MEMS（Micro Electromechanical System，即微電子機(jī)械系統(tǒng)）是指集微型傳感器,、執(zhí)行器以及信號處理和控制電路,、接口電路、通信和電源于一體的微型機(jī)電系統(tǒng),。它是在融合多種微細(xì)加工技術(shù),，并應(yīng)用現(xiàn)代信息技術(shù)的最新成果的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的高科技前沿學(xué)科。

　　MEMS技術(shù)的發(fā)展開辟了一個(gè)全新的技術(shù)領(lǐng)域和產(chǎn)業(yè),，采用MEMS技術(shù)制作的微傳感器,、微執(zhí)行器、微型構(gòu)件,、微機(jī)械光學(xué)器件,、真空微電子器件、電力電子器件等在航空,、航天,、汽車、生物醫(yī)學(xué),、環(huán)境監(jiān)控,、軍事以及幾乎人們所接觸到的所有領(lǐng)域中都有著十分廣闊的應(yīng)用前景。MEMS技術(shù)正發(fā)展成為一個(gè)巨大的產(chǎn)業(yè),，就象近20年來微電子產(chǎn)業(yè)和計(jì)算機(jī)產(chǎn)業(yè)給人類帶來的巨大變化一樣,，MEMS也正在孕育一場深刻的技術(shù)變革并對人類社會產(chǎn)生新一輪的影響。目前MEMS市場的主導(dǎo)產(chǎn)品為壓力傳感器,、加速度計(jì),、微陀螺儀、墨水噴咀和硬盤驅(qū)動頭等,。大多數(shù)工業(yè)觀察家預(yù)測,，未來5年MEMS器件的銷售額將呈迅速增長之勢，年平均增加率約為18%，因此對對機(jī)械電子工程,、精密機(jī)械及儀器,、半導(dǎo)體物理等學(xué)科的發(fā)展提供了極好的機(jī)遇和嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

MEMS壓力傳感器可以用類似集成電路的設(shè)計(jì)技術(shù)和制造工藝,，進(jìn)行高精度,、低成本的大批量生產(chǎn)，從而為消費(fèi)電子和工業(yè)過程控制產(chǎn)品用低廉的成本大量使用MEMS傳感器打開方便之門,，使壓力控制變得簡單,、易用和智能化。傳統(tǒng)的機(jī)械量壓力傳感器是基于金屬彈性體受力變形,，由機(jī)械量彈性變形到電量轉(zhuǎn)換輸出,，因此它不可能如MEMS壓力傳感器那樣，像集成電路那么微小,，而且成本也遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于MEMS壓力傳感器,。相對于傳統(tǒng)的機(jī)械量傳感器，MEMS壓力傳感器的尺寸更小,，最大的不超過一個(gè)厘米,，相對于傳統(tǒng)“機(jī)械”制造技術(shù)，其性價(jià)比大幅度提高,。

圖3 硅壓阻式壓力傳感器結(jié)構(gòu)

MEMS壓力傳感器原理

　　目前的MEMS壓力傳感器有硅壓阻式壓力傳感器和硅電容式壓力傳感器,，兩者都是在硅片上生成的微機(jī)械電子傳感器。

　　硅壓阻式壓力傳感器是采用高精密半導(dǎo)體電阻應(yīng)變片組成惠斯頓電橋作為力電變換測量電路的,，具有較高的測量精度,、較低的功耗和極低的成本?；菟诡D電橋的壓阻式傳感器,，如無壓力變化，其輸出為零,，幾乎不耗電,。其電原理如圖1所示。硅壓阻式壓力傳感器其應(yīng)變片電橋的光刻版本如圖2,。

圖6 電容式壓力傳感器實(shí)物

　MEMS硅壓阻式壓力傳感器采用周邊固定的圓形應(yīng)力杯硅薄膜內(nèi)壁,，采用MEMS技術(shù)直接將四個(gè)高精密半導(dǎo)體應(yīng)變片刻制在其表面應(yīng)力最大處，組成惠斯頓測量電橋,，作為力電變換測量電路,，將壓力這個(gè)物理量直接變換成電量，其測量精度能達(dá)0.01-0.03%FS,。硅壓阻式壓力傳感器結(jié)構(gòu)如圖3所示,，上下二層是玻璃體，中間是硅片，硅片中部做成一應(yīng)力杯,，其應(yīng)力硅薄膜上部有一真空腔,，使之成為一個(gè)典型的絕壓壓力傳感器。應(yīng)力硅薄膜與真空腔接觸這一面經(jīng)光刻生成如圖2的電阻應(yīng)變片電橋電路,。當(dāng)外面的壓力經(jīng)引壓腔進(jìn)入傳感器應(yīng)力杯中,，應(yīng)力硅薄膜會因受外力作用而微微向上鼓起，發(fā)生彈性變形,，四個(gè)電阻應(yīng)變片因此而發(fā)生電阻變化,，破壞原先的惠斯頓電橋電路平衡，電橋輸出與壓力成正比的電壓信號,。圖4是封裝如集成電路的硅壓阻式壓力傳感器實(shí)物照片,。

　　電容式壓力傳感器利用MEMS技術(shù)在硅片上制造出橫隔柵狀，上下二根橫隔柵成為一組電容式壓力傳感器,，上橫隔柵受壓力作用向下位移，改變了上下二根橫隔柵的間距,，也就改變了板間電容量的大小,，即△壓力=△電容量（圖5）。電容式壓力傳感器實(shí)物如圖6,。

