面向物(wù)聯網應用的MEMS傳感器技術

傳感器和執行器是物(wù)聯網系統的重要組成部分(fēn)。智能傳感器構成物(wù)聯網系統的感知(zhī)層，是完成物(wù)聯網系統數據采集的最直接的系統單元。一(yī)個獨立工(gōng)作的物(wù)聯網終端一(yī)般由傳感器、數據處理單元(處理器加存儲器)、電(diàn)源管理單元和無線通訊單元組成。在這樣的終端中(zhōng)，由傳感器采集的數據通過數據處理單元的處理，由無線通訊系統傳遞到雲端，實現與整個網絡的連接。物(wù)聯網應用對傳感器的要求包括：器件微型化、功能集成化 、低成本和海量制造。其中(zhōng)低成本和海量制造兩者直接關聯。由矽基集成電(diàn)路制造技術衍生(shēng)出的MEMS技術能夠滿足上述要求，成爲物(wù)聯網時代微型傳感器技術的主流生(shēng)産技術。

應用廣泛的MEMS

MEMS是微機電(diàn)系統(Micro-Electro-Mechanical System)的簡稱。它有兩個特征：其一(yī)是器件尺寸在微米或納米量級;其二是通常有一(yī)個懸空的運動部件以實現感知(zhī)或傳動功能，比如圖2中(zhōng)的懸臂梁。當懸臂梁的運動狀态發生(shēng)變化時，設計好的機電(diàn)耦合裝置就把機械運動轉化成電(diàn)信号。機電(diàn)耦合的方法很多，比如把懸臂梁和下(xià)面的電(diàn)極組成一(yī)個電(diàn)容器，就可以實現輸出的電(diàn)壓信号獲得關于懸臂梁運動的信息。在懸臂梁上附着能夠感知(zhī)外(wài)部環境的薄膜材料，即增感層，就能制成各種各樣的傳感器。比如，感知(zhī)運動的傳感器用以檢測壓力、加速度、運動方向、扭曲、流量、風力等。感知(zhī)聲波的MEMS麥克風便是一(yī)種十分(fēn)常見的聲學傳感器，在手機和移動終端上獲得非常廣泛的應用。MEMS上附着光敏層，可把光轉化成熱，改變懸臂梁形狀，從而形成光敏傳感器、紅外(wài)傳感器等。 

MEMS技術還可以用電(diàn)信号操控懸臂梁的運動，制成執行器(actuators)，比如微電(diàn)機、微開(kāi)關、微泵、噴墨打印頭等。手機中(zhōng)廣泛應用的MEMS揚聲器就是一(yī)種典型的執行器。采用MEMS還可制成應用于光學系統的微鏡、微投影、微光閘等電(diàn)控光學器件。還有一(yī)類采用MEMS工(gōng)藝制造的器件，利用懸臂梁的力學諧振功能制成高頻(pín)濾波器，有望取代聲表面波濾波器。此外(wài)，還有采用運動部件把機械運動動能轉化成電(diàn)能并加以儲存的能量采集器件(energy harvest)等。

作爲産品的MEMS傳感器出現較晚。上世紀80年代，人們才把矽懸臂梁結構封裝在玻璃上制成了第一(yī)款用于發動機控制的MEMS傳感器。上世紀90年代，MEMS加速度計開(kāi)始用于汽車(chē)安全氣囊;此外(wài)，MEMS壓力傳感器開(kāi)始在血壓計中(zhōng)得到應用;采用MEMS技術制造的噴墨打印頭則應用于打印機，成爲第一(yī)款廣泛使用的消費(fèi)類MEMS執行器。2000到2010年間，MEMS傳感器和執行器得到大(dà)幅推廣，出現了用于測量輪胎壓強的胎壓傳感器，監測相機和手機等裝置水平和豎直運動的陀螺儀，基于MEMS技術的麥克風和揚聲器、MEMS開(kāi)關、紅外(wài)圖像傳感器、指紋識别傳感器等一(yī)批産品。

