了解概念

MEMS全稱Micro-Electro-Mechanical System，即微機電系統(tǒng)。

MEMS與IC的不同

加工對象不同

MEMS

主要針對微機電系統(tǒng)進行加工制造，對象涵蓋微傳感器、微執(zhí)行器等，例如微加速度計、微陀螺儀，注重機械結(jié)構(gòu)與電子電路的集成，實現(xiàn)微型化的機械運動和傳感功能。

IC

聚焦于半導(dǎo)體材料（如硅等）來制造集成電路，像CPU、存儲芯片等，核心是構(gòu)建晶體管等電子元件，并實現(xiàn)復(fù)雜的電路連接以具備特定的邏輯運算、存儲等功能。

工藝復(fù)雜度不同

MEMS

除了有類似半導(dǎo)體的光刻、刻蝕等常規(guī)步驟外，因要制造出高深寬比的微結(jié)構(gòu)和懸臂結(jié)構(gòu)，往往還需增加如犧牲層工藝等特殊步驟，整體復(fù)雜度較高且不同器件間工藝差異可能較大。

IC

側(cè)重于在半導(dǎo)體襯底上構(gòu)建多層、高精度的電子電路結(jié)構(gòu)，雖工藝步驟繁多但相對標(biāo)準(zhǔn)化程度較高，尤其是大規(guī)模生產(chǎn)同類型芯片時，可按成熟流程高效開展。

材料不同

MEMS

除常用的硅材料外，還會使用多種材料，如壓電材料（用于實現(xiàn)機械能和電能轉(zhuǎn)換）、金屬材料（構(gòu)建電極、連接等）等，不同功能結(jié)構(gòu)采用不同材料組合。

IC

主要以硅等半導(dǎo)體材料為基礎(chǔ)，輔以少量的金屬（用于布線等）、絕緣材料（實現(xiàn)隔離）等，材料種類相對較為集中，重點是利用半導(dǎo)體的電學(xué)特性構(gòu)建電路。

MEMS產(chǎn)品類別

MEMS 傳感器按感知物理量分為五大類別

01

力學(xué)傳感器

感知力、壓力、加速度等力學(xué)信號，是應(yīng)用最廣的類別。

典型產(chǎn)品：加速度計（手機橫豎屏切換）、陀螺儀（手機游戲姿態(tài)控制）、壓力傳感器（電子血壓計）。

02

聲學(xué)傳感器

將聲音信號（機械振動）轉(zhuǎn)化為電信號。

典型產(chǎn)品：MEMS 麥克風(fēng)（耳機、手機錄音）、MEMS 揚聲器（微型音響設(shè)備）。

03

光學(xué)傳感器

檢測光的強度、波長、相位等光學(xué)特性。

典型產(chǎn)品：MEMS 紅外傳感器（體溫槍）、MEMS 微鏡（投影儀、激光雷達）。

04

磁學(xué)傳感器

感知磁場強度和方向。

典型產(chǎn)品：MEMS 磁強計（手機指南針、導(dǎo)航定位輔助）。

05

環(huán)境傳感器

檢測溫度、濕度、氣體等環(huán)境參數(shù)，部分依賴微機械結(jié)構(gòu)實現(xiàn)。

典型產(chǎn)品：MEMS 溫濕度傳感器（智能家居）、MEMS 氣體傳感器（空氣質(zhì)量檢測儀）。

不同 MEMS 傳感器及其典型應(yīng)用場景的對照表：

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MEMS晶圓的選擇

不同類型的 MEMS 傳感器根據(jù)其性能要求和工作原理，會采用不同的晶圓材料和結(jié)構(gòu)。

01

加速度計和陀螺儀

加速度計和陀螺儀通常采用單晶硅晶圓、SOI晶圓，利用硅的壓阻效應(yīng)或電容變化來檢測加速度和角速度。

02

壓力傳感器

單晶硅晶圓是壓力傳感器的常用選擇，通過壓阻效應(yīng)將壓力轉(zhuǎn)換為電信號。對于一些需要在高溫或惡劣環(huán)境下工作的壓力傳感器，會采用SiC晶圓，其禁帶寬度大，能耐受 500℃以上高溫。此外，SOI 晶圓也可用于壓力傳感器，實現(xiàn)三維結(jié)構(gòu)的精準(zhǔn)定義。

03

聲學(xué)傳感器

SOI 晶圓可用于聲學(xué)傳感器（包括麥克風(fēng)和揚聲器等）

04

光學(xué)傳感器

SOI晶圓是光學(xué)傳感器常用的襯底，帶有薄膜的空腔型 SOI 硅片可用于超聲波換能器。

05

諧振器

可采用全系列的鍵合SOI晶圓或帶內(nèi)置圖案的晶圓作為諧振器的襯底。

對于簡單結(jié)構(gòu)、無特殊空間或材料集成需求的MEMS器件，可直接在單晶圓上完成制造，而多層結(jié)構(gòu)集成、異質(zhì)材料集成、需要形成封閉空腔的MEMS器件，晶圓必定需要依賴鍵合工藝實現(xiàn)核心功能。

MEMS封裝切割要點

MEMS封裝過程中，對晶圓的切割，核心是在不損傷微機械結(jié)構(gòu)的前提下，實現(xiàn)高精度、低應(yīng)力的分離。傳統(tǒng)IC晶圓切割有顯著區(qū)別的是，MEMS器件含有懸空結(jié)構(gòu)、薄膜或空腔，切割過程中的應(yīng)力、污染稍有不慎就會導(dǎo)致器件失效。

劃片刀為接觸式切割，適用于多數(shù)硅基MEMS晶圓，比如MEMS麥克風(fēng)。因為切割時產(chǎn)生較大機械應(yīng)力，所以需配合高壓冷卻液，防止結(jié)構(gòu)污染或熱損傷。必要時可采用分步切割，先切淺槽再切透，減少單次切割的應(yīng)力沖擊。對于結(jié)構(gòu)脆弱的MEMS晶圓，需要采用非接觸式的激光切割。