面向物(wù)联网应用(yòng)的MEMS传感器技术

传感器和执行器是物(wù)联网系统的重要组成部分(fēn)。智能(néng)传感器构成物(wù)联网系统的感知层，是完成物(wù)联网系统数据采集的最直接的系统单元。一个独立工作的物(wù)联网终端一般由传感器、数据处理(lǐ)单元(处理(lǐ)器加存储器)、電(diàn)源管理(lǐ)单元和无線(xiàn)通讯单元组成。在这样的终端中，由传感器采集的数据通过数据处理(lǐ)单元的处理(lǐ)，由无線(xiàn)通讯系统传递到云端，实现与整个网络的连接。物(wù)联网应用(yòng)对传感器的要求包括：器件微型化、功能(néng)集成化 、低成本和海量制造。其中低成本和海量制造两者直接关联。由硅基集成電(diàn)路制造技术衍生出的MEMS技术能(néng)够满足上述要求，成為(wèi)物(wù)联网时代微型传感器技术的主流生产技术。

应用(yòng)广泛的MEMS

MEMS是微机電(diàn)系统(Micro-Electro-Mechanical System)的简称。它有(yǒu)两个特征：其一是器件尺寸在微米或纳米量级;其二是通常有(yǒu)一个悬空的运动部件以实现感知或传动功能(néng)，比如图2中的悬臂梁。当悬臂梁的运动状态发生变化时，设计好的机電(diàn)耦合装置就把机械运动转化成電(diàn)信号。机電(diàn)耦合的方法很(hěn)多(duō)，比如把悬臂梁和下面的電(diàn)极组成一个電(diàn)容器，就可(kě)以实现输出的電(diàn)压信号获得关于悬臂梁运动的信息。在悬臂梁上附着能(néng)够感知外部环境的薄膜材料，即增感层，就能(néng)制成各种各样的传感器。比如，感知运动的传感器用(yòng)以检测压力、加速度、运动方向、扭曲、流量、风力等。感知声波的MEMS麦克风便是一种十分(fēn)常见的声學(xué)传感器，在手机和移动终端上获得非常广泛的应用(yòng)。MEMS上附着光敏层，可(kě)把光转化成热，改变悬臂梁形状，从而形成光敏传感器、红外传感器等。 

MEMS技术还可(kě)以用(yòng)電(diàn)信号操控悬臂梁的运动，制成执行器(actuators)，比如微電(diàn)机、微开关、微泵、喷墨打印头等。手机中广泛应用(yòng)的MEMS扬声器就是一种典型的执行器。采用(yòng)MEMS还可(kě)制成应用(yòng)于光學(xué)系统的微镜、微投影、微光闸等電(diàn)控光學(xué)器件。还有(yǒu)一类采用(yòng)MEMS工艺制造的器件，利用(yòng)悬臂梁的力學(xué)谐振功能(néng)制成高频滤波器，有(yǒu)望取代声表面波滤波器。此外，还有(yǒu)采用(yòng)运动部件把机械运动动能(néng)转化成電(diàn)能(néng)并加以储存的能(néng)量采集器件(energy harvest)等。

作為(wèi)产品的MEMS传感器出现较晚。上世纪80年代，人们才把硅悬臂梁结构封装在玻璃上制成了第一款用(yòng)于发动机控制的MEMS传感器。上世纪90年代，MEMS加速度计开始用(yòng)于汽車(chē)安全气囊;此外，MEMS压力传感器开始在血压计中得到应用(yòng);采用(yòng)MEMS技术制造的喷墨打印头则应用(yòng)于打印机，成為(wèi)第一款广泛使用(yòng)的消费类MEMS执行器。2000到2010年间，MEMS传感器和执行器得到大幅推广，出现了用(yòng)于测量轮胎压强的胎压传感器，监测相机和手机等装置水平和竖直运动的陀螺仪，基于MEMS技术的麦克风和扬声器、MEMS开关、红外图像传感器、指纹识别传感器等一批产品。

