MEMS壓力傳感器的行業(yè)狀況

　　重慶德?tīng)柹瓊鞲衅骷夹g(shù)有限公司運(yùn)營(yíng)總裁牟恒博士介紹了MEMS(微機(jī)電系統(tǒng))壓力傳感器的歷史和現(xiàn)狀，技術(shù)設(shè)計(jì)到制作工藝，及在行業(yè)的應(yīng)用狀況。

　　歷史和現(xiàn)狀

　　壓力傳感器有傳統(tǒng)的壓力式傳感器;另一大類(lèi)是MEMS傳感器。

　　傳統(tǒng)的機(jī)械量式的傳感器可以是金屬，也可以是陶瓷，也有藍(lán)寶石和其他各種材質(zhì)，并在這類(lèi)材質(zhì)上布電路、做電容、做電阻……，以帶來(lái)電信號(hào)的變化。

　　MEMS傳感器是隨著IC(集成電路)技術(shù)的發(fā)展而興起的。它的原理還是機(jī)械量式相似，只是從材料和加工工藝上借鑒了很多集成電路的技術(shù)和制造工藝，把集成電路的光刻、光罩、沉淀等工藝做在了傳感器上，還可以把一些運(yùn)算和ADC集成在一起。

　　歷史上，MEMS技術(shù)起步較早，最早源于美國(guó)的，霍尼韋爾公司比較領(lǐng)先。最早史密斯先生(C.S. Smith)于1945年發(fā)現(xiàn)了硅與鍺的壓阻效應(yīng)，這就可以和傳統(tǒng)的機(jī)械式的壓力傳感器有相似的特性。隨后霍尼韋爾最早做了微壓傳感器，起先用在電子方面，涉及到軍工的壓力傳感器。擴(kuò)散微技術(shù)可以很方便地把電阻、接線片等在硅的晶圓片上進(jìn)行加工。后來(lái)為了提高靈敏度，就開(kāi)始在硅的背面加工成凹形，這時(shí)就有了硅杯結(jié)構(gòu)。

　　MEMS傳感器在上世紀(jì)七八十年代主要還停留在實(shí)驗(yàn)室階段。80年代后期到90年代，隨著半導(dǎo)體加工工藝越來(lái)越成熟，鍍膜技術(shù)、光刻技術(shù)還有異形加工等可以對(duì)硅片在各個(gè)方面進(jìn)行加工，使MEMS傳感器可以進(jìn)行商業(yè)化的生產(chǎn)，量產(chǎn)化的產(chǎn)品出現(xiàn)。從90年代開(kāi)始納米技術(shù)提升了MEMS商用化的可能性，因?yàn)橹暗墓鑲鞲衅鞒叽缱龅眠€是比較大，和陶瓷相比沒(méi)有太多的優(yōu)勢(shì)。隨著納米技術(shù)的出現(xiàn)，可以在微米級(jí)的薄膜厚度上操作。有這樣的加工工藝之后，就可以從4寸開(kāi)始，到6寸、8寸，直接加工成各種各樣的MEMS硅材質(zhì)、復(fù)合硅和壓力硅。在MEMS產(chǎn)品中，壓力相對(duì)是比較難做的一塊。

　　我國(guó)對(duì)MEMS技術(shù)也很重視，從1989年開(kāi)始立項(xiàng)，研究MEMS產(chǎn)業(yè)化。特別是十五計(jì)劃將MEMS計(jì)劃也列入863重大專(zhuān)項(xiàng)，國(guó)家每年有十幾億元投入到MEMS中。到目前為止，國(guó)內(nèi)的MEMS研發(fā)機(jī)構(gòu)較多，但是目前可能還是依托于以前的軍工院所，例如49所、13所，包括沈陽(yáng)工藝研究所等，同時(shí)各大高校，諸如北京大學(xué)、清華大學(xué)、重慶大學(xué)等有自己的MEMS研究實(shí)驗(yàn)室。我國(guó)也在建納米城，在無(wú)錫物聯(lián)網(wǎng)中心建了MEMS研發(fā)平臺(tái)。因此，我國(guó)目前在微機(jī)械部分有一定的競(jìng)爭(zhēng)力?，F(xiàn)在一共是1600多家，接近1700多家MEMS廠家，壓力類(lèi)估計(jì)有七八十家。因此，我國(guó)已經(jīng)具備一定的MEMS的微機(jī)加工能力。

　　國(guó)內(nèi)IC代工廠的快速成長(zhǎng)對(duì)MEMS行業(yè)也有很大的助推，諸如臺(tái)積電(TSMC)和中芯國(guó)際(SMIC)等廠家。因?yàn)镸EMS技術(shù)和IC技術(shù)是融合的，現(xiàn)在有一些IC廠家也在做轉(zhuǎn)型，從IC向MEMS轉(zhuǎn)型。

