1 乘風智能制造，MEMS傳感器工藝逐漸成熟

什么是MEMS

微機電系統（MEMS, Micro-Electro-Mechanical System），也叫做微電子機械系統、微系統、微機械等，指尺 寸在幾毫米乃至更小的高科技裝置。微機電系統其內部結構一般在微米甚至納米量級。微機電系統是在微 電子技術（半導體制造技術）基礎上發展起來的，融合了光刻、腐蝕、薄膜、LIGA、硅微加工、非硅微加 工和精密機械加工等技術制作的高科技電子機械器件。

MEMS是一個獨立的智能系統，可大批量生產，其 系統尺寸在幾毫米乃至更小，其內部結構一般在微米甚至納米量級。例如，常見的MEMS產品尺寸一般都 在3mm×3mm×1.5mm，甚至更小。

一個MEMS傳感器里面最重要的芯片為MEMS芯片和ASIC芯片，其中 MEMS芯片負責感知信號，將測量量轉化為電阻、電容等信號變化；ASIC芯片負責將電容、電阻等信號轉 換為電信號，其中涉及到信號的轉換和放大等功能。

MEMS傳感器

MEMS傳感器是基于微機電系統的典型傳感器件。它是 指可以批量制造的，集微結構、微傳感器、微執行器 以及信號處理和控制電路于一體的器件或系統。其特 征尺寸一般在0.1m～100m范圍。MEMS集成了當今 科學技術的許多尖端成果，它將感知信息處理與執行 機構相結合，改變了人類感知和控制外部世界的方式。

與傳統的機械傳感器相比，MEMS傳感器具有體積小、 重量輕、成本低、功耗低、可靠性高、適于批量化生 產、易于集成和實現智能化等特點。在微米量級的特 征尺寸MEMS傳感器可以完成某些傳統機械傳感器所不 能實現的功能。因此，MEMS傳感器正逐步取代傳統機 械傳感器的主導地位，在消費電子產品、汽車工業、 航空航天、機械、化工及醫藥等領域得到廣泛的應用。

MEMS傳感器應用領域

MEMS傳感器種類極多，可應用于物理、化學、 生物等領域信號的探測，較為常見的種類有加速 度傳感器、慣 性 傳 感 器、壓 力 傳 感 器、 MEMS 陀 螺 儀 以 及MEMS 麥克風等。目前 MEMS 傳感器在消費電子、醫療、汽車電 子以及工業等應用領域占比最高，分別占據 41.8%、28.1%、16.7%和 9.1%。

2 夯實科技強國基礎，MEMS傳感器無處不在

MEMS壓力傳感器

MEMS壓力傳感器是一種薄膜元件，受到壓力時變形。可以利用應變儀（壓阻型感測）來測量這種形變， 也可以通過電容感測兩個面之間距離的變化來加以測量。這兩種方法都很流行，輪胎壓力監測系統使用比 較結實的壓阻方法。

常見的壓力傳感器有三種：壓阻式、電容式和壓電式。具有體積小、重量輕、靈敏度高、精度高、動態特性好、耐腐蝕、零位小等優點 。隨著MEMS壓力傳感器的出現和普及，智能手機中用壓力傳感器也越來越多，主要用來測量大氣壓力。測 量大氣壓的目的，是為了通過不同高度的氣壓，來計算海拔高度，同GPS定位信號配合，實現更為精確的 三維定位，譬如爬樓高度、爬樓梯級數等都可以檢測。MEMS壓力傳感器的原理也非常簡單，核心結構就是一層薄膜元件，受到壓力時變形，形變會導致材料的 電性能（電阻、電容）改變。因此可以利用壓阻型應變儀來測量這種形變，進而計算受到的壓力。

MEMS壓力傳感器應用

MEMS壓力傳感器是使用最廣泛的 MEMS傳感器產品之一，通常應用于智能手機、航空航天、汽車、 生物醫藥以及工藝控制等領域，按照壓力探測方式可以分為壓阻式、電容式、諧振傳感等，而最為 常用的是壓阻式和電容式，因此這兩種壓力傳感器的技術迭代也最為活。

為充分降低微壓MEMS傳感器中測量的敏感性和線性度之間的矛盾，不斷提高微壓傳感器測量精度， 一種新型的FBBM結構應運而生，該結構包含了 4 個短梁和一個位于中心的方形凸塊，通過減少傳感 膜結構偏轉程度達到進一步降低壓力的非線性，并提高了壓阻靈敏度，達到了提升微壓MEMS傳感器 精度的目標。

MEMS加速度計

加速度計是一種能夠測量物體線加速度的器 件。加速度計的理論基礎是牛頓第二定律， 傳感器在加速過程中，可通過對質量塊所受 慣性力的測量計算出加速度值。如果初速度 已知，就可以通過對時間積分得到線速度， 再次積分即可計算出直線位移。加速度計已 經廣泛應用于導航定位、姿態感知、狀態監 測、平臺穩定等領域。

