详解微机电系统，总有你不知道的点

　　微机电系统(Micro-Electro Mechanical System)是指尺寸在几毫米乃至更小的传感器装置，其内部结构一般在微米甚至纳米量级，是一个独立的智能系统。简单理解， MEMS 就是将传统传感器的机械部件微型化后，通过三维堆叠技术，例如三维硅穿孔 TSV 等技术把器件固定在硅晶元(wafer)上，最后根据不同的应用场合采用特殊定制的封装形式， 最终切割组装而成的硅基传感器。 受益于普通传感器无法企及的 IC 硅片加工批量化生产带来的成本优势， MEMS 同时又具备普通传感器无法具备的微型化和高集成度。

　　传统 ECM 驻极体电容麦克风/Apple Watch 楼氏 MEMS 硅麦克风

　　诸如最典型的半导体发展历史： 从 20 世纪初在英国物理学家弗莱明手下发明的第一个电子管，到 1943 年拥有 17468 个电子三极管的 ENIAC 和 1954 年诞生装有 800 个晶体管的计算机 TRADIC， 到 1954 年飞兆半导体发明了平面工艺使得集成电路可以量产， 从而诞生了 1964 年具有里程碑意义的首款使用集成电路的计算机 IBM 360。 模拟量到数字化、 大体积到小型化以及随之而来的高度集成化，是所有近现代化产业发展前进的永恒追求。

　　半导体的发展历史： 从电子管-晶体管-集成电路

　　正因为 MEMS 拥有如此众多跨世代的优势， 目前来看我们认为其是替代传统传感器的唯一可能选择，也可能是未来构筑物联网感知层传感器最主要的选择之一。

　　1)微型化： MEMS 器件体积小， 一般单个 MEMS 传感器的尺寸以毫米甚至微米为计量单位， 重量轻、耗能低。 同时微型化以后的机械部件具有惯性小、谐振频率高、响应时间短等优点。 MEMS 更高的表面体积比(表面积比体积) 可以提高表面传感器的敏感程度。

　　2)硅基加工工艺，可兼容传统 IC 生产工艺：硅的强度、硬度和杨氏模量与铁相当，密度类似铝，热传导率接近钼和钨，同时可以很大程度上兼容硅基加工工艺。

　　3)批量生产： 以单个 5mm*5mm 尺寸的 MEMS 传感器为例， 用硅微加工工艺在一片 8 英寸的硅片晶元上可同时切割出大约 1000 个 MEMS 芯片， 批量生产可大大降低单个 MEMS 的生产成本。

　　4)集成化： 一般来说，单颗 MEMS 往往在封装机械传感器的同时， 还会集成ASIC 芯片，控制 MEMS 芯片以及转换模拟量为数字量输出。 同时不同的封装工艺可以把不同功能、不同敏感方向或致动方向的多个传感器或执行器集成于一体，或形成微传感器阵列、微执行器阵列，甚至把多种功能的器件集成在一起，形成复杂的微系统。微传感器、微执行器和微电子器件的集成可制造出可靠性、稳定性很高的 MEMS。 随着 MEMS 的工艺的发展，现在倾向于单个 MEMS 芯片中整合更多的功能， 实现更高的集成度。 例如惯性传感器 IMU(Inertial measurement unit) 中， 从最早的分立惯性传感器，到 ADI 推出的一个封装内中集成了三轴陀螺仪、加速度计、磁力计和一个压力传感器以及 ADSP-BF512 Blackfin 处理器的 10 自由度高精度 MEMS 惯性测量单元。

　　5)多学科交叉： MEMS 涉及电子、机械、材料、制造、信息与自动控制、物理、化学和生物等多种学科，并集约了当今科学技术发展的许多尖端成果。MEMS 是构筑物联网的基础物理感知层传感器的最主要选择之一。 由于物联网特别是无线传感器网络对器件的物理尺寸、功耗、成本等十分敏感，传感器的微型化对物联网产业的发展至关重要。 MEMS 微机电系统结合兼容传统的半导体工艺， 采用微米技术在芯片上制造微型机械，并将其与对应电路集成为一个整体的技术，它是以半导体制造技术为基础发展起来的， 批量化生产能满足物联网对传感器的巨大需求量和低成本要求。

　　物联网时代到来，MEMS的机会

　　全球半导体产业中， PC 在主导产业 10 多年后， 已经逐渐让位于消费电子， 随着摩尔定律逐渐到达其瓶颈， 制程的进步已经渐近其物理极限。 根据 MonolithIC 3D 创办人 Zvi Or-Bach 的观点，在 28 纳米之后， 晶圆厂可以继续把晶体做得更小、但却无法更便宜， 对制程要求相对较低的物联网应用可能会成为成熟制程重要的下游产业应用。

