前言：重慶德爾森傳感器技術有限公司運營總裁牟恒博士介紹了MEMS(微機電系統(tǒng))壓力傳感器的歷史和現狀，技術設計到制作工藝，及在行業(yè)的應用狀況。
MEMS壓力傳感器歷史和現狀
壓力傳感器有傳統(tǒng)的壓力式傳感器;另一大類是MEMS傳感器。
傳統(tǒng)的機械量式的傳感器可以是金屬，也可以是陶瓷，也有藍寶石和其他各種材質，并在這類材質上布電路、做電容、做電阻……，以帶來電信號的變化。
MEMS傳感器是隨著IC(集成電路)技術的發(fā)展而興起的。它的原理還是機械量式相似，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，還可以把一些運算和ADC集成在一起。
歷史上，MEMS技術起步較早，最早源于美國的，霍尼韋爾公司比較領先。最早史密斯先生(C.S. Smith)于1945年發(fā)現了硅與鍺的壓阻效應，這就可以和傳統(tǒng)的機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。擴散微技術可以很方便地把電阻、接線片等在硅的晶圓片上進行加工。后來為了提高靈敏度，就開始在硅的背面加工成凹形，這時就有了硅杯結構。
MEMS傳感器在上世紀七八十年代主要還停留在實驗室階段。80年代后期到90年代，隨著半導體加工工藝越來越成熟，鍍膜技術、光刻技術還有異形加工等可以對硅片在各個方面進行加工，使MEMS傳感器可以進行商業(yè)化的生產，量產化的產品出現。從90年代開始納米技術提升了MEMS商用化的可能性，因為之前的硅傳感器尺寸做得還是比較大，和陶瓷相比沒有太多的優(yōu)勢。隨著納米技術的出現，可以在微米級的薄膜厚度上操作。有這樣的加工工藝之后，就可以從4寸開始，到6寸、8寸，直接加工成各種各樣的MEMS硅材質、復合硅和壓力硅。在MEMS產品中，壓力相對是比較難做的一塊。
我國對MEMS技術也很重視，從1989年開始立項，研究MEMS產業(yè)化。特別是十五計劃將MEMS計劃也列入863重大專項，國家每年有十幾億元投入到MEMS中。到目前為止，國內的MEMS研發(fā)機構較多，但是目前可能還是依托于以前的軍工院所，例如49所、13所，包括沈陽工藝研究所等，同時各大高校，諸如北京大學、清華大學、重慶大學等有自己的MEMS研究實驗室。我國也在建納米城，在無錫物聯(lián)網中心建了MEMS研發(fā)平臺。因此，我國目前在微機械部分有一定的競爭力。現在一共是1600多家，接近1700多家MEMS廠家，壓力類估計有七八十家。因此，我國已經具備一定的MEMS的微機加工能力。
國內IC代工廠的快速成長對MEMS行業(yè)也有很大的助推，諸如臺積電(TSMC)和中芯國際(SMIC)等廠家。因為MEMS技術和IC技術是融合的，現在有一些IC廠家也在做轉型，從IC向MEMS轉型。
但是也出現的問題，我們的理論研究水平和國際相比相差不大，即產業(yè)布局、MEMS理論、硅杯結構的能力還是不錯的，但是我們落后三個方面：1)工藝設計、制造技術和產業(yè)化推進。例如我們畫一張圖紙可以，但是要按圖把它加工出來有一定的難度。2)測試技術，例如晶圓測試和美國、日本、德國有差距。3)產業(yè)化推進，需要更多的會議/展會，更多地和用戶共同開發(fā)產品。牟橫博士介紹了德國的經驗，德國有四大院所系統(tǒng)，模式是和企業(yè)合作，而且向企業(yè)收費，即更加市場化。四大院所研發(fā)的產品、做的工藝都是為企業(yè)服務的，因為企業(yè)不可能建這么大的平臺。
我國的MEMS技術工藝和制造特點