　　MEMS壓力傳感器的應(yīng)用

　　MEMS壓力傳感器廣泛應(yīng)用于汽車電子如TPMS,、發(fā)動機(jī)機(jī)油壓力傳感器、汽車剎車系統(tǒng)空氣壓力傳感器,、汽車發(fā)動機(jī)進(jìn)氣歧管壓力傳感器（TMAP）,、柴油機(jī)共軌壓力傳感器。消費(fèi)電子如胎壓計(jì),、血壓計(jì),、櫥用秤、健康秤,，洗衣機(jī),、洗碗機(jī)、電冰箱,、微波爐,、烤箱、吸塵器用壓力傳感器,，空調(diào)壓力傳感器,，洗衣機(jī)、飲水機(jī),、洗碗機(jī),、太陽能熱水器用液位控制壓力傳感器。工業(yè)電子如數(shù)字壓力表、數(shù)字流量表,、工業(yè)配料稱重等,。

　　典型的MEMS壓力傳感器管芯（die）結(jié)構(gòu)和電原理如圖7所示，左是電原理圖,，即由電阻應(yīng)變片組成的惠斯頓電橋,，右為管芯內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。典型的MEMS壓力傳感器管芯可以用來生產(chǎn)各種壓力傳感器產(chǎn)品,，如圖8所示,。MEMS壓力傳感器管芯可以與儀表放大器和ADC管芯封裝在一個(gè)封裝內(nèi)（MCM），使產(chǎn)品設(shè)計(jì)師很容易使用這個(gè)高度集成的產(chǎn)品設(shè)計(jì)最終產(chǎn)品,。

　MEMS壓力傳感器Die的設(shè)計(jì),、生產(chǎn)、銷售鏈

　　MEMS壓力傳感器Die的設(shè)計(jì),、生產(chǎn),、銷售鏈如圖9所示。目前集成電路的4寸圓晶片生產(chǎn)線的大多數(shù)工藝可為MEMS生產(chǎn)所用,。但是需要增加雙面光刻機(jī),、濕法腐蝕臺和鍵合機(jī)三項(xiàng)MEMS特有的工藝設(shè)備。壓力傳感器產(chǎn)品生產(chǎn)廠商需要增加價(jià)格不菲的標(biāo)準(zhǔn)壓力檢測設(shè)備,。

　　對于MEMS壓力傳感器生產(chǎn)廠家來說,，開拓汽車電子以及消費(fèi)電子領(lǐng)域的銷售經(jīng)驗(yàn)和渠道是十分重要和急需的。特別是汽車電子對MEMS壓力傳感器的需要量在近幾年激增,，如捷伸電子的年需求量約為200-300萬個(gè),。

MEMS芯片在設(shè)計(jì)、工藝,、生產(chǎn)方面與IC的異同

　　與傳統(tǒng)IC行業(yè)注重二維靜止的電路設(shè)計(jì)不同,，MEMS以理論力學(xué)為基礎(chǔ)，結(jié)合電路知識設(shè)計(jì)三維動態(tài)產(chǎn)品,。對于在微米尺度進(jìn)行機(jī)械設(shè)計(jì)會更多地依靠經(jīng)驗(yàn),，設(shè)計(jì)開發(fā)工具（Ansys）也與傳統(tǒng)IC（如EDA）不同。MEMS加工除了使用大量傳統(tǒng)的IC工藝,，還需要一些特殊工藝,，如雙面刻蝕，雙面光刻等,。MEMS比較傳統(tǒng)IC,，工藝簡單，光刻步驟少,，MEMS生產(chǎn)的一些非標(biāo)準(zhǔn)的特殊工藝,，工藝參數(shù)需要按照產(chǎn)品的要求來進(jìn)行調(diào)整,。由于需要產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工藝設(shè)計(jì)和生產(chǎn)三方面的密切配合,，IDM的模式要優(yōu)于Fabless+Foundry的模式,。MEMS對封裝技術(shù)的要求很高。傳統(tǒng)半導(dǎo)體廠商的4〃生產(chǎn)線正面臨淘汰,，即使用來生產(chǎn)LDO,，其利潤也非常低，但是,，如果生產(chǎn)MEMS,，則可獲得較高的利潤。4〃線上的每一個(gè)圓晶片可生產(chǎn)合格的MEMS壓力傳感器Die5-6K個(gè),，每個(gè)出售后,，可獲成本7-10倍的毛利（如圖10）。轉(zhuǎn)產(chǎn)MEMS對廠家的工藝要求改動不大,，新增輔助設(shè)備有限,，投資少、效益高,。MEMS芯片與IC芯片整合封裝是集成電路技術(shù)發(fā)展的新趨勢,，也是傳統(tǒng)IC廠商的新機(jī)遇。圖11是MEMS在4〃圓晶片生產(chǎn)線上,。

4〃生產(chǎn)MEMS壓力傳感器Die成本估計(jì)

　　4”圓晶片生產(chǎn)線生產(chǎn)MEMS壓力傳感器Die成本估計(jì)如表所示，新增固定成本是指為該項(xiàng)目投入的人員成本和新設(shè)備的折舊（人員：專家1名+MEMS設(shè)計(jì)師2名+工程師4名+工藝師5名+技工12名,，年成本147萬元,，新增設(shè)備投入650萬元，按90%四年折舊計(jì)算）,；現(xiàn)有4”線成本是指在5次光刻條件下使用4”線的成本（包括人工,、化劑、水電,、備件等的均攤成本）,；硅片材料成本是指雙拋4寸硅片的價(jià)格。