一文讀懂MEMS傳感器(必須收藏)

文 | 傳感器技術（WW_CGQJS）

導語：

傳感器發展到今天，小型化、智能化、集成化，已經是升級換代的必由之路。今天，我們來為大家介紹一下傳感器家族的mini型產品——­­MEMS傳感器。

MEMS的全稱是微型電子機械系統（Micro-ElectroMechanical System），微機電系統是指可批量製作的，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、通信和電源等集成於一塊或多塊晶片上的微型器件或系統。而MEMS傳感器就是採用微電子和微機械加工技術製造出來的新型傳感器。

MEMS是用傳統的半導體工藝和材料，以半導體製造技術為基礎發展起來的一種先進的製造技術，學科交叉現象極其明顯，主要涉及微加工技術，機械學/固體聲波理論，熱流理論，電子學、材料、物理學、化學、生物學、醫學等等。經過四十多年的發展，已成為世界矚目的重大科技領域之一。

MEMS技術基於已經相當成熟的微電子技術、集成電路技術及其加工工藝。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、化學機械拋光工藝等，但是有些複雜的微結構難以用IC工藝實現，必須採用微加工技術製造。

微加工技術包括矽的體微加工技術、表面微加工技術和特殊微加工技術。體加工技術是指沿著矽襯底的厚度方向對矽襯底進行刻蝕的工藝，包括溼法刻蝕和幹法刻蝕，是實現三維結構的重要方法。表面微加工是採用薄膜沉積、光刻以及刻蝕工藝，通過在犧牲層薄膜上沉積結構層薄膜，然後去除犧牲層釋放結構層實現可動結構。

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

矽基材料：大部分集成電路和MEMS的原材料是矽(Si)，這個神奇的VI族元素可以從二氧化矽中大量提取出來。而二氧化矽是什麼？說的通俗一點，就是沙子。沙子君在經歷了一系列複雜的加工過程之後，就變成了單晶矽，長這個樣子：

這個長長的大柱子，直徑可以是 1 inch (2.5 cm) 到 12 inch (30 cm)，被切成一層層 500 微米厚的矽片 （英文：wafer，和威化餅同詞），長這個樣子：

採用以矽為主的材料，電氣性能優良，矽材料的強度、硬度和楊氏模量與鐵相當，密度與鋁類似，熱傳導率接近鉬和鎢。若單個MEMS傳感器晶片面積為5 mm x 5 mm，則一個8英寸(直徑20釐米)矽片(wafer)可切割出約1000個MEMS傳感器晶片，分攤到每個晶片的成本則可大幅度降低。

非矽材料：近年來，MEMS的材料應用上有被非矽材料逐漸替代的現象，學術研究人員現在開始專注於開發聚合物和紙基微型器件。利用這些材料開發的器件，不僅工藝環保，而且製作設備簡單、成本較低。相對矽材料，它們大幅縮減了研發經費預算。許多聚合物和紙基微型器件的創新都指向了醫療應用，對該領域來說，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發，目前還處於相對早期的階段，這類器件的生產設施現今也還沒有開發出來。這些新技術的成熟和商業化，可能還需要超過10年的時間。所以，基於矽材料的微型器件研究，還有很多創新工作要做，不然就會面臨發展停滯的風險。

用MEMS工藝製造傳感器、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、可大批量生產等特點，  產能高，良品率高。MEMS技術使數以萬計的MEMS晶片（有些工藝也會把集成電路晶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（batch process）的過程目前已經全自動化控制，隔離了人為因素，確保了每一個MEMS晶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、封裝之後，就成為了一個個的MEMS晶片。從外觀上來看，大部分的MEMS晶片和集成電路晶片是差不多的。

綜上所述，微米量級的特徵尺寸使MEMS傳感器可以完成某些傳統機械傳感器所不能實現的功能。是微型傳感器的主力軍，正在逐漸取代傳統機械傳感器，普遍應用於消費電子產品、汽車工業、航空航天、機械、化工及醫藥等各領域。常見產品有壓力傳感器，加速度計，陀螺，靜電致動光投影顯示器，DNA擴增微系統，催化傳感器。

在下面的圖片中，以麥克風為例我們來更清晰地認識一下傳統麥克風和MEMS麥克風的區別。

傳統的駐極體麥克風：

MEMS麥克風：

圖中，傳統麥克風的七八種機械配件就全部集成在了一塊很小的MEMS傳感器晶片上了，體積非常小，重量也非常輕。由於是晶片製造，一致性好、功耗低，更易於批量生產。但是對技術的要求那就非常高了。MEMS傳感器的出現極大的滿足了大家對產品小體積、高性能的要求。

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行分析、處理和識別、判斷，因此形象地被稱為智能傳感器。 

MEMS傳感器的種類繁多，也有很多分類的方法。下面是按照工作原理分類：

每一種MEMS傳感器又有很多種細分方法。如加速度計，按檢測質量的運動方式劃分，有角振動式和線振動式加速度計等，常見的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矽麥克風等等;MEMS傳感器的品種多到可以以萬為單位，且不同MEMS之間參量較多，沒有完全標準的工藝。

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      MEMS傳感器作為國際競爭戰略的重要標誌性產業，以其技術含量高、市場前景廣闊等特點備受世界各國的關注。近十年來，中國MEMS傳感器產業生態系統也正逐步完善，從研發、設計、代工、封測到應用，完整產業鏈已基本形成，國家對MEMS傳感器行業也給予了前所未有的政策支持。我國MEMS產業發展面臨了重大的機遇，特別是移動網際網路和物聯網的快速發展，將對MEMS產業產生深遠的影響，並將催生大量新的產品、新的應用，帶動MEMS產品在日常生活及工業生產中的普及化。 

 

 

製造業的未來是智能化，智能化的基礎就是傳感器；網際網路的方向是物聯網，物聯網的基石也是傳感器；

 

《傳感器技術》彙編了一套各種傳感器的基礎知識，介紹了各種傳感器的原理。

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