1 乘風智能制造，MEMS傳感器工藝逐漸成熟

什么是MEMS

微機電系統(tǒng)（MEMS, Micro-Electro-Mechanical System），也叫做微電子機械系統(tǒng)、微系統(tǒng)、微機械等，指尺 寸在幾毫米乃至更小的高科技裝置。微機電系統(tǒng)其內部結構一般在微米甚至納米量級。微機電系統(tǒng)是在微 電子技術（半導體制造技術）基礎上發(fā)展起來的，融合了光刻、腐蝕、薄膜、LIGA、硅微加工、非硅微加 工和精密機械加工等技術制作的高科技電子機械器件。

MEMS是一個獨立的智能系統(tǒng)，可大批量生產，其 系統(tǒng)尺寸在幾毫米乃至更小，其內部結構一般在微米甚至納米量級。例如，常見的MEMS產品尺寸一般都 在3mm×3mm×1.5mm，甚至更小。

一個MEMS傳感器里面最重要的芯片為MEMS芯片和ASIC芯片，其中 MEMS芯片負責感知信號，將測量量轉化為電阻、電容等信號變化；ASIC芯片負責將電容、電阻等信號轉 換為電信號，其中涉及到信號的轉換和放大等功能。

MEMS傳感器

MEMS傳感器是基于微機電系統(tǒng)的典型傳感器件。它是 指可以批量制造的，集微結構、微傳感器、微執(zhí)行器 以及信號處理和控制電路于一體的器件或系統(tǒng)。其特 征尺寸一般在0.1m～100m范圍。MEMS集成了當今 科學技術的許多尖端成果，它將感知信息處理與執(zhí)行 機構相結合，改變了人類感知和控制外部世界的方式。

與傳統(tǒng)的機械傳感器相比，MEMS傳感器具有體積小、 重量輕、成本低、功耗低、可靠性高、適于批量化生 產、易于集成和實現(xiàn)智能化等特點。在微米量級的特 征尺寸MEMS傳感器可以完成某些傳統(tǒng)機械傳感器所不 能實現(xiàn)的功能。因此，MEMS傳感器正逐步取代傳統(tǒng)機 械傳感器的主導地位，在消費電子產品、汽車工業(yè)、 航空航天、機械、化工及醫(yī)藥等領域得到廣泛的應用。

MEMS傳感器應用領域

MEMS傳感器種類極多，可應用于物理、化學、 生物等領域信號的探測，較為常見的種類有加速 度傳感器、慣 性 傳 感 器、壓 力 傳 感 器、 MEMS 陀 螺 儀 以 及MEMS 麥克風等。目前 MEMS 傳感器在消費電子、醫(yī)療、汽車電 子以及工業(yè)等應用領域占比最高，分別占據(jù) 41.8%、28.1%、16.7%和 9.1%。

2 夯實科技強國基礎，MEMS傳感器無處不在

MEMS壓力傳感器

MEMS壓力傳感器是一種薄膜元件，受到壓力時變形?？梢岳脩儍x（壓阻型感測）來測量這種形變， 也可以通過電容感測兩個面之間距離的變化來加以測量。這兩種方法都很流行，輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)使用比 較結實的壓阻方法。

常見的壓力傳感器有三種：壓阻式、電容式和壓電式。具有體積小、重量輕、靈敏度高、精度高、動態(tài)特性好、耐腐蝕、零位小等優(yōu)點 。隨著MEMS壓力傳感器的出現(xiàn)和普及，智能手機中用壓力傳感器也越來越多，主要用來測量大氣壓力。測 量大氣壓的目的，是為了通過不同高度的氣壓，來計算海拔高度，同GPS定位信號配合，實現(xiàn)更為精確的 三維定位，譬如爬樓高度、爬樓梯級數(shù)等都可以檢測。MEMS壓力傳感器的原理也非常簡單，核心結構就是一層薄膜元件，受到壓力時變形，形變會導致材料的 電性能（電阻、電容）改變。因此可以利用壓阻型應變儀來測量這種形變，進而計算受到的壓力。

MEMS壓力傳感器應用

MEMS壓力傳感器是使用最廣泛的 MEMS傳感器產品之一，通常應用于智能手機、航空航天、汽車、 生物醫(yī)藥以及工藝控制等領域，按照壓力探測方式可以分為壓阻式、電容式、諧振傳感等，而最為 常用的是壓阻式和電容式，因此這兩種壓力傳感器的技術迭代也最為活。

為充分降低微壓MEMS傳感器中測量的敏感性和線性度之間的矛盾，不斷提高微壓傳感器測量精度， 一種新型的FBBM結構應運而生，該結構包含了 4 個短梁和一個位于中心的方形凸塊，通過減少傳感 膜結構偏轉程度達到進一步降低壓力的非線性，并提高了壓阻靈敏度，達到了提升微壓MEMS傳感器 精度的目標。

MEMS加速度計

加速度計是一種能夠測量物體線加速度的器 件。加速度計的理論基礎是牛頓第二定律， 傳感器在加速過程中，可通過對質量塊所受 慣性力的測量計算出加速度值。如果初速度 已知，就可以通過對時間積分得到線速度， 再次積分即可計算出直線位移。加速度計已 經(jīng)廣泛應用于導航定位、姿態(tài)感知、狀態(tài)監(jiān) 測、平臺穩(wěn)定等領域。