　　摩尔定律正在接近极限

　　就目前趋势来看， 高端制程在整个 IC 封装工艺中， 占比已经开始相对下降。 先进制程节点元件的实际工程成本，已经证明对产业界大多数厂商来说都太昂贵;因此半导体产业确实已经分头发展，只有少数会追求微缩至 7 纳米，而大多数仍维持采用 28 纳米或更旧节点的设计。

　　未来可以预见未来大规模下游应用主要会以新的消费电子例如 AR/VR， 以及物联网例如智能驾驶、 智慧物流、 智能家居等。 而传感器做为感知层，是不可或缺的关键基础物理层部分，物联网的快速发展，将会给 MEMS 行业带来巨大的发展红利。

　　物联网的系统架构主要包括三部分：感知层、传输层和应用层。 感知层的作用主要是获取环境信息和物与物的交互， 主要由传感器、 微处理器和 RF 无线收发器等组成; 传输层主要用于感知层之间的信息传递，由包括 NB IOT、Zig Bee、Thread、蓝牙等通讯协议组成;应用层主要包括云计算、云存储、 大数据和数据挖掘以及人机交互等软件应用层面构成。 感知层传感器处于整个物联网的最底层，是数据采集的入口，物联网的“心脏”， 有着巨大的发展空间。

　　物联网的三层架构

　　物联网产业覆盖面广，小到手机，大到新能源汽车以及大量未联网的设备、终端都将联通，为市场带来万亿市值增长潜力。互联网、智能手机的出世推动了信息产业第二波浪潮，但目前已趋于成熟，增速较为平缓，而以传感网、物联网为代表的信息获取或信息感知正在推动信息产业进入第三次浪潮，物联网时代已经启动。

　　物联网：第三次产业化浪潮

　　2015 年，全球物联网产业规模已接近 3500 亿美元，中国物联网产业规模达到7500 亿人民币。 Forrester Research 预测，到 2020 年，物联网产业的规模要比信息互联网大 30 倍，将有 240 亿台物联网设备接入互联网，真正实现万物互联。

　　随着国内设计、制造、封测等多个环节的技术和工艺正在逐步成熟， MEMS 作为物理量连接半导体的产物，将恰逢其时的受益于物联网产业的发展， MEMS 在消费电子、汽车电子、工业控制、军工、智能家居、智慧城市等领域将得到更为广泛的应用，根据 Yole developpement 的预测， 2016-2020 年 MEMS 传感器市场将以 13%年复合成长率增长， 2020 年 MEMS 传感器市场将达到 300 亿美元,前景无限。

　　MEMS 全球市场产值预测(亿美元)

　　2015 年中国 MEMS 器件市场规模为 308 亿元人民币，占据全球市场的三分之一。从发展速度而言，中国 MEMS 市场增速一直快于全球市场增速。中国 MEMS 器件市场平均增速约 15 - 20%，中国集成电路市场增速约为 7 - 10%，横向对比而言，MEMS 器件市场的增速两倍于集成电路市场。

　　中国近年 MEMS 传感器市场规模(亿元)

　　MEMS产业链一览，国外领先

　　MEMS 没有一个固定成型的标准化的生产工艺流程， 每一款 MEMS 都针对下游特定的应用场合， 因而有独特的设计和对应的封装形式，千差万别。

　　MEMS 和传统的半导体产业有着巨大的不同， 她是微型机械加工工艺和半导体工艺的结合。 MEMS 传感器本身一般是个比较复杂的微型物理机械结构，并没有 PN 结。但同时单个 MEMS 一般都会集成 ASIC 芯片并植在硅晶圆片上， 再封装测试和切割，后道工艺流程又类似传统 COMS 工艺流程。

　　因此 MEMS 性能的提升很大程度上不会过分依赖于硅晶圆制程工艺的升级， 而更倾向于根据下游应用需求定制设计、对微型机械结构的优化、对不同材料的选择，实现每一款传感器的独特功能，因此也不存在传统半导体工艺晶圆厂不同世代的制程工艺升级路线图(ROAD MAP)。

　　IC 制程工艺更接近于 2D 平面 VS MEMS3 维立体堆叠

　　典型的 MEMS 系统如图所示，由传感器、信息处理单元、执行器和通讯/接口单元等组成。其输入是物理信号，通过传感器转换为电信号，经过信号处理(模拟的和/或数字的)后，由执行器与外界作用。每一个微系统可以采用数字或模拟信号(电、光、磁等物理量)与其它微系统进行通信。 MEMS 将电子系统与周围环境有机结合在一起，微传感器接收运动、光、热、声、磁等自然界信号，信号再被转换成电子系统能够识别、处理的电信号，部分 MEMS 器件可通过微执行器实现对外部介质的操作功能。

　　传感器工作原理