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国产MEMS传感器已不输国外

探索科技TechSugar 2021-12-30 11:46 发文

文︱立厷

图︱网络

MEMS(Micro Electro Mechanical System)技术和集成电路不同,与国外相比没有两到三代的差距,基本上差不到一代,也就是半代左右,甚至有的方面还在领先。这是华东光电集成器件研究所研究员、副所长展明浩日前发表的观点。

今天就聊聊MEMS传感器的发展历史和现状,以及目前的一些热门应用,看看国内MEMS传感器到底在什么位置。

什么是传感器和MEMS?

国家标准GB7665-87对传感器的定义是:能感受规定的被测量件并按照一定的规律(数学函数法则)转换成可用信号的器件或装置,通常由敏感元件和转换元件组成。通俗讲传感器就是一种检测装置,能感受到被测量的信息,并能将感受到的信息转换成为电信号或其他所需形式的信息输出。

传感器实际上是一个敏感元件,是在一定条件下按照一定的规律将各种信号转换成可用信号的器件或装置。传感器的种类很多,包括力、磁、光、电、化学、生物、声学,还有热敏传感器等。

传感器种类很多

从17世纪伽利略发明温度计开始,就有了可量化外部世界的传感器。传感器的发展经过了三个阶段,第一阶段是1950年到1969年的结构性传感器发展阶段;第二阶段是1971年到1999年的固态传感器阶段;2000年开始到现在MEMS传感器是第三个阶段,MEMS技术发展很快,特别是兼容CMOS技术的MEMS传感器。随着半导体工艺的发展,MEMS传感器在各个领域都有了很好的应用。

传感器的发展历程

MEMS是一种采用微机电系统技术的传感器,是用微电子、机械加工技术制造出来的传感器。其特点是体积小、重量轻、功耗低、成本较低、可靠性较高,适于批量化生产。

MEMS传感器

智能传感器的里程碑

MEMS易于和专用IC(集成电路)结合在一起实现智能化特性。人们常说,一代装备,一代器件;反过来是一代器件推动了一代装备的发展;装备的发展又带动了工艺的发展,工艺技术的进步又推动了器件,而器件的进步又推动了装备性能的进一步提升,周而复始,互相促进。

先看智能传感器的几个里程碑事件,1970年,H.A.Waggener提出了电化学自终止腐蚀技术,它可以精确地控制和氢氧化钾精确腐蚀的体硅工艺,标志着体硅工艺的诞生。体硅各向异性化学腐蚀工艺的实现诞生了MEMS压力传感器。

MEMS压力传感器诞生

上世纪60年代末,美国Kulitez公司将硅传感器发扬光大,做出了民用商业化MEMS产品。硅压阻压力传感器是Kulite的核心产品,它将过去简单的桥路电阻传感器升级到采用高技术的硅绝缘传感器——无引线传感器。

第二个里程碑是平面牺牲层工艺的发展,带来了MEMS惯性(IMU)传感器技术的进步。1988年,UC Berkley利用牺牲层工艺制作了首个静电驱动马达,后来又做出了微机械陀螺、加速度传感器等,之后都实现了商品化。

平面牺牲层技术是在形成微机械结构的空腔或可活动的微结构过程中,先在下层薄膜上用结构材料淀积所需的各种特殊结构件,再用化学刻蚀剂将此层薄膜腐蚀掉,而不损伤微结构件,然后就得到了上层薄膜结构(空腔或微结构件)。

MEMS惯性传感器平面牺牲层工艺

利用平面牺牲层工艺还制作出了MEMS光学器件。1987年,德州仪器(TI)的Larry Hornbeck博士发明了DLP®(数字光源处理技术)芯片,1992年和1996年压力分别发布了一些民用DLP芯片;1996年DLP应用于投影显示,首次实现了该技术商的业化;1998年DLP获得了艾美奖,它相当于工业界的奥斯卡奖;2004年,DLP技术位列所有MEMS行业全球第一的位置;2009年,伴随消费电子产品的飞速发展,TI微型投影显示应运而生;2011年,DLP产品开创了新的工业应用方向;2015年,TI又将DLP技术引入到汽车电子行业;同年,Larry Hornbeck博士获得了美国电影科学技术工程学会颁发的奥斯卡金像奖,表彰他用DLP技术开创了整个电影行业从胶片到数字的划时代变革。