2010年以來，在物(wù)聯網技術需求的驅動下(xià)，各種各樣的MEMS傳感器和執行器在可穿戴系統、虛拟現實産品、智能家居、智能手機、智能制造、汽車(chē)和自動駕駛等領域得到廣泛應用(圖3)，産品包括各種運動傳感器和執行器、氣敏/濕敏/光敏傳感器、紅外(wài)成像傳感器等。僅應用于智能手機中(zhōng)的MEMS器件産品已經有十幾種，包括9軸慣性傳感器、MEMS麥克風、RF MEMS、氣壓計、溫濕度傳感器、氣體(tǐ)傳感器、自動對焦執行器、光學MEMS等。未來還可能引入能量收集器、紅外(wài)成像傳感器、紫外(wài)傳感器、超聲波傳感器等。

基于CMOS的制造技術

MEMS制造技術衍生(shēng)自CMOS集成電(diàn)路制造技術。在過去(qù)的50多年時間裏，CMOS集成電(diàn)路制造技術發展迅猛，成爲有史以來精細度和複雜(zá)度最高的制造技術，單從器件尺寸上說，從1970年代的1微米線寬，已經縮微到現在的20納米線寬，使得單位矽襯底面積上的器件數量有了極大(dà)地提高。在器件圖形化方面，CMOS技術的工(gōng)藝能力遠遠超過MEMS器件制造的需求。可以說，CMOS集成電(diàn)路制造技術爲MEMS制造奠定了十分(fēn)堅實的基礎。但另一(yī)方面，MEMS制造工(gōng)藝又(yòu)有它不同于CMOS制造的特點。首先，是它獨特的懸臂梁部件形成工(gōng)藝。目前可供選用的懸臂梁形成工(gōng)藝有兩類，一(yī)類采用犧牲層工(gōng)藝，另一(yī)類采用晶圓鍵合工(gōng)藝。圖4(左)給出了采用犧牲層工(gōng)藝形成懸臂梁的流程示意圖。具體(tǐ)做法是在矽襯底表面沉積犧牲層，比如二氧化矽層、結構層、多晶矽層。之後采用特殊的工(gōng)藝涉及，通過光刻、刻蝕、化學機械抛光(CMP)等CMOS圖形化工(gōng)藝将犧牲層暴露出來，并用化學溶劑(濕法)或化學蒸汽(幹法)把吸收層腐蝕掉，使結構層懸空，形成懸臂梁。圖4(右)展示的是采用晶圓鍵合工(gōng)藝形成懸臂梁的流程示意圖。具體(tǐ)做法是在矽襯底上先形成懸臂梁下(xià)的空腔，再将結構層晶圓表面向下(xià)，與襯底晶圓鍵合在一(yī)起。之後采用減薄技術，将結構晶圓從背面減薄，隻保留滿足懸臂梁要求的厚度。再通過光刻、刻蝕等CMOS圖形化工(gōng)藝，形成懸臂梁。兩種技術方案的區别在于前者的工(gōng)藝相對簡單，除了在采用蒸汽刻蝕時需要引入特殊的蒸汽刻蝕設備，基本可使用現有的CMOS工(gōng)業設備，與CMOS制造的兼容性好。而采用晶圓鍵合工(gōng)藝需要使用晶圓鍵合設備，因此技術複雜(zá)度相對較高，并因此增加了一(yī)些制造成本。它的優點是懸臂梁的質量和工(gōng)藝一(yī)緻性高。在犧牲層工(gōng)藝中(zhōng)，結構層是由高溫沉積形成的多晶矽材料，層内不可避免地殘存有應力。這樣，薄膜生(shēng)長工(gōng)藝條件的漲落很容易造成片内和片間均勻性問題，甚至造成良率的降低。采用鍵合工(gōng)藝形成的結構層是單晶材料，層内沒有高溫生(shēng)長帶來的應力，材料性能的一(yī)緻性好，對良率提升有很大(dà)助益。