國外的MEMS已經進行了規(guī)模和量產。我國目前還是比較分散的，相對沒有幾家在芯片級做得比較可靠。究其原因就是在技術工藝和制造上的落后。
關于技術工藝和制造，本文介紹兩點：傳統(tǒng)的MEMS工藝、SOI(絕緣層上硅)的簡單工藝。實際上就是把IC工藝和微系統(tǒng)加工工藝的結合，其中用到了很多在IC方面的工藝手段，例如光刻。如果是SOI要進行高溫氧化，還有一層層往上生長、注入。有一點區(qū)別是，原來IC工藝大部分是屬于二維加工，但是MEMS的加工大多數屬于三維加工，所以MEMS的工藝難度和復雜度大大提高。
關于MEMS的特點，行業(yè)內有一條法則：一類產品，一個生產流程，一種組裝方式。不像IC，IC還有摩爾定律可循，IC能把一個復雜的設計做成標準的工藝化，所以IC上批量很快，甚至有人稱賣IC和賣白菜差不多，因為IC已經工藝化和模塊化了。但是MEMS還是各自為政的狀態(tài)，壓力、加速度、位移等每種結構都不一樣，有獨特的封裝模式。
我國MEMS在三方面落后于國外先進水平，尚需提高。
第一，設計。難在不是設計本身，而是驗證設計。例如壓力有一對相對的矛盾，傳感器的靈敏度和過壓是一對不可調和的矛盾，例如我做成15mm或18mm的，它的靈敏度高，但是過壓又差了，這些過程如何在設計時就可以判斷、分析出來?因為MEMS流片的成本較高，如果我們設計得不到位，會提升前期研發(fā)成本。這就需要很多的模擬儀器設備，這類模擬設備在全球比較少，生產廠家也往往是定制化的。因此希望政府或聯(lián)盟有這樣的測試和分析的設備平臺。例如在德國的科研院所或高校有為數不多的幾臺，是公開為企業(yè)或個人使用的，只要你愿意承擔費用，而且里面的技術人員會告訴你如何測，會驗證你的設計思路。
第二，加工和代工。德爾森一年前剛剛回到中國，選擇了江蘇，因為江蘇是芯片制造和MEMS較大的代工基地。然而盡管目前單體設備挺好，但是沒有連成線，沒有批量生產，即沒有在生產狀態(tài)，也就是加工的經驗和工藝方面并不成熟。可見，我國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內還沒有。
第三，封裝。雖然這屬于后工藝，但是在IC行業(yè)的封裝已經很成熟了，一個IC封裝的成本可能就幾分錢，因為IC的封裝對信號的影響不大。但是如果是傳感器，盡管它是水平后道工藝，但是其封裝會對傳感器起到決定性的影響。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，這對于它的特性有影響。所以我國的一次封裝技術還是處于初級階段，一些工廠的封裝還處于半自動狀態(tài)，大部分是靠人的經驗做，這樣會影響傳感器的一致性。
工業(yè)MEMS壓力傳感器的三個趨勢
第一，集成。會把更多的器件集成在傳感器上，讓傳感器更加智能化。但是這個過程會有一個矛盾，德爾森也做過這樣的嘗試，把一個溫度二極管做在了傳感器里，后來不用這個溫度二極管了，因為用了以后對壓力測量產生影響或波動，做工業(yè)級也許沒有問題，但是如果做PA(過程自動化)，特別是做差壓的時候有影響。所以“集成”應該是兩種方向，在一些特定的行業(yè)，例如汽車、船舶或工業(yè)設備上集成度越高越好，這樣體積越小、成本越低。但是對于過程控制、流程控制等PA級應用，測壓力的應該是獨立測壓力的，希望在封裝的時候做到集成化。例如德爾森做的硅杯封裝，會把集成電路直接封裝在里面，它已經做到數字化輸出，在小小的泛15mm、泛18mm、泛19mm的硅組模塊里做到數字化輸出。同時芯片對壓力信號的特性不影響。