针对汽车应用,2019年11月,TI加速推进DLP技术在汽车电子五大场景的应用落地。在车身电子装置与照明系统中,包含自适应前照灯系统、动态尾灯、个性化内饰照明、更亮的定制化小灯和透明车窗显示等,TI都有的解决方案和创新产品。DLP®技术在车灯上的基本功能包括照明、可调节自适应、增加人车沟通的额外渠道。其实它有更多的可能性有待厂家和工程师去发掘。

光MEMS器件平面牺牲层工艺

回到1994年,德国博世公司发明深硅刻蚀工艺,实现了高深宽比、高垂直度的结构,颠覆了MEMS工艺技术的发展方向。现在高精度惯性器件基本上都采用深硅刻蚀工艺。

目前,深反应离子刻蚀工艺是实现高深宽比特性的重要方式,已成为微加工技术的基石。这项刻蚀技术在众多领域均得到了应用,包括:MEMS电容式惯性传感器;宏观设备的微型化;三维集成电路堆叠技术的硅通孔工艺。研究发现,利用高深宽比结构能够显著增加传感面积,提供更高的验证质量,同时降低弹簧刚度,提高电容灵敏度,从而提升惯性MEMS传感器的性能。

深硅刻蚀工艺

进入21世纪以来,MEMS技术以超高速的创新速度发展,惯性MEMS传感器、光MEMS传感器,还有生物医疗MEMS和压力传感器,特别是高精度压力传感器、气体传感器都在不断推陈出新。

21世纪MEMS技术的超高速发展

汽车成为MEMS创新热土

在自动驾驶或智能网联汽车高速发展的今天,MEMS传感器找到了进一步施展的场景,也逐渐演变成为汽车传感器的主要部件。

车联网、自动驾驶、汽车智能化的最重要要求是安全、可靠,然后才是舒适化,而这一切的背后都离不开传感器,特别是用途越来越广的MEMS惯性传感器,也叫惯性测量单元。

在自动驾驶领域,IMU主要用来检测和测量加速度和旋转运动。其原理是惯性定律,包括超小型MEMS传感器,以及测量精度非常高的激光陀螺,无论尺寸大小,都是采用这一原理。最基础的惯性传感器包括加速度计和角速度计(陀螺仪)。不过,高精度的陀螺仪制造困难,成本高昂。因此,提高陀螺仪的精度,同时降低成本是当前传感器行业追求的目标。

IMU在无人驾驶中的重要角色

自动驾驶车辆的定位精度要求极高,需要能够识别车辆“正行驶在哪个车道”,而不是“正行驶在什么道路”。通常一条车道的宽度只有2.7米到4.6米,允许误差范围极小。更高水平的自动驾驶应用需要通过更精确和高度稳定的IMU性能来实现,特别是在Z轴或偏航陀螺仪性能方面。

IMU传感器的汽车应用

了解车辆在时空中的运动方式对于自动驾驶应用至关重要,IMU是所有定位系统中最关键的传感器之一,可以测量运动、加速度和旋转速度的基本物理量。它也是最可靠的传感器,不受其他信号干扰和天气等环境条件的影响。

IMU传感器集成了多种传感元件来测量运动和方向;其技术的进步可以提高自动驾驶车辆定位精度和操作安全。目前,国产MEMS IMU传感器和自主传感器融合算法的进步正在不断缩小精度和性能方面与国外产品的差距,已有望实现大规模商业化部署。

IMU数据与相关数据融合是关键

在自动驾驶系统中,将IMU数据与GPS、视觉和其他探测和测距系统融合,可以填补GPS更新之间的空隙,并在GPS和/或其他传感器受到影响时安全进行短时导航。特别是,IMU数据始终可用,是所有自主车辆系统的一个重要组成部分,并可在具有挑战性的环境中保持车辆安全运行。