　　但是也出現(xiàn)的問(wèn)題，我們的理論研究水平和國(guó)際相比相差不大，即產(chǎn)業(yè)布局、MEMS理論、硅杯結(jié)構(gòu)的能力還是不錯(cuò)的，但是我們落后三個(gè)方面：1)工藝設(shè)計(jì)、制造技術(shù)和產(chǎn)業(yè)化推進(jìn)。例如我們畫(huà)一張圖紙可以，但是要按圖把它加工出來(lái)有一定的難度。2)測(cè)試技術(shù)，例如晶圓測(cè)試和美國(guó)、日本、德國(guó)有差距。3)產(chǎn)業(yè)化推進(jìn)，需要更多的會(huì)議/展會(huì)，更多地和用戶(hù)共同開(kāi)發(fā)產(chǎn)品。牟橫博士介紹了德國(guó)的經(jīng)驗(yàn)，德國(guó)有四大院所系統(tǒng)，模式是和企業(yè)合作，而且向企業(yè)收費(fèi)，即更加市場(chǎng)化。四大院所研發(fā)的產(chǎn)品、做的工藝都是為企業(yè)服務(wù)的，因?yàn)槠髽I(yè)不可能建這么大的平臺(tái)。

　　我國(guó)的MEMS技術(shù)工藝和制造特點(diǎn)

　　國(guó)外的MEMS已經(jīng)進(jìn)行了規(guī)模和量產(chǎn)。我國(guó)目前還是比較分散的，相對(duì)沒(méi)有幾家在芯片級(jí)做得比較可靠。究其原因就是在技術(shù)工藝和制造上的落后。

　　關(guān)于技術(shù)工藝和制造，本文介紹兩點(diǎn)：傳統(tǒng)的MEMS工藝、SOI(絕緣層上硅)的簡(jiǎn)單工藝。實(shí)際上就是把IC工藝和微系統(tǒng)加工工藝的結(jié)合，其中用到了很多在IC方面的工藝手段，例如光刻。如果是SOI要進(jìn)行高溫氧化，還有一層層往上生長(zhǎng)、注入。有一點(diǎn)區(qū)別是，原來(lái)IC工藝大部分是屬于二維加工，但是MEMS的加工大多數(shù)屬于三維加工，所以MEMS的工藝難度和復(fù)雜度大大提高。

　　關(guān)于MEMS的特點(diǎn)，行業(yè)內(nèi)有一條法則：一類(lèi)產(chǎn)品，一個(gè)生產(chǎn)流程，一種組裝方式。不像IC，IC還有摩爾定律可循，IC能把一個(gè)復(fù)雜的設(shè)計(jì)做成標(biāo)準(zhǔn)的工藝化，所以IC上批量很快，甚至有人稱(chēng)賣(mài)IC和賣(mài)白菜差不多，因?yàn)镮C已經(jīng)工藝化和模塊化了。但是MEMS還是各自為政的狀態(tài)，壓力、加速度、位移等每種結(jié)構(gòu)都不一樣，有獨(dú)特的封裝模式。

　　我國(guó)MEMS在三方面落后于國(guó)外先進(jìn)水平，尚需提高。

　　第一，設(shè)計(jì)。難在不是設(shè)計(jì)本身，而是驗(yàn)證設(shè)計(jì)。例如壓力有一對(duì)相對(duì)的矛盾，傳感器的靈敏度和過(guò)壓是一對(duì)不可調(diào)和的矛盾，例如我做成15mm或18mm的，它的靈敏度高，但是過(guò)壓又差了，這些過(guò)程如何在設(shè)計(jì)時(shí)就可以判斷、分析出來(lái)?因?yàn)镸EMS流片的成本較高，如果我們?cè)O(shè)計(jì)得不到位，會(huì)提升前期研發(fā)成本。這就需要很多的模擬儀器設(shè)備，這類(lèi)模擬設(shè)備在全球比較少，生產(chǎn)廠家也往往是定制化的。因此希望政府或聯(lián)盟有這樣的測(cè)試和分析的設(shè)備平臺(tái)。例如在德國(guó)的科研院所或高校有為數(shù)不多的幾臺(tái)，是公開(kāi)為企業(yè)或個(gè)人使用的，只要你愿意承擔(dān)費(fèi)用，而且里面的技術(shù)人員會(huì)告訴你如何測(cè)，會(huì)驗(yàn)證你的設(shè)計(jì)思路。