第二，靈敏度。預計未來三五年壓力MEMS傳感器會進入紅海市場。但是國內的企業(yè)和博世、霍尼韋爾這樣的公司競爭還有一定的差距和難度。當然本土企業(yè)也有自己的優(yōu)勢，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，因為它的附加值較高，這就需要改變它的結構，例如增大橋阻值，同時還要做到微量程的過壓性能，例如船舶、汽車等行業(yè)。船級別驗證必須要求過壓。
第三，面向高溫型或者是寬溫區(qū)的MEMS傳感器。讓MEMS技術和SOI工藝結合，把MEMS的天生缺陷補足。因為一般的適用溫度是150℃，現在SOI的瓶頸是到600℃，600℃以上單晶硅材質本身就變化很大。另外還有封裝工藝的問題，也是一個課題。
MEMS傳感器的應用
MEMS的應用和差壓傳感器還是比較廣泛的。
第一，傳統(tǒng)的PA和FA(工廠自動化)。我們補充傳統(tǒng)電容、補充陶瓷，因為MEMS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，是因為單晶硅本身就有這個特性。除了傳統(tǒng)的工業(yè)應用之外，另外幾塊應用也是國家比較關注的，一個是船舶及海上作業(yè)平臺，這方面擴散硅的傳感器有一定的缺陷，包括原來的金屬式和陶瓷式在這些應用上有缺陷，所以MEMS在船舶、海上作業(yè)上可以有更多的智能化，信號更好處理，而且可靠性更強，因為這些地方的調試和維修成本相當高。
第二，汽車與機修設備。汽車的機械部分已經發(fā)展得比較成熟，下一個十年主要競爭是在電子部分。汽車的MEMS傳感器從加速度、陀螺、位移、胎壓、油管的進/出量等等都已經采用MEMS傳感器，現在博世、英飛凌和森薩塔等公司壟斷了這塊市場。
第三，物聯(lián)網、醫(yī)療衛(wèi)生、環(huán)境技術和能源管理等，也可利用MEMS傳感器高集成度的特性，和互聯(lián)網相結合。例如德爾森最近獲得了農業(yè)方面的訂單，需要對農業(yè)信號進行集中采集，特點是傳感器越小越好。
德爾森單晶硅MEMS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，材質的純度越高，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，被稱為三明治式硅。單晶硅整體性能會與復合硅和擴散硅不同。
第二，德爾森采用的是雙梁懸浮式MEMS結構，特點是降低了溫度的影響，提高了阻值。德爾森的產品阻值是10kΩ，可謂業(yè)內最高。阻值高了以后靈敏度增加，噪聲降低，但是阻值也不能太高。德爾森試圖做30kPa，但是發(fā)熱量有一點大。
同時德爾森產品從外形結構上一共有6款芯片，現在都已批量生產。標準量程從最小的1kPa開始，做到了最小，這不是把芯片磨薄做小量程，這里的1kPa做壓縮的時候壓縮比也保證了，使精度不會損失太多，并且可以提高穩(wěn)定性和一致性。
另外兩個特點。德爾森的渦壓特性做到最好，特別是在小量程，包括中量程，像1kPa是背向過壓，因為正向過壓會更好，間隔點是薄弱點，背向過壓達到了1500倍，可以到1.5MPa，4kPa可以到2.5MPa，40kPa可以到4MPa，這樣對于微量程的應用，無需中芯的保護機構。因為機械的中芯保護結構會影響傳感器特性，所以芯片本身的特性好。第一本著德國風格就是要皮實，第二結構簡單，可降低工藝成本和制造成本。長期穩(wěn)定性可以看到溫度變化下的回差，40kPa可以做到十萬分之七和十萬分之二的精度。所以除了工業(yè)應用外，現在也在往實驗室儀器級的等級去做。德爾森也有離散型測試，而且是整個批量測試的結果來保證產品的一致性。(圖說智能化整理編輯)
