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面向物聯網應用的 MEMS 傳感器技術
上傳更新:2017-01-03

2017-1-3 摘自 高科技與產業化

      傳感器和執行器是物聯網系統的重要組成部分。智能傳感器構成物聯網系統的感知層,是完成物聯網系統數據采集的最直接的系統單元。一個獨立工作的物聯網終端一般由傳感器、數據處理單元(處理器加存儲器)、電源管理單元和無線通訊單元組成。在這樣的終端中,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云端,實現與整個網絡的連接。物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。其中低成本和海量制造兩者直接關聯。由硅基集成電路制造技術衍生出的MEMS 技術能夠滿足上述要求,成為物聯網時代微型傳感器技術的主流生產技術。

應用廣泛的MEMS

      MEMS 是微機電系統(Micro-Electro- Mechanical System) 的簡稱。它有兩個特征: 其一是器件尺寸在微米或納米量級;其二是通常有一個懸空的運動部件以實現感知或傳動功能,比如圖2 中的懸臂梁。當懸臂梁的運動狀態發生變化時,設計好的機電耦合裝置就把機械運動轉化成電信號?;珩詈系姆椒ê芏?,比如把懸臂梁和下面的電極組成一個電容器,就可以實現輸出的電壓信號獲得關于懸臂梁運動的信息。在懸臂梁上附著能夠感知外部環境的薄膜材料,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。感知聲波的傳感器麥克風便是一種十分常見的運動傳感器,在手機和移動終端上獲得非常廣泛的應用。MEMS 上附著光敏層,可把光轉化成熱,改變懸臂梁形狀,從而形成光敏傳感器、紅外圖像傳感器等。

      MEMS 技術還可以用電信號操控懸臂梁的運動,制成執行器(actuators),比如微電機、微開關、微泵、噴墨打印頭等。手機中廣泛應用的MEMS 揚聲器就是一種典型的執行器。采用MEMS 還可制成應用于光學系統的微鏡、微投影、微光閘等電控光學器件?;褂幸煥嗖捎肕EMS 工藝制造的器件,利用懸臂梁的力學諧振功能制成高頻濾波器,有望取代聲表面波濾波器。此外,還有采用運動部件把機械運動動能轉化成電能并加以儲存的能量采集器件(energy harvest)等。

      作為產品的MEMS 傳感器出現較晚。上世紀80 年代,人們才把硅懸臂梁結構封裝在玻璃上制成了第一款用于發動機控制的MEMS 傳感器。上世紀90 年代,MEMS 加速度計開始用于汽車安全氣囊; 此外, MEMS 壓力傳感器開始在血壓計中得到應用;采用MEMS 技術制造的噴墨打印頭則應用于打印機,成為第一款廣泛使用的消費類MEMS 執行器。2000 到2010 年間,MEMS 傳感器和執行器得到大幅推廣,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 開關,紅外圖像傳感器,指紋識別傳感器等一批產品。

      2010 年以來,在物聯網技術需求的驅動下,各種各樣的MEMS 傳感器和執行器在可穿戴系統、虛擬現實產品、智能家居、智能手機、智能制造、汽車和自動駕駛等領域得到廣泛應用(圖3),產品包括各種運動傳感器和執行器(陀螺、微泵、耳機、耳麥、加速度計、壓力計、流量計、微流控裝置等)、氣敏濕敏光敏傳感器、紅外成像裝置等。僅應用于智能手機中的MEMS 器件產品已經有十幾種,包括9 軸重力加速度計、麥克風和揚聲器、天線開關、計時器、相機自動聚焦系統、微鏡投影儀、溫度- 濕度- 壓力- 氣體傳感器、生物傳感器,未來還可能引入能量采集器、紅外夜視儀、紫外光傳感器、超聲傳感器、輻射檢測傳感器等。

