn)線已投入運營，開始成功量產(chǎn)。在6英寸MEMS體硅SOI工藝平臺上，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、晶圓級真空封裝、熱應力隔離結(jié)構(gòu)等關(guān)鍵工藝技術(shù)。
體硅SOI工藝可以實現(xiàn)高精度微機械慣性器件加工，滿足高精度、高深寬比、低應力的工藝加工要求。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、風速等傳感器芯片，廣泛用于家用呼吸機、額溫槍、高端工業(yè)、國防軍工等領(lǐng)域。
在系統(tǒng)設(shè)計，特別是結(jié)構(gòu)設(shè)計方面，主要采用的都是國外主流的EDA軟件，與其他半導體器件設(shè)計領(lǐng)域相仿。
設(shè)計平臺
MEMS制造平臺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
全自動無人值守測試平臺
目前，傳感器行業(yè)常見的模式是提供一站式定制服務。由于工藝線寬沒有處理器那么高，國內(nèi)的MEMS慣性傳感器代工廠也比較多，有助于解決國外大廠沒有產(chǎn)能的燃眉之急。有的企業(yè)既做設(shè)計生產(chǎn)并銷售傳感器產(chǎn)品，同時也和其他公司合作，提供代工服務，甚至已在國內(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，不斷擴大自己的代工業(yè)務。
一些傳感器的消費類應用
合作才能共贏
這種兩條腿走路的方式不失為國內(nèi)MEMS傳感器實現(xiàn)技術(shù)、市場和產(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)及時發(fā)現(xiàn)市場熱點和商機，讓自己掌握的技術(shù)能夠應用于更廣泛的新興個性化應用中。