国内MEMS传感器产业方兴未艾

MEMS涉及物理学、半导体、光学、电子工程、化学、材料工程、机械工程、医学、信息工程及生物工程等多个学科领域。随着新技术、新工艺的出现,以MEMS技术为代表的传感器行业正在加速进入发展的快车道。

最近几年,MEMS传感器市场非常火,从智能手机开始使MEMS传感器应用发生了颠覆性变化,实现了更多场景的应用。未来,MEMS技术也将在自动驾驶等领域发挥越来越重要的作用,让自动驾驶早日走向我们的生活。

在5G、自动驾驶、新型智慧城市等国家发展战略的推动下,我国MEMS上下游产业链正在蓬勃发展。国内MEMS厂商正逐步走向世界舞台,在性能、市场等方面的一些优势也开始显现。

据介绍,MEMS领域和集成电路不同,和国外的差距没有三代那么大,行业共识是,MEMS领域和国外的差距基本上差不到一代,在某些技术环节甚至可能有些领先。

目前国内的MEMS传感器产业用方兴未艾来形容一点也不为过。MEMS传感器行业主要上市公司有歌尔股份、赛微电子、士兰微、华润微、高德红外等。从产业链看,其上游产业链包括原材料、芯片设计等,涉及半导体材料、陶瓷材料、金属材料和有机材料四大类。下游应用与工业、汽车电子产品、通信电子产品、消费电子产品、专用设备等紧密相关,所涉及的领域范围非常广泛。

从发展趋势来看,汽车工业和消费类电子市场蓬勃发展,成为了MEMS传感器的应用基础,未来医疗、人工智能、物联网、智慧城市等智能现代化趋势将使MEMS传感器应用进一步提速。

产业链日趋丰富

目前,中国电科第十三研究所、华东光电、广州奥松电子、芯动科技等一批6英寸MEMS生产线已投入运营,开始成功量产。在6英寸MEMS体硅SOI工艺平台上,一些厂商已形成完善的工艺技术体系,包含硅硅直接键合、高深宽比SOI结构刻蚀释放、高深宽比TSV刻蚀与填充、晶圆级真空封装、热应力隔离结构等关键工艺技术。

体硅SOI工艺可以实现高精度微机械惯性器件加工,满足高精度、高深宽比、低应力的工艺加工要求。其产品涵盖红外温度传感器、气体传感器、流量传感器、压力传感器、陀螺和加速度传感器,以及MEMS超声换能器、温湿度、流量、气体、差压、风速等传感器芯片,广泛用于家用呼吸机、额温枪、高端工业、国防军工等领域。

在系统设计,特别是结构设计方面,主要采用的都是国外主流的EDA软件,与其他半导体器件设计领域相仿。

设计平台

MEMS制造平台主要有三大工艺体系:制造高精度MEMS传感器的SOI体硅工艺体系;制造小型化商用MEMS传感器的TSV硅工艺体系;以及制造压阻式MEMS传感器的压阻体硅工艺体系。

MEMS制造平台

全自动无人值守测试平台

目前,传感器行业常见的模式是提供一站式定制服务。由于工艺线宽没有处理器那么高,国内的MEMS惯性传感器代工厂也比较多,有助于解决国外大厂没有产能的燃眉之急。有的企业既做设计生产并销售传感器产品,同时也和其他公司合作,提供代工服务,甚至已在国内MEMS惯性传感器代工领域名列前茅;也有一些企业与光MEMS传感器全球排名前三的企业合作,不断扩大自己的代工业务。

一些传感器的消费类应用

合作才能共赢

这种两条腿走路的方式不失为国内MEMS传感器实现技术、市场和产品销售突破的一条捷径,特别是根据客户需求的定制模式,更有助于企业及时发现市场热点和商机,让自己掌握的技术能够应用于更广泛的新兴个性化应用中。

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