基于CMOS的制造技術

      MEMS 制造技術衍生自CMOS 集成電路制造技術。在過去的50 多年時間里, CMOS 集成電路制造技術發展迅猛,成為有史以來精細度和復雜度最高的制造技術。單從器件尺寸上說,從1970 年代的1 微米線寬,已經微縮到現在的20 納米線寬, 使得單位硅襯底面積上的器件數量有了極大地提高。在器件圖形化方面, CMOS 技術的工藝能力遠遠超過MEMS 器件制造的需求??梢運?,CMOS 集成電路制造技術為MEMS 制造奠定了十分堅實的基礎。但另一方面,MEMS 制造工藝又有它不同于CMOS 制造的特點。首先,是它獨特的懸臂梁部件形成工藝。目前可供選用的懸臂梁形成工藝有兩類,一類采用犧牲層工藝,另一類采用晶圓鍵合工藝。圖4(左) 給出了采用犧牲層工藝形成懸臂梁的流程示意圖。具體做法是在硅襯底表面淀積犧牲層,比如二氧化硅層、結構層、多晶硅層。之后采用特殊的工藝設計,通過光刻、刻蝕、化學機械拋光(CMP) 等CMOS 圖形化工藝將犧牲層暴露出來,并用化學溶劑(濕法)或化學蒸汽(干法)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藝形成懸臂梁的流程示意圖。具體做法是在硅襯底上先形成懸臂梁下的空腔,再將結構層晶圓表面向下,與襯底晶圓鍵合在一起。之后采用減薄技術,將結構晶圓從背面減薄, 只保留滿足懸臂梁要求的厚度。再通過光刻、刻蝕等CMOS 圖形化工藝, 形成懸臂梁。兩種技術方案的區別在于前者的工藝相對簡單,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 工業設備,與CMOS 制造的兼容性好。而采用晶圓鍵合工藝需要使用晶圓鍵合設備,因此技術復雜度相對較高, 并因此增加了一些制造成本。它的優點是懸臂梁的質量和工藝一致性高。在犧牲層工藝中,結構層是由高溫淀積形成的多晶材料,層內不可避免地殘存有應力。這樣, 薄膜生長工藝條件的漲落很容易造成片內和片間均勻性問題,甚至造成良率的降低。采用鍵合工藝形成的結構層是單晶材料, 層內沒有高溫生長帶來的應力,材料性能的一致性好,對良率提升有很大助益。

      MEMS 工藝不同于CMOS 工藝的另一個方面在于前者對封裝的特殊需求。對CMOS 來說,當器件通過互連方式完成多層部線,即可通過側面打線、倒裝焊接, 或基于硅通孔(TSV) 技術的多維(2.5D/3D)封裝進行封裝連線,再用塑封材料填充封裝。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。帽內不填注材料。特別是運動型MEMS 器件, 需要在封帽內保持真空。因此MEMS 封裝帶來了很大的工藝復雜度和成本上升。在采用單芯片帽封工藝時, 真空封裝的MEMS 制造成本中,封裝占70% 以上。一個降低成本的手段是采用晶圓級封裝,即在一個硅片上,設計制造一個空腔,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。為了與晶圓級封裝相匹配,還要考慮電學引線的連出。圖5 給出了通過硅通孔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, 特別是進入物聯網時代,只有MEMS 能夠滿足物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,使之很容易滿足物聯網對傳感器和執行器的智能化要求。采用相同的工藝線, 可以同時完成CMOS 集成電路和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個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 封裝集成到同一個系統。第三個優勢是MEMS 在能量損耗上的優勢。物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 的感知和執行方式使它成為能耗較低的器件,最可能成為滿足物聯網功耗要求的技術?;褂幸桓鲇攀剖撬芄宦鬮锪τ枚源釁? 執行器的數量要求。硅基集成電路技術可以在一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的研發投入, MEMS 制造所需要設備、工藝制造技術都已經存在。只需做較小的調整和開發, 就可以用于MEMS 生產。事實上,目前世界上用于MEMS 制造的生產線主要還是從CMOS 主流產品制造上淘汰下來的8 英寸線。采用這些產線,即可用滿足海量制造的要求,又可以使每一顆MEMS 的制造成本降到滿足消費類產品的價格要求的程度。

      據估算, 到2018 年, 全球MEMS 直接市場可達1.2 億美元,加上間接市場, 總額超過3.3 億美元。而且會以超過每年40% 的速度增長。由于MEMS 市場的應用種類繁多,產品生產技術的多樣化,為中小企業帶來了機遇。特別是之前有過技術積累的企業,將會在上述市場中發現機會,贏得企業的快速增長。但從另一方面來講,MEMS 生產技術的發展和企業的成長也面臨著一些特殊的挑戰。首先, MEMS 的市場細分化突出,使得單一產品的需求總量相對集成電路產品來說小很多,而MEMS 產品生產線的投入相對較大,使得投資風險高,投資回報周期長, 在一定程度上限制了MEMS 產業和企業的發展。要破解中小企業在產業技術開發和獲得投資人信心上的困難,促進國家和地方MEMS 產業的集聚和發展,一個可行的措施是建立公共技術研發平臺,為中小企業提供工藝研發和中試服務,努力減小投資的盲目性,增強初創型企業的生存能力。

      近年來,中國科學院微電子研究所建立了完整的MEMS 工藝中試線,采用工業界標準的生產設備為企業提供研發服務, 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,踐行產學研合作的理念,將能夠克服產業發展遇到的困難, 推動MEMS 產業迅速發展,及時滿足物聯網技術發展對傳感器和執行器的不斷迅速增長的需求。

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