　　第二，加工和代工。德?tīng)柹荒昵皠倓偦氐街袊?guó)，選擇了江蘇，因?yàn)榻K是芯片制造和MEMS較大的代工基地。然而盡管目前單體設(shè)備挺好，但是沒(méi)有連成線，沒(méi)有批量生產(chǎn)，即沒(méi)有在生產(chǎn)狀態(tài)，也就是加工的經(jīng)驗(yàn)和工藝方面并不成熟?？梢?jiàn)，我國(guó)的代工廠主要集中在IC代工，成熟的MEMS，特別是MEMS壓力傳感器的代工廠在國(guó)內(nèi)還沒(méi)有。

　　第三，封裝。雖然這屬于后工藝，但是在IC行業(yè)的封裝已經(jīng)很成熟了，一個(gè)IC封裝的成本可能就幾分錢(qián)，因?yàn)镮C的封裝對(duì)信號(hào)的影響不大。但是如果是傳感器，盡管它是水平后道工藝，但是其封裝會(huì)對(duì)傳感器起到?jīng)Q定性的影響。例如壓力傳感器的封裝是封裝在什么金屬及什么樣的溫度，這對(duì)于它的特性有影響。所以我國(guó)的一次封裝技術(shù)還是處于初級(jí)階段，一些工廠的封裝還處于半自動(dòng)狀態(tài)，大部分是靠人的經(jīng)驗(yàn)做，這樣會(huì)影響傳感器的一致性。

　　工業(yè)MEMS壓力傳感器的三個(gè)趨勢(shì)

　　第一，集成。會(huì)把更多的器件集成在傳感器上，讓傳感器更加智能化。但是這個(gè)過(guò)程會(huì)有一個(gè)矛盾，德?tīng)柹沧鲞^(guò)這樣的嘗試，把一個(gè)溫度二極管做在了傳感器里，后來(lái)不用這個(gè)溫度二極管了，因?yàn)橛昧艘院髮?duì)壓力測(cè)量產(chǎn)生影響或波動(dòng)，做工業(yè)級(jí)也許沒(méi)有問(wèn)題，但是如果做PA(過(guò)程自動(dòng)化)，特別是做差壓的時(shí)候有影響。所以“集成”應(yīng)該是兩種方向，在一些特定的行業(yè)，例如汽車(chē)、船舶或工業(yè)設(shè)備上集成度越高越好，這樣體積越小、成本越低。但是對(duì)于過(guò)程控制、流程控制等PA級(jí)應(yīng)用，測(cè)壓力的應(yīng)該是獨(dú)立測(cè)壓力的，希望在封裝的時(shí)候做到集成化。例如德?tīng)柹龅墓璞庋b，會(huì)把集成電路直接封裝在里面，它已經(jīng)做到數(shù)字化輸出，在小小的泛15mm、泛18mm、泛19mm的硅組模塊里做到數(shù)字化輸出。同時(shí)芯片對(duì)壓力信號(hào)的特性不影響。

　　第二，靈敏度。預(yù)計(jì)未來(lái)三五年壓力MEMS傳感器會(huì)進(jìn)入紅海市場(chǎng)。但是國(guó)內(nèi)的企業(yè)和博世、霍尼韋爾這樣的公司競(jìng)爭(zhēng)還有一定的差距和難度。當(dāng)然本土企業(yè)也有自己的優(yōu)勢(shì)，所以本土企業(yè)可以往一些特定行業(yè)發(fā)展，像微壓力、微差壓等方面的芯片傳感器，因?yàn)樗母郊又递^高，這就需要改變它的結(jié)構(gòu)，例如增大橋阻值，同時(shí)還要做到微量程的過(guò)壓性能，例如船舶、汽車(chē)等行業(yè)。船級(jí)別驗(yàn)證必須要求過(guò)壓。

　　第三，面向高溫型或者是寬溫區(qū)的MEMS傳感器。讓MEMS技術(shù)和SOI工藝結(jié)合，把MEMS的天生缺陷補(bǔ)足。因?yàn)橐话愕倪m用溫度是150℃，現(xiàn)在SOI的瓶頸是到600℃，600℃以上單晶硅材質(zhì)本身就變化很大。另外還有封裝工藝的問(wèn)題，也是一個(gè)課題。

