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传统传感器的唯一替代:MEMS产业链一览

2016-11-29 00:10
小鱼时代
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  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。

传统传感器的唯一替代:MEMS产业链一览

传统ECM驻极体电容麦克风/Apple Watch楼氏MEMS硅麦克风

  MEMS是替代传统传感器的唯一选择

  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IBM360。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,MEMS也不例外。

  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(Inertialmeasurementunit)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-BF512Blackfin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。

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