微机电体系(Micro-Electro Mechanical
System)是指尺度在几毫米乃至更小的传感器设备，其内部结构一般在微米乃至纳米量级，是一个独立的智能体系。简略了解， MEMS
便是将传统传感器的机械部件微型化后，通过三维堆叠技能，例如三维硅穿孔 TSV
等技能把器材固定在硅晶元(wafer)上，终究依据不同的运用场合选用特别定制的封装方式， 终究切开拼装而成的硅基传感器。 获益于一般传感器无法企及的 IC
硅片加工批量化出产带来的本钱优势， MEMS 一起又具有一般传感器无法具有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
比如最典型的半导体开展前史： 从 20 世纪初在英国物理学家弗莱明手下创造的第一个电子管，到 1943 年具有 17468 个电子三极管的 ENIAC
和 1954 年诞生装有 800 个晶体管的核算机 TRADIC， 到 1954 年飞兆半导体创造了平面工艺使得集成电路可以量产， 然后诞生了 1964
年具有里程碑含义的首款运用集成电路的核算机 IBM 360。 模仿量到数字化、
大体积到小型化以及随之而来的高度集成化，是一切近现代化工业开展行进的永久寻求。
半导体的开展前史： 从电子管-晶体管-集成电路
正因为 MEMS 具有如此很多跨代代的优势，
现在来看咱们以为其是代替传统传感器的仅有或许挑选，也或许是未来构筑物联网感知层传感器最首要的挑选之一。
1)微型化： MEMS 器材体积小， 一般单个 MEMS 传感器的尺度以毫米乃至微米为计量单位， 重量轻、耗能低。
一起微型化今后的机械部件具有惯性小、谐振频率高、呼应时间短等长处。 MEMS 更高的外表体积比(外表积比体积) 可以前进外表传感器的灵敏程度。
2)硅基加工工艺，可兼容传统 IC
出产工艺：硅的强度、硬度和杨氏模量与铁适当，密度相似铝，热传导率挨近钼和钨，一起可以很大程度上兼容硅基加工工艺。
3)批量出产： 以单个 5mm*5mm 尺度的 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一起切开出大约 1000 个
MEMS 芯片， 批量出产可大大下降单个 MEMS 的出产本钱。
4)集成化： 一般来说，单颗 MEMS 往往在封装机械传感器的一起， 还会集成ASIC 芯片，操控 MEMS 芯片以及转化模仿量为数字量输出。
一起不同的封装工艺可以把不同功用、不同灵敏方向或致动方向的多个传感器或执行器集成于一体，或构成微传感器阵列、微执行器阵列，乃至把多种功用的器材集成在一起，构成杂乱的微体系。微传感器、微执行器和微电子器材的集成可制作出可靠性、稳定性很高的
MEMS。 跟着 MEMS 的工艺的开展，现在倾向于单个 MEMS 芯片中整合更多的功用， 完成更高的集成度。 例如惯性传感器 IMU(Inertial
measurement unit) 中， 从最早的分立惯性传感器，到 ADI 推出的一个封装内里集成了三轴陀螺仪、加速度计、磁力计和一个压力传感器以及
ADSP-BF512 Blackfin 处理器的 10 自由度高精度 MEMS 惯性丈量单元。
5)多学科穿插： MEMS 触及电子、机械、资料、制作、信息与自动操控、物理、化学和生物等多种学科，并集约了当今科学技能开展的许多顶级效果。MEMS
是构筑物联网的根底物理感知层传感器的最首要挑选之一。
因为物联网特别是无线传感器网络对器材的物理尺度、功耗、本钱等非常灵敏，传感器的微型化对物联网工业的开展至关重要。 MEMS 微机电体系结合兼容传统的半导体工艺，
选用微米技能在芯片上制作微型机械，并将其与对应电路集成为一个全体的技能，它是以半导体制作技能为根底开展起来的，
批量化出产能满意物联网对传感器的巨大需求量和低本钱要求。
物联网年代到来，MEMS的时机
全球半导体工业中， PC 在主导工业 10 多年后， 现已逐渐让坐落消费电子， 跟着摩尔定律逐渐抵达其瓶颈， 制程的前进现已渐近其物理极限。 依据
MonolithIC 3D 创办人 Zvi Or-Bach 的观念，在 28 纳米之后， 晶圆厂可以持续把晶体做得更小、但却无法更廉价，
对制程要求相对较低的物联网运用或许会成为老练制程重要的下流工业运用。
摩尔定律正在挨近极限