MEMS工(gōng)藝不同于CMOS工(gōng)藝的另一(yī)個方面在于前者對封裝的特殊要求。對CMOS來說，當器件通過互連方式完成多層布線，即可通過側面打線、倒裝焊接，或者基于矽通孔(TSV)技術的多維(2.5D/3D)封裝進行封裝連線，再用塑料封裝填充封裝。而對MEMS來說，器件的懸臂梁結構必須能夠自由運動，因此，不能像CMOS那樣進行填充封裝，而必須采用帽封方式，把懸臂梁等部件用封帽罩起來。帽内不填注材料。特别是運動型MEMS器件，需要在封帽内保持真空。因此MEMS封裝帶來了很大(dà)的工(gōng)藝複雜(zá)度和成本上升。在采用單芯片帽封工(gōng)藝時，真空封裝的MEMS制造成本中(zhōng)，封裝占70%以上。一(yī)個降低成本的手段是采用晶圓級封裝，即在一(yī)個矽片上，設計制造一(yī)個空腔，形成封蓋晶圓，再把封蓋晶圓蓋到器件晶圓上，實現晶圓級真空封裝。爲了與晶圓級封裝相匹配，還要考慮電(diàn)學引線的連出。圖5給出了用過矽通過連線和晶圓級封裝完成的MEMS器件結構示意圖。

機遇及挑戰

MEMS技術有非常廣闊的應用前景，特别是進入物(wù)聯網時代，隻有MEMS能夠滿足物(wù)聯網應用對傳感器和執行器的要求。首先，MEMS的尺寸完全滿足物(wù)聯網應用的微型化要求。其次，MEMS技術與CMOS技術的兼容性，使之很容易滿足物(wù)聯網對傳感器和執行器的智能化要求。采用相同的工(gōng)藝線，可以同時完成CMOS集成電(diàn)路和MEMS器件的制造，實現兩者的異質集成。異質集成可以通過在同一(yī)顆芯片上完成兩者的制造和相互連接，也可以在不同的晶圓上制造，再通過2.5D或3D封裝集成到同一(yī)個系統。第三個優勢是MEMS在能量損耗上的優勢。物(wù)聯網應用在功耗方面的要求比其它應用環境要嚴苛得多。MEMS的感知(zhī)和執行方式使它成爲能耗較低的器件，最可能成爲滿足物(wù)聯網功耗要求的技術。還有一(yī)個優勢是它能夠滿足物(wù)聯網對傳感器/執行器的數量要求。矽基集成電(diàn)路技術可以在一(yī)個晶圓上制造出數萬顆MEMS傳感器，同時具有低廉的制造成本。得益于CMOS制造技術發展過程中(zhōng)的研發投入，MEMS制造所需設備、工(gōng)藝制造技術都已經存在。隻需做較小(xiǎo)的調整和開(kāi)發，就可以用于MEMS生(shēng)産。事實上，目前世界上用于MEMS制造的生(shēng)産線主要還是從CMOS主流産品制造上淘汰下(xià)來的8英寸線。采用這些産線，即可用于滿足海量制造的要求，又(yòu)可以使每一(yī)顆MEMS的制造成本降到滿足消費(fèi)類産品的價格要求的程度。

由于MEMS市場的應用種類繁多，産品生(shēng)産技術的多樣化，爲中(zhōng)小(xiǎo)企業帶來了機遇。特别是之前有過技術積累的企業，将會在很多市場中(zhōng)發現機會，赢得企業的快速發展。但從另一(yī)方面來講，MEMS生(shēng)産技術的發展和企業的成長也面臨着一(yī)些特殊的挑戰。首先，MEMS的市場細分(fēn)化突出，使得單一(yī)産品的需求總量相對集成電(diàn)路産品來說小(xiǎo)很多，而MEMS産品生(shēng)産線的投入相對較大(dà)，使得投資(zī)風險高，投資(zī)回報周期長，在一(yī)定程度上限制了MEMS産業和企業的發展。要破解中(zhōng)小(xiǎo)企業在産業技術開(kāi)發和獲得投資(zī)人信心上的困難，促進國家和地方MEMS産業的集聚和發展，一(yī)個可行的措施是建立公共技術研發平台，爲中(zhōng)小(xiǎo)企業提供工(gōng)藝研發和中(zhōng)試服務，努力減少投資(zī)的盲目性，增強初創企業的生(shēng)成能力。

近年來，中(zhōng)國科學院微電(diàn)子研究所建立了完整的MEMS工(gōng)藝中(zhōng)試線，采用工(gōng)業界标準的生(shēng)産設備爲企業提供研發服務，取得了很好的社會效益。相信通過國家、地方和企業的共同努力，踐行産學研合作的理念，将能夠克服産業發展遇到的困難，推動MEMS産業迅速發展，及時滿足物(wù)聯網技術發展對傳感器和執行器的不斷迅速增長的需求。