MEMS壓力傳感器歷史和現狀
壓力傳感器有傳統(tǒng)的壓力式傳感器;另一大類是MEMS傳感器。
傳統(tǒng)的機械量式的傳感器可以是金屬，也可以是陶瓷，也有藍寶石和其他各種材質，并在這類材質上布電路、做電容、做電阻……，以帶來電信號的變化。
MEMS傳感器是隨著IC(集成電路)技術的發(fā)展而興起的。它的原理還是機械量式相似，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，還可以把一些運算和ADC集成在一起。
歷史上，MEMS技術起步較早，最早源于美國的，霍尼韋爾公司比較領先。最早史密斯先生(C.S. Smith)于1945年發(fā)現了硅與鍺的壓阻效應，這就可以和傳統(tǒng)的機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。擴散微技術可以很方便地把電阻、接線片等在硅的晶圓片上進行加工。后來為了提高靈敏度，就開始在硅的背面加工成凹形，這時就有了硅杯結構。
MEMS傳感器在上世紀七八十年代主要還停留在實驗室階段。80年代后期到90年代，隨著半導體加工工藝越來越成熟，鍍膜技術、光刻技術還有異形加工等可以對硅片在各個方面進行加工，使MEMS傳感器可以進行商業(yè)化的生產，量產化的產品出現。從90年代開始納米技術提升了MEMS商用化的可能性，因為之前的硅傳感器尺寸做得還是比較大，和陶瓷相比沒有太多的優(yōu)勢。隨著納米技術的出現，可以在微米級的薄膜厚度上操作。有這樣的加工工藝之后，就可以從4寸開始，到6寸、8寸，直接加工成各種各樣的MEMS硅材質、復合硅和壓力硅。在MEMS產品中，壓力相對是比較難做的一塊。
我國對MEMS技術也很重視，從1989年開始立項，研究MEMS產業(yè)化。特別是十五計劃將MEMS計劃也列入863重大專項，國家每年有十幾億元投入到MEMS中。到目前為止，國內的MEMS研發(fā)機構較多，但是目前可能還是依托于以前的軍工院所，例如49所、13所，包括沈陽工藝研究所等，同時各大高校，諸如北京大學、清華大學、重慶大學等有自己的MEMS研究實驗室。我國也在建納米城，在無錫物聯(lián)網中心建了MEMS研發(fā)平臺。因此，我國目前在微機械部分有一定的競爭力。現在一共是1600多家，接近1700多家MEMS廠家，壓力類估計有七八十家。因此，我國已經具備一定的MEMS的微機加工能力。
國內IC代工廠的快速成長對MEMS行業(yè)也有很大的助推，諸如臺積電(TSMC)和中芯國際(SMIC)等廠家。因為MEMS技術和IC技術是融合的，現在有一些IC廠家也在做轉型，從IC向MEMS轉型。
但是也出現的問題，我們的理論研究水平和國際相比相差不大，即產業(yè)布局、MEMS理論、硅杯結構的能力還是不錯的，但是我們落后三個方面：1)工藝設計、制造技術和產業(yè)化推進。例如我們畫一張圖紙可以，但是要按圖把它加工出來有一定的難度。2)測試技術，例如晶圓測試和美國、日本、德國有差距。3)產業(yè)化推進，需要更多的會議/展會，更多地和用戶共同開發(fā)產品。牟橫博士介紹了德國的經驗，德國有四大院所系統(tǒng)，模式是和企業(yè)合作，而且向企業(yè)收費，即更加市場化。四大院所研發(fā)的產品、做的工藝都是為企業(yè)服務的，因為企業(yè)不可能建這么大的平臺。
我國的MEMS技術工藝和制造特點
國外的MEMS已經進行了規(guī)模和量產。我國目前還是比較分散的，相對沒有幾家在芯片級做得比較可靠。究其原因就是在技術工藝和制造上的落后。
