MEMS知多少

了解概念

MEMS全称Micro-Electro-Mechanical System，即微机电系统。

 

MEMS与IC的不同

 

加工对象不同

 

MEMS

 

主要针对微机电系统进行加工制造，对象涵盖微传感器、微执行器等，例如微加速度计、微陀螺仪，注重机械结构与电子电路的集成，实现微型化的机械运动和传感功能。

 

  IC  

 

聚焦于半导体材料（如硅等）来制造集成电路，像CPU、存储芯片等，核心是构建晶体管等电子元件，并实现复杂的电路连接以具备特定的逻辑运算、存储等功能。

 

工艺复杂度不同

 

MEMS
 

除了有类似半导体的光刻、刻蚀等常规步骤外，因要制造出高深宽比的微结构和悬臂结构，往往还需增加如牺牲层工艺等特殊步骤，整体复杂度较高且不同器件间工艺差异可能较大。

  IC  
 

侧重于在半导体衬底上构建多层、高精度的电子电路结构，虽工艺步骤繁多但相对标准化程度较高，尤其是大规模生产同类型芯片时，可按成熟流程高效开展。

 

材料不同

 

MEMS

 

除常用的硅材料外，还会使用多种材料，如压电材料（用于实现机械能和电能转换）、金属材料（构建电极、连接等）等，不同功能结构采用不同材料组合。

  IC  

 

主要以硅等半导体材料为基础，辅以少量的金属（用于布线等）、绝缘材料（实现隔离）等，材料种类相对较为集中，重点是利用半导体的电学特性构建电路。

 

MEMS产品类别

MEMS 传感器按感知物理量分为五大类别

01

力学传感器

感知力、压力、加速度等力学信号，是应用最广的类别。

典型产品：加速度计（手机横竖屏切换）、陀螺仪（手机游戏姿态控制）、压力传感器（电子血压计）。

02

声学传感器

将声音信号（机械振动）转化为电信号。

典型产品：MEMS 麦克风（耳机、手机录音）、MEMS 扬声器（微型音响设备）。

03

光学传感器

检测光的强度、波长、相位等光学特性。

典型产品：MEMS 红外传感器（体温枪）、MEMS 微镜（投影仪、激光雷达）。

04

磁学传感器

感知磁场强度和方向。

典型产品：MEMS 磁强计（手机指南针、导航定位辅助）。

05

环境传感器

检测温度、湿度、气体等环境参数，部分依赖微机械结构实现。

典型产品：MEMS 温湿度传感器（智能家居）、MEMS 气体传感器（空气质量检测仪）。

 

不同 MEMS 传感器及其典型应用场景的对照表：

点击查看大图

MEMS晶圆的选择

不同类型的 MEMS 传感器根据其性能要求和工作原理，会采用不同的晶圆材料和结构。

01

加速度计和陀螺仪

加速度计和陀螺仪通常采用单晶硅晶圆、SOI晶圆，利用硅的压阻效应或电容变化来检测加速度和角速度。

02

压力传感器

单晶硅晶圆是压力传感器的常用选择，通过压阻效应将压力转换为电信号。对于一些需要在高温或恶劣环境下工作的压力传感器，会采用SiC晶圆，其禁带宽度大，能耐受 500℃以上高温。此外，SOI 晶圆也可用于压力传感器，实现三维结构的精准定义。

03

声学传感器

SOI 晶圆可用于声学传感器（包括麦克风和扬声器等）

04

光学传感器

SOI晶圆是光学传感器常用的衬底，带有薄膜的空腔型 SOI 硅片可用于超声波换能器。

05

谐振器

可采用全系列的键合SOI晶圆或带内置图案的晶圆作为谐振器的衬底。

 

对于简单结构、无特殊空间或材料集成需求的MEMS器件，可直接在单晶圆上完成制造，而多层结构集成、异质材料集成、需要形成封闭空腔的MEMS器件，晶圆必定需要依赖键合工艺实现核心功能。

 

MEMS封装切割要点

MEMS封装过程中，对晶圆的切割，核心是在不损伤微机械结构的前提下，实现高精度、低应力的分离。传统IC晶圆切割有显著区别的是，MEMS器件含有悬空结构、薄膜或空腔，切割过程中的应力、污染稍有不慎就会导致器件失效。

 

划片刀为接触式切割，适用于多数硅基MEMS晶圆，比如MEMS麦克风。因为切割时产生较大机械应力，所以需配合高压冷却液，防止结构污染或热损伤。必要时可采用分步切割，先切浅槽再切透，减少单次切割的应力冲击。对于结构脆弱的MEMS晶圆，需要采用非接触式的激光切割。