MEMS传感器概念、分类等基础知识详解

关于MEMS传感器的基础知识，你了解多少？本文将从MEMS传感器的概念、制造及工艺、MEMS传感器与传统传感器的区别、MEMS传感器的分类几大部分详解，帮助初识MEMS传感器的读者快速了解这一重要器件。

传感器发展到今天，小型化、智能化、集成化，已经是升级换代的必由之路。今天，我们来为大家介绍一下传感器家族的mini型产品——­­MEMS传感器。

什么是MEMS传感器？

MEMS的全称是微型电子机械系统（Micro-ElectroMechanical System），微机电系统是指可批量制作的，将微型机构、微型传感器、微型执行器以及信号处理和控制电路、直至接口、通信和电源等集成于一块或多块芯片上的微型器件或系统。而MEMS传感器就是采用微电子和微机械加工技术制造出来的新型传感器。

MEMS是用传统的半导体工艺和材料，以半导体制造技术为基础发展起来的一种先进的制造技术，学科交叉现象极其明显，主要涉及微加工技术，机械学/固体声波理论，热流理论，电子学、材料、物理学、化学、生物学、医学等等。经过四十多年的发展，已成为世界瞩目的重大科技领域之一。

加工工艺：

MEMS技术基于已经相当成熟的微电子技术、集成电路技术及其加工工艺。它与传统的IC工艺有许多相似之处，如光刻、薄膜沉积、掺杂、刻蚀、化学机械抛光工艺等，但是有些复杂的微结构难以用IC工艺实现，必须采用微加工技术制造。

微加工技术包括硅的体微加工技术、表面微加工技术和特殊微加工技术。体加工技术是指沿着硅衬底的厚度方向对硅衬底进行刻蚀的工艺，包括湿法刻蚀和干法刻蚀，是实现三维结构的重要方法。表面微加工是采用薄膜沉积、光刻以及刻蚀工艺，通过在牺牲层薄膜上沉积结构层薄膜，然后去除牺牲层释放结构层实现可动结构。

除了上述两种微加工技术以外，MEMS制造还广泛地使用多种特殊加工方法，其中常见的方法包括键合、LIGA、电镀、软光刻、微模铸、微立体光刻与微电火花加工等。

应用材料：

硅基材料：大部分集成电路和MEMS的原材料是硅（Si），这个神奇的VI族元素可以从二氧化硅中大量提取出来。而二氧化硅是什么？说的通俗一点，就是沙子。沙子君在经历了一系列复杂的加工过程之后，就变成了单晶硅，长这个样子：

这个长长的大柱子，直径可以是 1 inch （2.5 cm） 到 12 inch （30 cm），被切成一层层 500 微米厚的硅片 （英文：wafer，和威化饼同词），长这个样子：

采用以硅为主的材料，电气性能优良，硅材料的强度、硬度和杨氏模量与铁相当，密度与铝类似，热传导率接近钼和钨。若单个MEMS传感器芯片面积为5 mm x 5 mm，则一个8英寸（直径20厘米）硅片（wafer）可切割出约1000个MEMS传感器芯片，分摊到每个芯片的成本则可大幅度降低。

非硅材料：近年来，MEMS的材料应用上有被非硅材料逐渐替代的现象，学术研究人员现在开始专注于开发聚合物和纸基微型器件。利用这些材料开发的器件，不仅工艺环保，而且制作设备简单、成本较低。相对硅材料，它们大幅缩减了研发经费预算。许多聚合物和纸基微型器件的创新都指向了医疗应用，对该领域来说，生物相容性和材料的柔性是基本要求。

纸基和聚合物微型器件的功能和性能开发，目前还处于相对早期的阶段，这类器件的生产设施现今也还没有开发出来。这些新技术的成熟和商业化，可能还需要超过10年的时间。所以，基于硅材料的微型器件研究，还有很多创新工作要做，不然就会面临发展停滞的风险。

技术优势：

用MEMS工艺制造传感器、执行器或者微结构， 具有微型化、集成化、智能化、成本低、效能高、可大批量生产等特点， 产能高，良品率高。MEMS技术使数以万计的MEMS芯片（有些工艺也会把集成电路芯片放在同一步骤加工）出现在了每一片wafer上面，如下图所示。

这种批量生产（batch process）的过程目前已经全自动化控制，隔离了人为因素，确保了每一个MEMS芯片之间的工艺误差可以得到严格的控制，从而提高了良品率。切片、封装之后，就成为了一个个的MEMS芯片。从外观上来看，大部分的MEMS芯片和集成电路芯片是差不多的。

综上所述，微米量级的特征尺寸使MEMS传感器可以完成某些传统机械传感器所不能实现的功能。是微型传感器的主力军，正在逐渐取代传统机械传感器，普遍应用于消费电子产品、汽车工业、航空航天、机械、化工及医药等各领域。常见产品有压力传感器，加速度计，陀螺，静电致动光投影显示器，DNA扩增微系统，催化传感器。

与传统传感器的区别：

在下面的图