就现在趋势来看， 高端制程在整个 IC 封装工艺中， 占比现已开端相对下降。
先进制程节点元件的实践工程本钱，现已证明对工业界大多数厂商来说都太贵重;因而半导体工业的确现已分头开展，只要少量会寻求微缩至 7 纳米，而大多数仍保持选用 28
纳米或更旧节点的规划。
未来可以预见未来大规划下流运用首要会以新的消费电子例如 AR/VR， 以及物联网例如智能驾驭、 才智物流、 智能家居等。
而传感器做为感知层，是不可或缺的要害根底物理层部分，物联网的快速开展，将会给 MEMS 职业带来巨大的开展盈利。
物联网的体系架构首要包含三部分：感知层、传输层和运用层。 感知层的效果首要是获取环境信息和物与物的交互， 首要由传感器、 微处理器和 RF
无线收发器等组成; 传输层首要用于感知层之间的信息传递，由包含 NB IOT、Zig Bee、Thread、蓝牙等通讯协议组成;运用层首要包含云核算、云存储、
大数据和数据发掘以及人机交互等软件运用层面构成。 感知层传感器处于整个物联网的最底层，是数据收集的进口，物联网的“心脏”， 有着巨大的开展空间。
物联网的三层架构
物联网工业掩盖面广，小到手机，大到新能源轿车以及很多未联网的设备、终端都将联通，为商场带来万亿市值增加潜力。互联网、智能手机的出生推进了信息工业第二波浪潮，但现在已趋于老练，增速较为陡峭，而以传感网、物联网为代表的信息获取或信息感知正在推进信息工业进入第三次浪潮，物联网年代现已发动。
物联网：第三次工业化浪潮
2015 年，全球物联网工业规划已挨近 3500 亿美元，我国物联网工业规划到达7500 亿人民币。 Forrester Research 猜测，到
2020 年，物联网工业的规划要比信息互联网大 30 倍，将有 240 亿台物联网设备接入互联网，真实完成万物互联。
跟着国内规划、制作、封测等多个环节的技能和工艺正在逐渐老练， MEMS 作为物理量衔接半导体的产品，将恰逢当时的获益于物联网工业的开展， MEMS
在消费电子、轿车电子、工业操控、军工、智能家居、才智城市等范畴将得到更为广泛的运用，依据 Yole developpement 的猜测， 2016-2020 年
MEMS 传感器商场将以 13%年复合成长率增加， 2020 年 MEMS 传感器商场将到达 300 亿美元,远景无限。
MEMS 全球商场产量猜测(亿美元)
2015 年我国 MEMS 器材商场规划为 308 亿元人民币，占有全球商场的三分之一。从开展速度而言，我国 MEMS
商场增速一向快于全球商场增速。我国 MEMS 器材商场均匀增速约 15 – 20%，我国集成电路商场增速约为 7 – 10%，横向比照而言，MEMS
器材商场的增速两倍于集成电路商场。
我国近年 MEMS 传感器商场规划(亿元)
MEMS工业链一览，国外抢先
MEMS 没有一个固定成型的标准化的出产工艺流程， 每一款 MEMS 都针对下流特定的运用场合， 因而有共同的规划和对应的封装方式，千差万别。
MEMS 和传统的半导体工业有着巨大的不同， 她是微型机械加工工艺和半导体工艺的结合。 MEMS 传感器自身一般是个比较杂乱的微型物理机械结构，并没有
PN 结。但一起单个 MEMS 一般都会集成 ASIC 芯片并植在硅晶圆片上， 再封装测验和切开，后道工艺流程又相似传统 COMS 工艺流程。
因而 MEMS 功用的提高很大程度上不会过火依赖于硅晶圆制程工艺的晋级，
而更倾向于依据下流运用需求定制规划、对微型机械结构的优化、对不同资料的挑选，完成每一款传感器的共同功用，因而也不存在传统半导体工艺晶圆厂不同代代的制程工艺晋级路线图(ROAD
MAP)。
IC 制程工艺更挨近于 2D 平面 VS MEMS3 维立体堆叠
典型的 MEMS
体系如图所示，由传感器、信息处理单元、执行器和通讯/接口单元等组成。其输入是物理信号，通过传感器转化为电信号，通过信号处理(模仿的和/或数字的)后，由执行器与外界效果。每一个微体系可以选用数字或模仿信号(电、光、磁等物理量)与其它微体系进行通讯。
MEMS 将电子体系与周围环境有机结合在一起，微传感器接纳运动、光、热、声、磁等自然界信号，信号再被转化成电子体系可以辨认、处理的电信号，部分 MEMS
器材可通过微执行器完成对外部介质的操作功用。
传感器作业原理