MEMS加速度計的核心是一顆MEMS芯片、 一顆ASIC芯片及應力隔離封裝。其產品構造 與前述陀螺儀基本相同。MEMS加速度計利 用敏感結構將線加速度的變化轉換為電容的 變化量，最終通過專用集成電路讀出電容值 的變化，得到物體運動的加速度值。產品主 要包含加速度計敏感結構和ASIC芯片，ASIC 芯片由電容/電壓變換電路和數(shù)字部分組成。

MEMS生物醫(yī)學傳感器

微傳感器是構成任何生物MEMS產品最基本的組元，在 生物醫(yī)學中，常用的兩類傳感器是生物醫(yī)學傳感器和生 物傳感器。生物醫(yī)學傳感器可以分成用于測量生物學物質的生物醫(yī) 學儀器和用以醫(yī)學診斷為目的的儀器，他們通常只需要 小量的樣本，大大加快分析速度。生物傳感器的工作原理基于待檢測分析物與生物學方法 產生的生物分子的相互作用，這些分子包括某種形式的 酶、抗體和其他形式的蛋白。這些生物分子附著在傳感 元單元上，當它們和被分析物相互作用時可以改變傳感 器的輸出信號。

3 著眼未來，重視MEMS傳感器國產替代機遇

不同MEMS傳感器的比較

由于MEMS傳感器測量的外部信號不同，不同類型的MEMS傳感器技術差異較大。MEMS慣性傳感器主要檢測物體的運動，需要將傳感器安裝在載體上用于檢測載體的運動，因此多為密 閉式封裝。而壓力/光學/聲學傳感器需要通過直接接觸被測量，所以多為開放式封裝，同時需要結合使 用環(huán)境設計有利于檢測信號的傳感器敏感單元表面結構。

MEMS慣性傳感器相對于壓力傳感器、聲學傳感器等其他類型的傳感器應用領域較廣，在高可靠領域及 其他工業(yè)、消費領域均具備豐富的應用場景，不同應用場景對于性能、成本、功耗、體積的要求差異較 大。相對于在工業(yè)及消費領域應用較廣的聲學傳感器、環(huán)境傳感器等，高性能MEMS慣性傳感器多應用 于高可靠領域，復雜環(huán)境下對于產品性能要求高，因此對產品可靠性提出了更嚴格的需求，存在較高的 技術門檻。

MEMS傳感器發(fā)展困境

相較于美國、日本等科技大國，國內對于 MEMS技術的研究稍顯落后，在20世紀80年 代末才開始成為國家重點研究項目之一。經(jīng) 過近三十年的發(fā)展，國產MEMS在技術方面 有了實質性的進展，在市場應用方面逐步實 現(xiàn)了長效積累。例如在MEMS麥克風市場， 全球四大公司占據(jù)市場話語權，其中兩家來 自中國，歌爾股份和瑞聲科技，他們還正在 挑戰(zhàn)樓氏電子的領袖地位，勢頭兇猛。

伴隨著消費電子、汽車電子、工業(yè)、醫(yī)療等 領域的快速發(fā)展，市場對MEMS產品的需求 變得十分迫切，MEMS市場如同空池一般急 需更多水源流入。

制造MEMS器件不僅需要成熟且豐富的工藝技術，還要有足夠多的產線保證產能。目前，國內提供專業(yè) MEMS代工服務的有中芯國際、無錫華潤上華、上海先進等。除了以上企業(yè)能夠滿足代工產能和良率要 求之外，其他大多數(shù)國內MEMS代工企業(yè)還未積累起足夠的工藝技術儲備和大規(guī)模市場驗證反饋的經(jīng)驗， 并且在加工工藝的一致性、可重復性也都不能滿足設計需要，產品的良率和可靠性更是無法達到規(guī)模生 產要求。

在這樣的情況之下，設計公司也只能選擇與國外成熟代工廠合作，才能保證產品的質量。而在 后端的封裝測試環(huán)節(jié)，情況則較為樂觀，南通富士通、晶方半導體、華天科技、長電科技、通富微電等 企業(yè)能夠滿足產品質量和數(shù)量的要求。

MEMS傳感器發(fā)展前景

隨著國產MEMS傳感器產業(yè)逐漸完善，MEMS將傳感器“芯片化”的能力得到了廣泛的認可，因此很多 人在談論國產傳感器發(fā)展趨勢時，除了過往的集成化、小型化和智能化等，有時也會加上“MEMS化”。設備小型化、耗化未來，不斷縮小產品尺寸、降低產品成本是MEMS傳感器行業(yè)的重要發(fā)展趨勢之 一。隨著人工智能和物聯(lián)網(wǎng)技術的發(fā)展，MEMS傳感器的應用場景將更加多元。

MEMS傳感器是人工智 能重要的底層硬件之一，傳感器收集的數(shù)據(jù)越豐富和精準，人工智能的功能才會越完善。未來，智能家 居、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、車聯(lián)網(wǎng)、智能城市、機器人等新產業(yè)領域都將為MEMS傳感器行業(yè)帶來廣闊的市場空 間。展望未來，技術水平的不斷提高，使市場對“小而智能”的傳感器需求越來越大，特別是在物聯(lián)網(wǎng)等應 用的推動下，MEMS傳感器的應用空間也愈發(fā)廣闊。

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審核編輯 黃宇