2010年以来，在物(wù)联网技术需求的驱动下，各种各样的MEMS传感器和执行器在可(kě)穿戴系统、虚拟现实产品、智能(néng)家居、智能(néng)手机、智能(néng)制造、汽車(chē)和自动驾驶等领域得到广泛应用(yòng)(图3)，产品包括各种运动传感器和执行器、气敏/湿敏/光敏传感器、红外成像传感器等。仅应用(yòng)于智能(néng)手机中的MEMS器件产品已经有(yǒu)十几种，包括9轴惯性传感器、MEMS麦克风、RF MEMS、气压计、温湿度传感器、气體(tǐ)传感器、自动对焦执行器、光學(xué)MEMS等。未来还可(kě)能(néng)引入能(néng)量收集器、红外成像传感器、紫外传感器、超声波传感器等。

基于CMOS的制造技术

MEMS制造技术衍生自CMOS集成電(diàn)路制造技术。在过去的50多(duō)年时间里，CMOS集成電(diàn)路制造技术发展迅猛，成為(wèi)有(yǒu)史以来精细度和复杂度最高的制造技术，单从器件尺寸上说，从1970年代的1微米線(xiàn)宽，已经缩微到现在的20纳米線(xiàn)宽，使得单位硅衬底面积上的器件数量有(yǒu)了极大地提高。在器件图形化方面，CMOS技术的工艺能(néng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超过MEMS器件制造的需求。可(kě)以说，CMOS集成電(diàn)路制造技术為(wèi)MEMS制造奠定了十分(fēn)坚实的基础。但另一方面，MEMS制造工艺又(yòu)有(yǒu)它不同于CMOS制造的特点。首先，是它独特的悬臂梁部件形成工艺。目前可(kě)供选用(yòng)的悬臂梁形成工艺有(yǒu)两类，一类采用(yòng)牺牲层工艺，另一类采用(yòng)晶圆键合工艺。图4(左)给出了采用(yòng)牺牲层工艺形成悬臂梁的流程示意图。具體(tǐ)做法是在硅衬底表面沉积牺牲层，比如二氧化硅层、结构层、多(duō)晶硅层。之后采用(yòng)特殊的工艺涉及，通过光刻、刻蚀、化學(xué)机械抛光(CMP)等CMOS图形化工艺将牺牲层暴露出来，并用(yòng)化學(xué)溶剂(湿法)或化學(xué)蒸汽(干法)把吸收层腐蚀掉，使结构层悬空，形成悬臂梁。图4(右)展示的是采用(yòng)晶圆键合工艺形成悬臂梁的流程示意图。具體(tǐ)做法是在硅衬底上先形成悬臂梁下的空腔，再将结构层晶圆表面向下，与衬底晶圆键合在一起。之后采用(yòng)减薄技术，将结构晶圆从背面减薄，只保留满足悬臂梁要求的厚度。再通过光刻、刻蚀等CMOS图形化工艺，形成悬臂梁。两种技术方案的區(qū)别在于前者的工艺相对简单，除了在采用(yòng)蒸汽刻蚀时需要引入特殊的蒸汽刻蚀设备，基本可(kě)使用(yòng)现有(yǒu)的CMOS工业设备，与CMOS制造的兼容性好。而采用(yòng)晶圆键合工艺需要使用(yòng)晶圆键合设备，因此技术复杂度相对较高，并因此增加了一些制造成本。它的优点是悬臂梁的质量和工艺一致性高。在牺牲层工艺中，结构层是由高温沉积形成的多(duō)晶硅材料，层内不可(kě)避免地残存有(yǒu)应力。这样，薄膜生長(cháng)工艺条件的涨落很(hěn)容易造成片内和片间均匀性问题，甚至造成良率的降低。采用(yòng)键合工艺形成的结构层是单晶材料，层内没有(yǒu)高温生長(cháng)带来的应力，材料性能(néng)的一致性好，对良率提升有(yǒu)很(hěn)大助益。

MEMS工艺不同于CMOS工艺的另一个方面在于前者对封装的特殊要求。对CMOS来说，当器件通过互连方式完成多(duō)层布線(xiàn)，即可(kě)通过侧面打線(xiàn)、倒装焊接，或者基于硅通孔(TSV)技术的多(duō)维(2.5D/3D)封装进行封装连線(xiàn)，再用(yòng)塑料封装填充封装。而对MEMS来说，器件的悬臂梁结构必须能(néng)够自由运动，因此，不能(néng)像CMOS那样进行填充封装，而必须采用(yòng)帽封方式，把悬臂梁等部件用(yòng)封帽罩起来。帽内不填注材料。特别是运动型MEMS器件，需要在封帽内保持真空。因此MEMS封装带来了很(hěn)大的工艺复杂度和成本上升。在采用(yòng)单芯片帽封工艺时，真空封装的MEMS制造成本中，封装占70%以上。一个降低成本的手段是采用(yòng)晶圆级封装，即在一个硅片上，设计制造一个空腔，形成封盖晶圆，再把封盖晶圆盖到器件晶圆上，实现晶圆级真空封装。為(wèi)了与晶圆级封装相匹配，还要考虑電(diàn)學(xué)引線(xiàn)的连出。图5给出了用(yòng)过硅通过连線(xiàn)和晶圆级封装完成的MEMS器件结构示意图。

