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      詳解微機電系統,總有你不知道的點

      作者:時間:2019-02-20來源:網絡收藏

        (Micro-Electro Mechanical System)是指尺寸在幾毫米乃至更小的傳感器裝置,其內部結構一般在微米甚至納米量級,是一個獨立的智能系統。簡單理解, 就是將傳統傳感器的機械部件微型化后,通過三維堆疊技術,例如三維硅穿孔 TSV 等技術把器件固定在硅晶元(wafer)上,最后根據不同的應用場合采用特殊定制的封裝形式, 最終切割組裝而成的硅基傳感器。 受益于普通傳感器無法企及的 IC 硅片加工批量化生產帶來的成本優勢, 同時又具備普通傳感器無法具備的微型化和高集成度。

      本文引用地址:http://www.ytvs.tw/article/201902/397740.htm

        

        傳統 ECM 駐極體電容麥克風/Apple Watch 樓氏 硅麥克風

        諸如最典型的半導體發展歷史: 從 20 世紀初在英國物理學家弗萊明手下發明的第一個電子管,到 1943 年擁有 17468 個電子三極管的 ENIAC 和 1954 年誕生裝有 800 個晶體管的計算機 TRADIC, 到 1954 年飛兆半導體發明了平面工藝使得集成電路可以量產, 從而誕生了 1964 年具有里程碑意義的首款使用集成電路的計算機 IBM 360。 模擬量到數字化、 大體積到小型化以及隨之而來的高度集成化,是所有近現代化產業發展前進的永恒追求。

        

        半導體的發展歷史: 從電子管-晶體管-集成電路

        正因為 MEMS 擁有如此眾多跨世代的優勢, 目前來看我們認為其是替代傳統傳感器的唯一可能選擇,也可能是未來構筑物聯網感知層傳感器最主要的選擇之一。

        1)微型化: MEMS 器件體積小, 一般單個 MEMS 傳感器的尺寸以毫米甚至微米為計量單位, 重量輕、耗能低。 同時微型化以后的機械部件具有慣性小、諧振頻率高、響應時間短等優點。 MEMS 更高的表面體積比(表面積比體積) 可以提高表面傳感器的敏感程度。

        2)硅基加工工藝,可兼容傳統 IC 生產工藝:硅的強度、硬度和楊氏模量與鐵相當,密度類似鋁,熱傳導率接近鉬和鎢,同時可以很大程度上兼容硅基加工工藝。

        3)批量生產: 以單個 5mm*5mm 尺寸的 MEMS 傳感器為例, 用硅微加工工藝在一片 8 英寸的硅片晶元上可同時切割出大約 1000 個 MEMS 芯片, 批量生產可大大降低單個 MEMS 的生產成本。

        4)集成化: 一般來說,單顆 MEMS 往往在封裝機械傳感器的同時, 還會集成ASIC 芯片,控制 MEMS 芯片以及轉換模擬量為數字量輸出。 同時不同的封裝工藝可以把不同功能、不同敏感方向或致動方向的多個傳感器或執行器集成于一體,或形成微傳感器陣列、微執行器陣列,甚至把多種功能的器件集成在一起,形成復雜的微系統。微傳感器、微執行器和微電子器件的集成可制造出可靠性、穩定性很高的 MEMS。 隨著 MEMS 的工藝的發展,現在傾向于單個 MEMS 芯片中整合更多的功能, 實現更高的集成度。 例如慣性傳感器 IMU(Inertial measurement unit) 中, 從最早的分立慣性傳感器,到 ADI 推出的一個封裝內中集成了三軸陀螺儀、加速度計、磁力計和一個壓力傳感器以及 ADSP-BF512 Blackfin 處理器的 10 自由度高精度 MEMS 慣性測量單元。

        5)多學科交叉: MEMS 涉及電子、機械、材料、制造、信息與自動控制、物理、化學和生物等多種學科,并集約了當今科學技術發展的許多尖端成果。MEMS 是構筑物聯網的基礎物理感知層傳感器的最主要選擇之一。 由于物聯網特別是無線傳感器網絡對器件的物理尺寸、功耗、成本等十分敏感,傳感器的微型化對物聯網產業的發展至關重要。 MEMS 結合兼容傳統的半導體工藝, 采用微米技術在芯片上制造微型機械,并將其與對應電路集成為一個整體的技術,它是以半導體制造技術為基礎發展起來的, 批量化生產能滿足物聯網對傳感器的巨大需求量和低成本要求。

        物聯網時代到來,MEMS的機會

        全球半導體產業中, PC 在主導產業 10 多年后, 已經逐漸讓位于消費電子, 隨著摩爾定律逐漸到達其瓶頸, 制程的進步已經漸近其物理極限。 根據 MonolithIC 3D 創辦人 Zvi Or-Bach 的觀點,在 28 納米之后, 晶圓廠可以繼續把晶體做得更小、但卻無法更便宜, 對制程要求相對較低的物聯網應用可能會成為成熟制程重要的下游產業應用。