　　MEMS傳感器的應(yīng)用

　　MEMS的應(yīng)用和差壓傳感器還是比較廣泛的。

　　第一，傳統(tǒng)的PA和FA(工廠自動(dòng)化)。我們補(bǔ)充傳統(tǒng)電容、補(bǔ)充陶瓷，因?yàn)镸EMS的差壓有很好的一致性和穩(wěn)定性，特別是單晶硅材。橫河儀表宣傳7年不需要校阻，是因?yàn)閱尉Ч璞旧砭陀羞@個(gè)特性。除了傳統(tǒng)的工業(yè)應(yīng)用之外，另外幾塊應(yīng)用也是國(guó)家比較關(guān)注的，一個(gè)是船舶及海上作業(yè)平臺(tái)，這方面擴(kuò)散硅的傳感器有一定的缺陷，包括原來(lái)的金屬式和陶瓷式在這些應(yīng)用上有缺陷，所以MEMS在船舶、海上作業(yè)上可以有更多的智能化，信號(hào)更好處理，而且可靠性更強(qiáng)，因?yàn)檫@些地方的調(diào)試和維修成本相當(dāng)高。

　　第二，汽車(chē)與機(jī)修設(shè)備。汽車(chē)的機(jī)械部分已經(jīng)發(fā)展得比較成熟，下一個(gè)十年主要競(jìng)爭(zhēng)是在電子部分。汽車(chē)的MEMS傳感器從加速度、陀螺、位移、胎壓、油管的進(jìn)/出量等等都已經(jīng)采用MEMS傳感器，現(xiàn)在博世、英飛凌和森薩塔等公司壟斷了這塊市場(chǎng)。

　　第三，物聯(lián)網(wǎng)、醫(yī)療衛(wèi)生、環(huán)境技術(shù)和能源管理等，也可利用MEMS傳感器高集成度的特性，和互聯(lián)網(wǎng)相結(jié)合。例如德?tīng)柹罱@得了農(nóng)業(yè)方面的訂單，需要對(duì)農(nóng)業(yè)信號(hào)進(jìn)行集中采集，特點(diǎn)是傳感器越小越好。

　　德?tīng)柹瓎尉Ч鐼EMS壓力傳感器

　　第一，如果做高端傳感器，建議采用高純度的單晶硅材質(zhì)，材質(zhì)的純度越高，穩(wěn)定性包括溫度影響都小，而且建議不要采用硅玻璃方式，硅玻璃的成本比較低，但是玻璃的溫度特性和形變特性和硅有一定的區(qū)別，所以建議采用全硅的硅杯。有多種的建核方式，用硅杯建核力度不夠，或者是微玻璃硅，被稱(chēng)為三明治式硅。單晶硅整體性能會(huì)與復(fù)合硅和擴(kuò)散硅不同。

　　第二，德?tīng)柹捎玫氖请p梁懸浮式MEMS結(jié)構(gòu)，特點(diǎn)是降低了溫度的影響，提高了阻值。德?tīng)柹漠a(chǎn)品阻值是10kΩ，可謂業(yè)內(nèi)最高。阻值高了以后靈敏度增加，噪聲降低，但是阻值也不能太高。德?tīng)柹噲D做30kPa，但是發(fā)熱量有一點(diǎn)大。

　　同時(shí)德?tīng)柹a(chǎn)品從外形結(jié)構(gòu)上一共有6款芯片，現(xiàn)在都已批量生產(chǎn)。標(biāo)準(zhǔn)量程從最小的1kPa開(kāi)始，做到了最小，這不是把芯片磨薄做小量程，這里的1kPa做壓縮的時(shí)候壓縮比也保證了，使精度不會(huì)損失太多，并且可以提高穩(wěn)定性和一致性。

　　另外兩個(gè)特點(diǎn)。德?tīng)柹臏u壓特性做到最好，特別是在小量程，包括中量程，像1kPa是背向過(guò)壓，因?yàn)檎蜻^(guò)壓會(huì)更好，間隔點(diǎn)是薄弱點(diǎn)，背向過(guò)壓達(dá)到了1500倍，可以到1.5MPa，4kPa可以到2.5MPa，40kPa可以到4MPa，這樣對(duì)于微量程的應(yīng)用，無(wú)需中芯的保護(hù)機(jī)構(gòu)。因?yàn)闄C(jī)械的中芯保護(hù)結(jié)構(gòu)會(huì)影響傳感器特性，所以芯片本身的特性好。第一本著德國(guó)風(fēng)格就是要皮實(shí)，第二結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可降低工藝成本和制造成本。長(zhǎng)期穩(wěn)定性可以看到溫度變化下的回差，40kPa可以做到十萬(wàn)分之七和十萬(wàn)分之二的精度。所以除了工業(yè)應(yīng)用外，現(xiàn)在也在往實(shí)驗(yàn)室儀器級(jí)的等級(jí)去做。德?tīng)柹灿须x散型測(cè)試，而且是整個(gè)批量測(cè)試的結(jié)果來(lái)保證產(chǎn)品的一致性。