机遇及挑战

MEMS技术有(yǒu)非常广阔的应用(yòng)前景，特别是进入物(wù)联网时代，只有(yǒu)MEMS能(néng)够满足物(wù)联网应用(yòng)对传感器和执行器的要求。首先，MEMS的尺寸完全满足物(wù)联网应用(yòng)的微型化要求。其次，MEMS技术与CMOS技术的兼容性，使之很(hěn)容易满足物(wù)联网对传感器和执行器的智能(néng)化要求。采用(yòng)相同的工艺線(xiàn)，可(kě)以同时完成CMOS集成電(diàn)路和MEMS器件的制造，实现两者的异质集成。异质集成可(kě)以通过在同一颗芯片上完成两者的制造和相互连接，也可(kě)以在不同的晶圆上制造，再通过2.5D或3D封装集成到同一个系统。第三个优势是MEMS在能(néng)量损耗上的优势。物(wù)联网应用(yòng)在功耗方面的要求比其它应用(yòng)环境要严苛得多(duō)。MEMS的感知和执行方式使它成為(wèi)能(néng)耗较低的器件，最可(kě)能(néng)成為(wèi)满足物(wù)联网功耗要求的技术。还有(yǒu)一个优势是它能(néng)够满足物(wù)联网对传感器/执行器的数量要求。硅基集成電(diàn)路技术可(kě)以在一个晶圆上制造出数万颗MEMS传感器，同时具有(yǒu)低廉的制造成本。得益于CMOS制造技术发展过程中的研发投入，MEMS制造所需设备、工艺制造技术都已经存在。只需做较小(xiǎo)的调整和开发，就可(kě)以用(yòng)于MEMS生产。事实上，目前世界上用(yòng)于MEMS制造的生产線(xiàn)主要还是从CMOS主流产品制造上淘汰下来的8英寸線(xiàn)。采用(yòng)这些产線(xiàn)，即可(kě)用(yòng)于满足海量制造的要求，又(yòu)可(kě)以使每一颗MEMS的制造成本降到满足消费类产品的价格要求的程度。

由于MEMS市场的应用(yòng)种类繁多(duō)，产品生产技术的多(duō)样化，為(wèi)中小(xiǎo)企业带来了机遇。特别是之前有(yǒu)过技术积累的企业，将会在很(hěn)多(duō)市场中发现机会，赢得企业的快速发展。但从另一方面来讲，MEMS生产技术的发展和企业的成長(cháng)也面临着一些特殊的挑战。首先，MEMS的市场细分(fēn)化突出，使得单一产品的需求总量相对集成電(diàn)路产品来说小(xiǎo)很(hěn)多(duō)，而MEMS产品生产線(xiàn)的投入相对较大，使得投资风险高，投资回报周期長(cháng)，在一定程度上限制了MEMS产业和企业的发展。要破解中小(xiǎo)企业在产业技术开发和获得投资人信心上的困难，促进國(guó)家和地方MEMS产业的集聚和发展，一个可(kě)行的措施是建立公共技术研发平台，為(wèi)中小(xiǎo)企业提供工艺研发和中试服務(wù)，努力减少投资的盲目性，增强初创企业的生成能(néng)力。

近年来，中國(guó)科(kē)學(xué)院微電(diàn)子研究所建立了完整的MEMS工艺中试線(xiàn)，采用(yòng)工业界标准的生产设备為(wèi)企业提供研发服務(wù)，取得了很(hěn)好的社会效益。相信通过國(guó)家、地方和企业的共同努力，践行产學(xué)研合作的理(lǐ)念，将能(néng)够克服产业发展遇到的困难，推动MEMS产业迅速发展，及时满足物(wù)联网技术发展对传感器和执行器的不断迅速增長(cháng)的需求。