MEMS加速度計的核心是一顆MEMS芯片、 一顆ASIC芯片及應力隔離封裝。其產品構造 與前述陀螺儀基本相同。MEMS加速度計利 用敏感結構將線加速度的變化轉換為電容的 變化量，最終通過專用集成電路讀出電容值 的變化，得到物體運動的加速度值。產品主 要包含加速度計敏感結構和ASIC芯片，ASIC 芯片由電容/電壓變換電路和數字部分組成。

MEMS生物醫學傳感器

微傳感器是構成任何生物MEMS產品最基本的組元，在 生物醫學中，常用的兩類傳感器是生物醫學傳感器和生 物傳感器。生物醫學傳感器可以分成用于測量生物學物質的生物醫 學儀器和用以醫學診斷為目的的儀器，他們通常只需要 小量的樣本，大大加快分析速度。生物傳感器的工作原理基于待檢測分析物與生物學方法 產生的生物分子的相互作用，這些分子包括某種形式的 酶、抗體和其他形式的蛋白。這些生物分子附著在傳感 元單元上，當它們和被分析物相互作用時可以改變傳感 器的輸出信號。

3 著眼未來，重視MEMS傳感器國產替代機遇

不同MEMS傳感器的比較

由于MEMS傳感器測量的外部信號不同，不同類型的MEMS傳感器技術差異較大。MEMS慣性傳感器主要檢測物體的運動，需要將傳感器安裝在載體上用于檢測載體的運動，因此多為密 閉式封裝。而壓力/光學/聲學傳感器需要通過直接接觸被測量，所以多為開放式封裝，同時需要結合使 用環境設計有利于檢測信號的傳感器敏感單元表面結構。

MEMS慣性傳感器相對于壓力傳感器、聲學傳感器等其他類型的傳感器應用領域較廣，在高可靠領域及 其他工業、消費領域均具備豐富的應用場景，不同應用場景對于性能、成本、功耗、體積的要求差異較 大。相對于在工業及消費領域應用較廣的聲學傳感器、環境傳感器等，高性能MEMS慣性傳感器多應用 于高可靠領域，復雜環境下對于產品性能要求高，因此對產品可靠性提出了更嚴格的需求，存在較高的 技術門檻。

MEMS傳感器發展困境

相較于美國、日本等科技大國，國內對于 MEMS技術的研究稍顯落后，在20世紀80年 代末才開始成為國家重點研究項目之一。經 過近三十年的發展，國產MEMS在技術方面 有了實質性的進展，在市場應用方面逐步實 現了長效積累。例如在MEMS麥克風市場， 全球四大公司占據市場話語權，其中兩家來 自中國，歌爾股份和瑞聲科技，他們還正在 挑戰樓氏電子的領袖地位，勢頭兇猛。

伴隨著消費電子、汽車電子、工業、醫療等 領域的快速發展，市場對MEMS產品的需求 變得十分迫切，MEMS市場如同空池一般急 需更多水源流入。

制造MEMS器件不僅需要成熟且豐富的工藝技術，還要有足夠多的產線保證產能。目前，國內提供專業 MEMS代工服務的有中芯國際、無錫華潤上華、上海先進等。除了以上企業能夠滿足代工產能和良率要 求之外，其他大多數國內MEMS代工企業還未積累起足夠的工藝技術儲備和大規模市場驗證反饋的經驗， 并且在加工工藝的一致性、可重復性也都不能滿足設計需要，產品的良率和可靠性更是無法達到規模生 產要求。

在這樣的情況之下，設計公司也只能選擇與國外成熟代工廠合作，才能保證產品的質量。而在 后端的封裝測試環節，情況則較為樂觀，南通富士通、晶方半導體、華天科技、長電科技、通富微電等 企業能夠滿足產品質量和數量的要求。

MEMS傳感器發展前景

隨著國產MEMS傳感器產業逐漸完善，MEMS將傳感器“芯片化”的能力得到了廣泛的認可，因此很多 人在談論國產傳感器發展趨勢時，除了過往的集成化、小型化和智能化等，有時也會加上“MEMS化”。設備小型化、耗化未來，不斷縮小產品尺寸、降低產品成本是MEMS傳感器行業的重要發展趨勢之 一。隨著人工智能和物聯網技術的發展，MEMS傳感器的應用場景將更加多元。

MEMS傳感器是人工智 能重要的底層硬件之一，傳感器收集的數據越豐富和精準，人工智能的功能才會越完善。未來，智能家 居、工業互聯網、車聯網、智能城市、機器人等新產業領域都將為MEMS傳感器行業帶來廣闊的市場空 間。展望未來，技術水平的不斷提高，使市場對“小而智能”的傳感器需求越來越大，特別是在物聯網等應 用的推動下，MEMS傳感器的應用空間也愈發廣闊。

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審核編輯 黃宇