        

        摩爾定律正在接近極限

        就目前趨勢來看, 高端制程在整個 IC 封裝工藝中, 占比已經開始相對下降。 先進制程節點元件的實際工程成本,已經證明對產業界大多數廠商來說都太昂貴;因此半導體產業確實已經分頭發展,只有少數會追求微縮至 7 納米,而大多數仍維持采用 28 納米或更舊節點的設計。

        未來可以預見未來大規模下游應用主要會以新的消費電子例如 AR/VR, 以及物聯網例如智能駕駛、 智慧物流、 智能家居等。 而傳感器做為感知層,是不可或缺的關鍵基礎物理層部分,物聯網的快速發展,將會給 MEMS 行業帶來巨大的發展紅利。

        物聯網的系統架構主要包括三部分:感知層、傳輸層和應用層。 感知層的作用主要是獲取環境信息和物與物的交互, 主要由傳感器、 微處理器和 RF 無線收發器等組成; 傳輸層主要用于感知層之間的信息傳遞,由包括 NB IOT、Zig Bee、Thread、藍牙等通訊協議組成;應用層主要包括云計算、云存儲、 大數據和數據挖掘以及人機交互等軟件應用層面構成。 感知層傳感器處于整個物聯網的最底層,是數據采集的入口,物聯網的“心臟”, 有著巨大的發展空間。

        

        物聯網的三層架構

        物聯網產業覆蓋面廣,小到手機,大到新能源汽車以及大量未聯網的設備、終端都將聯通,為市場帶來萬億市值增長潛力。互聯網、智能手機的出世推動了信息產業第二波浪潮,但目前已趨于成熟,增速較為平緩,而以傳感網、物聯網為代表的信息獲取或信息感知正在推動信息產業進入第三次浪潮,物聯網時代已經啟動。

        

        物聯網:第三次產業化浪潮

        2015 年,全球物聯網產業規模已接近 3500 億美元,中國物聯網產業規模達到7500 億人民幣。 Forrester Research 預測,到 2020 年,物聯網產業的規模要比信息互聯網大 30 倍,將有 240 億臺物聯網設備接入互聯網,真正實現萬物互聯。

        隨著國內設計、制造、封測等多個環節的技術和工藝正在逐步成熟, MEMS 作為物理量連接半導體的產物,將恰逢其時的受益于物聯網產業的發展, MEMS 在消費電子、汽車電子、工業控制、軍工、智能家居、智慧城市等領域將得到更為廣泛的應用,根據 Yole developpement 的預測, 2016-2020 年 MEMS 傳感器市場將以 13%年復合成長率增長, 2020 年 MEMS 傳感器市場將達到 300 億美元,前景無限。

        

        MEMS 全球市場產值預測(億美元)

        2015 年中國 MEMS 器件市場規模為 308 億元人民幣,占據全球市場的三分之一。從發展速度而言,中國 MEMS 市場增速一直快于全球市場增速。中國 MEMS 器件市場平均增速約 15 - 20%,中國集成電路市場增速約為 7 - 10%,橫向對比而言,MEMS 器件市場的增速兩倍于集成電路市場。

        

        中國近年 MEMS 傳感器市場規模(億元)

        MEMS產業鏈一覽,國外領先

        MEMS 沒有一個固定成型的標準化的生產工藝流程, 每一款 MEMS 都針對下游特定的應用場合, 因而有獨特的設計和對應的封裝形式,千差萬別。

        MEMS 和傳統的半導體產業有著巨大的不同, 她是微型機械加工工藝和半導體工藝的結合。 MEMS 傳感器本身一般是個比較復雜的微型物理機械結構,并沒有 PN 結。但同時單個 MEMS 一般都會集成 ASIC 芯片并植在硅晶圓片上, 再封裝測試和切割,后道工藝流程又類似傳統 COMS 工藝流程。

        因此 MEMS 性能的提升很大程度上不會過分依賴于硅晶圓制程工藝的升級, 而更傾向于根據下游應用需求定制設計、對微型機械結構的優化、對不同材料的選擇,實現每一款傳感器的獨特功能,因此也不存在傳統半導體工藝晶圓廠不同世代的制程工藝升級路線圖(ROAD MAP)。

        

        IC 制程工藝更接近于 2D 平面 VS MEMS3 維立體堆疊

        典型的 MEMS 系統如圖所示,由傳感器、信息處理單元、執行器和通訊/接口單元等組成。其輸入是物理信號,通過傳感器轉換為電信號,經過信號處理(模擬的和/或數字的)后,由執行器與外界作用。每一個微系統可以采用數字或模擬信號(電、光、磁等物理量)與其它微系統進行通信。 MEMS 將電子系統與周圍環境有機結合在一起,微傳感器接收運動、光、熱、聲、磁等自然界信號,信號再被轉換成電子系統能夠識別、處理的電信號,部分 MEMS 器件可通過微執行器實現對外部介質的操作功能。

        

        傳感器工作原理


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