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MEMS传感器,研发与生产到底有多难?

MEMS传感器,研发与生产到底有多难?

  • 分类:行业洞察
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  • 来源:
  • 发布时间:2020-11-09
  • 访问量:0

MEMS传感器,研发与生产到底有多难?

【概要描述】

  • 分类:行业洞察
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  • 发布时间:2020-11-09
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一、MEMS是传感器的微型化、IC化

微机电系统(Micro-Electro Mechanical System)是指尺寸在几毫米乃至更小的传感器装置,其内部结构一般在微米甚至纳米量级,是一个独立的智能系统。简单理解,MEMS就是将传统传感器的机械部件微型化后,通过三维堆叠技术,例如三维硅穿孔TSV等技术把器件固定在硅晶元(wafer)上,最后根据不同的应用场合采用特殊定制的封装形式,最终切割组装而成的硅基传感器。

MEMS是在半导体制造技术基础上发展起来,是微电路和微机械按功能要求在芯片上的集成,基于光刻、腐蚀等半导体技术,融入超精密机械加工,并结合材料、力学、化学、光学等,使一个毫米或微米级别的MEMS系统具备精确而完整的电气、机械、化学、光学等特性。

传统ECM驻极体电容麦克风/Apple Watch楼氏MEMS硅麦克风

资料来源:SITRI

二、MEMS是微型机械加工与半导体技术的结合,难度高于传统半导体产业

MEMS和传统的半导体产业有着巨大的不同,它是微型机械加工工艺和半导体工艺的结合。MEMS传感器本身一般是个比较复杂的微型物理机械结构,并没有PN结。但同时单个MEMS一般都会集成ASIC芯片并植在硅晶圆片上,再封装测试和切割,后道工艺流程又类似传统COMS工艺流程。

MEMS技术是一种典型的多学科交叉的前沿性研究领域,几乎涉及到自然科学的所有领域,如电子技术、物理学、机械等,在当前 MEMS所能达到的尺寸下,宏观世界基本的物理规律仍然在起作用,但由于尺寸缩小带来的影响,很多物理现象和宏观世界有很大区别,因此很多原来的理论基础都会发生变化,这就决定了 MEMS 技术具有较高的技术壁垒,需要多学科的学者进行基础研究。

MEMS的研究,不仅涉及基础理论、制备工艺、应用技术、还涉及到MEMS技术与其他如通讯技术、计算机技术的结合,更涉及到一些新兴学科和一些前沿技术的综合分析与应用。

MEMS器件制造过程

资料来源:东方证券

三、一种MEMS产品一种工艺,且需要长期、大量的数据来稳定一个工艺

与传统传感器相似,MEMS传感器性能主要取决于材料属性,如结构机械特性、材质化学特性等方面,同时生产工艺对产品的精度、良率等方面均会产生影响,如刻蚀深度、精度,制造过程中材料应力控制等方面。因此,MEMS性能的提升很大程度上不会过分依赖于硅晶圆制程工艺的升级,而更倾向于根据下游应用需求定制设计、对微型机械结构的优化、对不同材料的选择,实现每一款传感器的独特功能。

MEMS没有一个固定成型的标准化的生产工艺流程,每一款MEMS都针对下游特定的应用场合,因而有独特的设计和对应的封装形式。千差万别MEMS器件依赖各种工艺和许多变量,只有经过多年的工艺改进和测试,MEMS器件才能真正被商品化。

研发团队一般需要大量的时间来搜索有关工艺及材料物理特性方面的资料。利用单独一种材料(多晶硅)制得的器件可能需要根据多晶硅的来源及沉积方法来标记工艺中的变化。因此每一种工艺都需要长期、大量的数据来稳定一个工艺。

四、MEMS研发、商业化到大规模应用周期仍需花费十几年时间

随着MEMS技术的发展,虽然研发、商业化到大规模应用的周期有所缩短,但仍长达十几年。

资料来源:Yole

综上,MEMS是传统传感器的微型化、IC化,是微型机械加工与半导体技术的结合,其内部结构一般在微米甚至纳米量级,其研发与生产涉及众多自然学科的基础研究,难度极大,因此,一般情况下,MEMS传感器从研发、商业化到大规模应用需长达十几年。

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