關于技術工藝和制造，本文介紹兩點：傳統(tǒng)的MEMS工藝、SOI(絕緣層上硅)的簡單工藝。實際上就是把IC工藝和微系統(tǒng)加工工藝的結合，其中用到了很多在IC方面的工藝手段，例如光刻。如果是SOI要進行高溫氧化，還有一層層往上生長、注入。有一點區(qū)別是，原來IC工藝大部分是屬于二維加工，但是MEMS的加工大多數屬于三維加工，所以MEMS的工藝難度和復雜度大大提高。
關于MEMS的特點，行業(yè)內有一條法則：一類產品，一個生產流程，一種組裝方式。不像IC，IC還有摩爾定律可循，IC能把一個復雜的設計做成標準的工藝化，所以IC上批量很快，甚至有人稱賣IC和賣白菜差不多，因為IC已經工藝化和模塊化了。但是MEMS還是各自為政的狀態(tài)，壓力、加速度、位移等每種結構都不一樣，有獨特的封裝模式。
我國MEMS在三方面落后于國外先進水平，尚需提高。
第一，設計。難在不是設計本身，而是驗證設計。例如壓力有一對相對的矛盾，傳感器的靈敏度和過壓是一對不可調和的矛盾，例如我做成15mm或18mm的，它的靈敏度高，但是過壓又差了，這些過程如何在設計時就可以判斷、分析出來?因為MEMS流片的成本較高，如果我們設計得不到位，會提升前期研發(fā)成本。這就需要很多的模擬儀器設備，這類模擬設備在全球比較少，生產廠家也往往是定制化的。因此希望政府或聯(lián)盟有這樣的測試和分析的設備平臺。例如在德國的科研院所或高校有為數不多的幾臺，是公開為企業(yè)或個人使用的，只要你愿意承擔費用，而且里面的技術人員會告訴你如何測，會驗證你的設計思路。
第二，加工和代工。德爾森一年前剛剛回到中國，選擇了江蘇，因為江蘇是芯片制造和MEMS較大的代工基地。然而盡管目前單體設備挺好，但是沒有連成線，沒有批量生產，即沒有在生產狀態(tài)，也就是加工的經驗和工藝方面并不成熟。可見，我國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內還沒有。
第三，封裝。雖然這屬于后工藝，但是在IC行業(yè)的封裝已經很成熟了，一個IC封裝的成本可能就幾分錢，因為IC的封裝對信號的影響不大。但是如果是傳感器，盡管它是水平后道工藝，但是其封裝會對傳感器起到決定性的影響。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，這對于它的特性有影響。所以我國的一次封裝技術還是處于初級階段，一些工廠的封裝還處于半自動狀態(tài)，大部分是靠人的經驗做，這樣會影響傳感器的一致性。
工業(yè)MEMS壓力傳感器的三個趨勢
第一，集成。會把更多的器件集成在傳感器上，讓傳感器更加智能化。但是這個過程會有一個矛盾，德爾森也做過這樣的嘗試，把一個溫度二極管做在了傳感器里，后來不用這個溫度二極管了，因為用了以后對壓力測量產生影響或波動，做工業(yè)級也許沒有問題，但是如果做PA(過程自動化)，特別是做差壓的時候有影響。所以“集成”應該是兩種方向，在一些特定的行業(yè)，例如汽車、船舶或工業(yè)設備上集成度越高越好，這樣體積越小、成本越低。但是對于過程控制、流程控制等PA級應用，測壓力的應該是獨立測壓力的，希望在封裝的時候做到集成化。例如德爾森做的硅杯封裝，會把集成電路直接封裝在里面，它已經做到數字化輸出，在小小的泛15mm、泛18mm、泛19mm的硅組模塊里做到數字化輸出。同時芯片對壓力信號的特性不影響。
