MEMS传感器基础知识（工艺，分类，应用）

shuszhao

什么是MEMS传感器？

MEMS的全称是微型电子机械系统（Micro-ElectroMechanical System），微机电系统是指可批量制作的，将微型机构、微型传感器、微型执行器以及信号处理和控制电路、直至接口、通信和电源等集成于一块或多块芯片上的微型器件或系统。而MEMS传感器就是采用微电子和微机械加工技术制造出来的新型传感器。

MEMS是用传统的半导体工艺和材料，以半导体制造技术为基础发展起来的一种先进的制造技术，学科交叉现象极其明显，主要涉及微加工技术，机械学/固体声波理论，热流理论，电子学、材料、物理学、化学、生物学、医学等等。经过四十多年的发展，已成为世界瞩目的重大科技领域之一。

加工工艺：

MEMS技术基于已经相当成熟的微电子技术、集成电路技术及其加工工艺。它与传统的IC工艺有许多相似之处，如光刻、薄膜沉积、掺杂、刻蚀、化学机械抛光工艺等，但是有些复杂的微结构难以用IC工艺实现，必须采用微加工技术制造。

微加工技术包括硅的体微加工技术、表面微加工技术和特殊微加工技术。体加工技术是指沿着硅衬底的厚度方向对硅衬底进行刻蚀的工艺，包括湿法刻蚀和干法刻蚀，是实现三维结构的重要方法。表面微加工是采用薄膜沉积、光刻以及刻蚀工艺，通过在牺牲层薄膜上沉积结构层薄膜，然后去除牺牲层释放结构层实现可动结构。

除了上述两种微加工技术以外，MEMS制造还广泛地使用多种特殊加工方法，其中常见的方法包括键合、LIGA、电镀、软光刻、微模铸、微立体光刻与微电火花加工等。

应用材料：

硅基材料：

大部分集成电路和MEMS的原材料是硅(Si)，这个神奇的VI族元素可以从二氧化硅中大量提取出来。而二氧化硅是什么？说的通俗一点，就是沙子。沙子君在经历了一系列复杂的加工过程之后，就变成了单晶硅，长这个样子：

                               
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这个长长的大柱子，直径可以是 1 inch (2.5 cm) 到 12 inch (30 cm)，被切成一层层 500 微米厚的硅片 （英文：wafer，和威化饼同词），长这个样子：

                               
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采用以硅为主的材料，电气性能优良，硅材料的强度、硬度和杨氏模量与铁相当，密度与铝类似，热传导率接近钼和钨。若单个MEMS传感器芯片面积为5 mm x 5 mm，则一个8英寸(直径20厘米)硅片(wafer)可切割出约1000个MEMS传感器芯片，分摊到每个芯片的成本则可大幅度降低。

                               
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非硅材料：

近年来，MEMS的材料应用上有被非硅材料逐渐替代的现象，学术研究人员现在开始专注于开发聚合物和纸基微型器件。利用这些材料开发的器件，不仅工艺环保，而且制作设备简单、成本较低。相对硅材料，它们大幅缩减了研发经费预算。许多聚合物和纸基微型器件的创新都指向了医疗应用，对该领域来说，生物相容性和材料的柔性是基本要求。

纸基和聚合物微型器件的功能和性能开发，目前还处于相对早期的阶段，这类器件的生产设施现今也还没有开发出来。这些新技术的成熟和商业化，可能还需要超过10年的时间。所以，基于硅材料的微型器件研究，还有很多创新工作要做，不然就会面临发展停滞的风险。

技术优势：

用MEMS工艺制造传感器、执行器或者微结构， 具有微型化、集成化、智能化、成本低、效能高、可大批量生产等特点， 产能高，良品率高。MEMS技术使数以万计的MEMS芯片（有些工艺也会把集成电路芯片放在同一步骤加工）出现在了每一片wafer上面，如下图所示。

                               
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这种批量生产（batch process）的过程目前已经全自动化控制，隔离了人为因素，确保了每一个MEMS芯片之间的工艺误差可以得到严格的控制，从而提高了良品率。切片、封装之后，就成为了一个个的MEMS芯片。从外观上来看，大部分的MEMS芯片和集成电路芯片是差不多的。

综上所述，微米量级的特征尺寸使MEMS传感器可以完成某些传统机械传感器所不能实现的功能。是微型传感器的主力军，正在逐渐取代传统机械传感器，普遍应用于消费电子产品、汽车工业、航空航天、机械、化工及医药等各领域。常见产品有压力传感器，加速度计，陀螺，静电致动光投影显示器，DNA扩增微系统，催化传感器。

与传统传感器的区别：

在下面的图片中，以麦克风为例我们来更清晰地认识一下传统麦克风和MEMS麦克风的区别。

传统的驻极体麦克风：

                               
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MEMS麦克风：

                               
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图中，传统麦克风的七八种机械配件就全部集成在了一块很小的MEMS传感器芯片上了，体积非常小，重量也非常轻。由于是芯片制造，一致性好、功耗低，更易于批量生产。但是对技术的要求那就非常高了。MEMS传感器的出现极大的满足了大家对产品小体积、高性能的要求。

MEMS传感器的分类

MEMS传感器不仅能够感知被测参数，将其转换成方便度量的信号；而且能对所得到的信号进行分析、处理和识别、判断，因此形象地被称为智能传感器。

MEMS传感器的种类繁多，也有很多分类的方法。下面是按照工作原理分类：

                               
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每一种MEMS传感器又有很多种细分方法。如加速度计，按检测质量的运动方式划分，有角振动式和线振动式加速度计等，常见的MEMS传感器有压力传感器、加速度传感器、微机械陀螺仪、惯性传感器、MEMS硅麦克风等等;MEMS传感器的品种多到可以以万为单位，且不同MEMS之间参量较多，没有完全标准的工艺。

应用领域

MEMS具有小型化（芯片尺寸mm级）、低功耗（工作电流mA级）、集成化、智能化等特点，可安装于物体表面和内部，用于感知运动、声音、温度等。MEMS主要应用领域包括：

1）消费电子：智能手机中搭载多种MEMS传感器，包括麦克风、摄像头、陀螺仪等，VR体感中也有大量MEMS应用；

                               
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2）汽车：电控化有助降低汽车油耗、提升排放和安全性表现，MEMS大量应用于汽车电控，用于感知汽车姿态、速度、加速度、发动机压力、温度等参数；

                               
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3）工业：低功耗MEMS适用于物联网数据采集；

                               
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4）其他：医疗、通信、航空航天等。

随着汽车、智能装备、家电类产品领域的迅速增长，MEMS传感器用量将大大增加。物联网、云计算、大数据、智慧城市更为MEMS传感器创造了良好的市场空间，农业、环保、食品检测、智慧医疗、健康养老、可穿戴设备、机器人、3D打印也为MEMS传感器技术的提升和应用创新拓展了思路。

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