MEMS（Micro Electromechanical System,，即微電子機械系統(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電系統(tǒng),。
MEMS壓力傳感器可以用類似集成電路的設(shè)計技術(shù)和制造工藝，進行高精度,、低成本的大批量生產(chǎn),，從而為消費電子和工業(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)的機械量壓力傳感器是基于金屬彈性體受力變形,，由機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,，而且成本也遠遠高于MEMS壓力傳感器。相對于傳統(tǒng)的機械量傳感器,，MEMS壓力傳感器的尺寸更小,，最大的不超過一個厘米，相對于傳統(tǒng)“機械”制造技術(shù),，其性價比大幅度提高,。
圖1 惠斯頓電橋電原理
圖2 應(yīng)變片電橋的光刻版本
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,。
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，將壓力這個物理量直接變換成電量,，其測量精度能達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。當外面的壓力經(jīng)引壓腔進入傳感器應(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物照片。
圖4 硅壓阻式壓力傳感器實物
圖6 電容式壓力傳感器實物
圖5 電容式壓力傳感器結(jié)構(gòu)
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)動機機油壓力傳感器、汽車剎車系統(tǒng)空氣壓力傳感器,、汽車發(fā)動機進氣歧管壓力傳感器（TMAP）,、柴油機共軌壓力傳感器。消費電子如胎壓計,、血壓計,、櫥用秤、健康秤,，洗衣機,、洗碗機、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、飲水機,、洗碗機、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管芯封裝在一個封裝內(nèi)（MCM）,，使產(chǎn)品設(shè)計師很容易使用這個高度集成的產(chǎn)品設(shè)計最終產(chǎn)品,。
MEMS壓力傳感器的設(shè)計、生產(chǎn),、銷售鏈
MEMS壓力傳感器的設(shè)計,、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、濕法腐蝕臺和鍵合機三項MEMS特有的工藝設(shè)備,。壓力傳感器產(chǎn)品生產(chǎn)廠商需要增加價格不菲的標準壓力檢測設(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電子領(lǐng)域的銷售經(jīng)驗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。
MEMS芯片在設(shè)計,、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)計不同，MEMS以理論力學(xué)為基礎(chǔ),，結(jié)合電路知識設(shè)計三維動態(tài)產(chǎn)品,。對于在微米尺度進行機械設(shè)計會更多地依靠經(jīng)驗，設(shè)計開發(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)的一些非標準的特殊工藝，工藝參數(shù)需要按照產(chǎn)品的要求來進行調(diào)整,。由于需要產(chǎn)品設(shè)計,、工藝設(shè)計和生產(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〃線上的每一個圓晶片可生產(chǎn)合格的MEMS壓力傳感器Die5-6K個,，每個出售后，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壓力傳感器成本估計
4”圓晶片生產(chǎn)線生產(chǎn)MEMS壓力傳感器成本估計如表所示，新增固定成本是指為該項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寸硅片的價格。