第二，靈敏度。預計未來三五年壓力MEMS傳感器會進入紅海市場。但是國內的企業(yè)和博世、霍尼韋爾這樣的公司競爭還有一定的差距和難度。當然本土企業(yè)也有自己的優(yōu)勢，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，因為它的附加值較高，這就需要改變它的結構，例如增大橋阻值，同時還要做到微量程的過壓性能，例如船舶、汽車等行業(yè)。船級別驗證必須要求過壓。
第三，面向高溫型或者是寬溫區(qū)的MEMS傳感器。讓MEMS技術和SOI工藝結合，把MEMS的天生缺陷補足。因為一般的適用溫度是150℃，現在SOI的瓶頸是到600℃，600℃以上單晶硅材質本身就變化很大。另外還有封裝工藝的問題，也是一個課題。
MEMS傳感器的應用
MEMS的應用和差壓傳感器還是比較廣泛的。
第一，傳統(tǒng)的PA和FA(工廠自動化)。我們補充傳統(tǒng)電容、補充陶瓷，因為MEMS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，是因為單晶硅本身就有這個特性。除了傳統(tǒng)的工業(yè)應用之外，另外幾塊應用也是國家比較關注的，一個是船舶及海上作業(yè)平臺，這方面擴散硅的傳感器有一定的缺陷，包括原來的金屬式和陶瓷式在這些應用上有缺陷，所以MEMS在船舶、海上作業(yè)上可以有更多的智能化，信號更好處理，而且可靠性更強，因為這些地方的調試和維修成本相當高。
第二，汽車與機修設備。汽車的機械部分已經發(fā)展得比較成熟，下一個十年主要競爭是在電子部分。汽車的MEMS傳感器從加速度、陀螺、位移、胎壓、油管的進/出量等等都已經采用MEMS傳感器，現在博世、英飛凌和森薩塔等公司壟斷了這塊市場。
第三，物聯(lián)網、醫(yī)療衛(wèi)生、環(huán)境技術和能源管理等，也可利用MEMS傳感器高集成度的特性，和互聯(lián)網相結合。例如德爾森最近獲得了農業(yè)方面的訂單，需要對農業(yè)信號進行集中采集，特點是傳感器越小越好。
德爾森單晶硅MEMS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，材質的純度越高，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，被稱為三明治式硅。單晶硅整體性能會與復合硅和擴散硅不同。
第二，德爾森采用的是雙梁懸浮式MEMS結構，特點是降低了溫度的影響，提高了阻值。德爾森的產品阻值是10kΩ，可謂業(yè)內最高。阻值高了以后靈敏度增加，噪聲降低，但是阻值也不能太高。德爾森試圖做30kPa，但是發(fā)熱量有一點大。
同時德爾森產品從外形結構上一共有6款芯片，現在都已批量生產。標準量程從最小的1kPa開始，做到了最小，這不是把芯片磨薄做小量程，這里的1kPa做壓縮的時候壓縮比也保證了，使精度不會損失太多，并且可以提高穩(wěn)定性和一致性。
另外兩個特點。德爾森的渦壓特性做到最好，特別是在小量程，包括中量程，像1kPa是背向過壓，因為正向過壓會更好，間隔點是薄弱點，背向過壓達到了1500倍，可以到1.5MPa，4kPa可以到2.5MPa，40kPa可以到4MPa，這樣對于微量程的應用，無需中芯的保護機構。因為機械的中芯保護結構會影響傳感器特性，所以芯片本身的特性好。第一本著德國風格就是要皮實，第二結構簡單，可降低工藝成本和制造成本。長期穩(wěn)定性可以看到溫度變化下的回差，40kPa可以做到十萬分之七和十萬分之二的精度。所以除了工業(yè)應用外，現在也在往實驗室儀器級的等級去做。德爾森也有離散型測試，而且是整個批量測試的結果來保證產品的一致性。(圖說智能化整理編輯)
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