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物联网给MEMS带来新机遇 一文看懂MEMS产业链

2016-11-28 09:37
人在旅途20
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  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。 受益于普通传感器无法企及的 IC 硅片加工批量化生产带来的成本优势, MEMS 同时又具备普通传感器无法具备的微型化和高集成度。

传统 ECM 驻极体电容麦克风/Apple Watch 楼氏 MEMS 硅麦克风

  MEMS是替代传统传感器的唯一选择

  诸如最典型的半导体发展历史: 从 20 世纪初在英国物理学家弗莱明手下发明的第一个电子管,到 1943 年拥有 17468 个电子三极管的 ENIAC 和 1954 年诞生装有 800 个晶体管的计算机 TRADIC, 到 1954 年飞兆半导体发明了平面工艺使得集成电路可以量产, 从而诞生了 1964 年具有里程碑意义的首款使用集成电路的计算机 IBM 360。 模拟量到数字化、 大体积到小型化以及随之而来的高度集成化,是所有近现代化产业发展前进的永恒追求。MEMS也不例外

  正因为 MEMS 拥有如此众多跨世代的优势, 目前来看我们认为其是替代传统传感器的唯一可能选择,也可能是未来构筑物联网感知层传感器最主要的选择之一。

  1)微型化: MEMS 器件体积小, 一般单个 MEMS 传感器的尺寸以毫米甚至微米为计量单位, 重量轻、耗能低。 同时微型化以后的机械部件具有惯性小、谐振频率高、响应时间短等优点。 MEMS 更高的表面体积比(表面积比体积) 可以提高表面传感器的敏感程度。

  2)硅基加工工艺,可兼容传统 IC 生产工艺:硅的强度、硬度和杨氏模量与铁相当,密度类似铝,热传导率接近钼和钨,同时可以很大程度上兼容硅基加工工艺。

  3)批量生产: 以单个 5mm*5mm 尺寸的 MEMS 传感器为例, 用硅微加工工艺在一片 8 英寸的硅片晶元上可同时切割出大约 1000 个 MEMS 芯片, 批量生产可大大降低单个 MEMS 的生产成本。

  4)集成化: 一般来说,单颗 MEMS 往往在封装机械传感器的同时, 还会集成ASIC 芯片,控制 MEMS 芯片以及转换模拟量为数字量输出。

  同时不同的封装工艺可以把不同功能、不同敏感方向或致动方向的多个传感器或执行器集成于一体,或形成微传感器阵列、微执行器阵列,甚至把多种功能的器件集成在一起,形成复杂的微系统。

  微传感器、微执行器和微电子器件的集成可制造出可靠性、稳定性很高的 MEMS。 随着 MEMS 的工艺的发展,现在倾向于单个 MEMS 芯片中整合更多的功能, 实现更高的集成度。

  例如惯性传感器 IMU(Inertialmeasurement unit) 中, 从最早的分立惯性传感器,到 ADI 推出的一个封装内中集成了三轴陀螺仪、加速度计、磁力计和一个压力传感器以及 ADSP-BF512Blackfin 处理器的 10 自由度高精度 MEMS 惯性测量单元。

  5)多学科交叉: MEMS 涉及电子、机械、材料、制造、信息与自动控制、物理、化学和生物等多种学科,并集约了当今科学技术发展的许多尖端成果。MEMS 是构筑物联网的基础物理感知层传感器的最主要选择之一。

  由于物联网特别是无线传感器网络对器件的物理尺寸、功耗、成本等十分敏感,传感器的微型化对物联网产业的发展至关重要。 MEMS 微机电系统结合兼容传统的半导体工艺, 采用微米技术在芯片上制造微型机械,并将其与对应电路集成为一个整体的技术,它是以半导体制造技术为基础发展起来的, 批量化生产能满足物联网对传感器的巨大需求量和低成本要求。

  物联网给MEMS带来新机遇

  未来可以预见未来大规模下游应用主要会以新的消费电子例如 AR/VR, 以及物联网例如智能驾驶、 智慧物流、 智能家居等。 而传感器做为感知层,是不可或缺的关键基础物理层部分,物联网的快速发展,将会给 MEMS 行业带来巨大的发展红利。

  物联网的系统架构主要包括三部分:感知层、传输层和应用层。

  感知层的作用主要是获取环境信息和物与物的交互, 主要由传感器、 微处理器和 RF 无线收发器等组成;

  传输层主要用于感知层之间的信息传递,由包括 NB IOT、Zig Bee、Thread、蓝牙等通讯协议组成;

  应用层主要包括云计算、云存储、 大数据和数据挖掘以及人机交互等软件应用层面构成。 感知层传感器处于整个物联网的最底层,是数据采集的入口,物联网的“心脏”, 有着巨大的发展空间。

物联网的三层架构

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