微纳系统 (mems) 集成化技术

微纳系统 (MEMS) 集成化技术

黄庆安东南大学东南大学 · 南京 MEMS教育部重点实验室

报告背景传感器 : 能感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用信号输出的器件或装置

传感器制造 CMOS 电路制造

传感器封装电路封装

印刷电路板 + 电源

传感器电路

电路低成本高性能

传感器多品种小批量

① 能用集成电路的制造方式生产传感器么？

② 能把传感器、电路和封装体一起集成制造么？③ 能把传感器、电路、封装体、基板、电源一起集成制造么？

这么大规模制造，有市场需求么？

报告提纲• MEMS 市场发展

( 电子消费品，汽车，医疗，物联网 )

• MEMS 技术发展• MEMS 集成化制造技术

(CMOS-MEMS ， SiP 及国外典型产品 )

• 我国 863 计划 MEMS 技术(863 ，重大专项，物联网专项 )

• 总结东南大学 · 南京 MEMS教育部重点实验室

电信医疗工业国防

消费

汽车航空

医疗传感器消费类 MEMS汽车传感器

一 .MEMS 市场发展

图像

麦克风

加速度陀螺磁场压力

① 消费类 MEMS: 手机

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① 消费类 MEMS: 手机手机中的传感器2012 ： 20 亿美元2015 ： 30 亿美元


② 汽车传感器 ( 安全 + 节能 + 舒适 )

② 汽车传感器汽车中的传感器2012 ： 8 亿只2014 ： 10 亿只

普通轿车 >100 只 / 车，豪华轿车 >200只 / 车

② 汽车传感器中国汽车电子2011 ： 200 亿美元2015 ： 300 亿美元


③ 医疗与健康监护传感器

时间

小型化与集成水平


③ 医疗与健康监护传感器

健康监护传感器2009 ： 12 亿美元2015 ： 45 亿美元

④ 物联网传感器（物联网：战略性新兴产业）物联网

感知系统通讯系统计算系统控制系统数据海

此传感器非彼传感器！成本？功耗？

中国 43 万公里 (>220kV), 2010中国 7.41 万公里 ( 高速公路 ), 2010

中国 43 万公里 ( 河流长度 )湖泊 2800 多个，面积 8 万平方公里

传感器网络传感器

TD 移动通信

④ 物联网传感器（物联网：战略性新兴产业）The 10th Annual MEMS Technology Symposium

May 23,2012, San Jose, USAKristofer Pister, UC BerkeleyJanusz Bryzek, VP Fairchild SemiconductorRobert Haak, MANCEFRichard Friedrich, HP LabsGreg Galvin, CEO of KionixStephen Breit, CoventorRussell Shumway, AmkorSteve Nasiri, founder of InvenSenseJérémie Bouchaud, iSuppliJean-Christophe Eloy, Yole Développement

Sensors: A Foundation for Accelerated MEMS Market Growth to $1 Trillion传感器：加速 MEMS 产业链到 1 万亿美元的基础东南大学 · 南京

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二 . MEMS 技术发展趋势无线集成微系统

半导体材料第一代微传感器新的应用复杂器件集成敏感系统

MEMS 制造技术趋势：集成化体微加工

表面微加工厚 SOI

薄 SOI

腔 SOI三维集成

CMOS 集成

三 .MEMS 集成化制造技术① MEMS 制造方式（硅 + 并行制造）② MEMS 集成制造方式（传感器 + 电路）③ 微纳系统三维集成制造方式（传感器 + 电路 + 无源 + 封装体 + 基板 + 引线）


① MEMS 制造方式 ( 硅 + 并行制造 )表面微加工

气相 HF 腐蚀1996

键合

阳极键合1968

硅直接键合1986

体微加工

湿法1967

干法DRIE1995

键合SOI+DRIE

目前状态传感器制造 ( 并行 )

ASIC 制造 ( 并行 )

基板制造 ( 并行 )

集成化 ( 串行 )

② MEMS 集成制造方式 ( 传感器 + 电路 )传感器 +CMOS= 单片

电路传感器

Sensors beside CMOS

Sensors on CMOS

表面加工电路

传感器Sensors beside CMOS

电路传感器体微加工

传感器

② MEMS 集成制造方式 ( 传感器 + 电路 )传感器 +CMOS= 多片

传感器制造

ASIC 制造

Sensors beside CMOS

Sensors on CMOS

② MEMS 集成 ( 传感器 + 电路 ) 哪一种更好 ? 研发成本市场周期生产成本系统性能

单片： Sensors beside CMOS单片： Sensors on CMOS混合： Sensors beside CMOS

案例产品压力传感器加速度计陀螺微辐射计麦克风

公司Freescale ST-microelectronics ST-microelectronics Honeywell Akustica

Infineon Bosch Bosch Raytheon Knowles

Bosch Analog Devices Analog Devices Sarcon Wolfson(Oligon)

Kavlico VTI Indigo System Analog Devices

产品压力传感器加速度计陀螺微辐射计

公司Infineon Analog Devices Analog Devices Honeywell

Freescale Infineon General Motors NEC

Toyota Bosch

General Motors

表面微机械加工技术

体微机械加工技术


ST-microelectronics惯性传感器 Analog Devices惯性传感器


Infineon压力传感器

Honeywell微辐射计

电路传感器

电路

传感器


Bosch 东南大学 · 南京 MEMS教育部重点实验室

电路传感器

Invensense


ST-Microelectronics

③ 微纳系统三维集成制造方式（传感器 + 电路 + 无源 + 封装体 + 基板 + 引线）前沿无线集成微系统

案例： TPMS

无线集成微系统


IC 制造

无源元件制造传感器制造天线制造电源制造


案例： Smart Dust

2mm3: 敏感 + 电源 + 计算 + 通讯

传感器处理器能量收集能量存储射频天线时钟

无线集成微系统

RF MEMS

光子微系统能量收集技术MEMS可靠性

CMOS MEMS

微系统封装

《微纳系统》系列译丛，东南大学出版社（ 2005-2012 ）


知识需要更新！技术需要更新！

四 . 我国 863 计划 MEMS 技术2001-2005 （ 2亿）共性技术微纳传感器设计技术微纳传感器制造技术微纳传感器封装技术微纳传感器集成化技术微纳传感器测试技术微纳传感器可靠性技术微纳传感器环境检测传感器石油化工传感器工业传感器医疗传感器汽车传感器消费类传感器

2006-2010 （2 亿）工业传感器医疗传感器及系统环境 ( 安全 )检测传感器汽车传感器石油化工传感器

2011-20152011(0.6 亿 )油气田监测压力传感器汽车电子稳定惯性传感器麦克风交通安全传感器电场传感器血糖检测传感器2012(0.5 亿 )硅微纳传感器批量制造与封装环境检测传感器汽车传感器医疗传感器2013(0.5 亿 )无线微纳传感器 ( 机械行业 )

2013-2015 （建议）前沿技术阵列化微纳传感器( 纳米 ) 高性能微纳传感器微能源制造技术关键共性技术单片集成技术三维异质集成技术微纳传感器重大产品智能制造装备工业过程控制医疗与健康监护汽车传感器

总结过去传感器市场分散、种类多，长期处于多品种、小批量的制造方式；电子消费品、汽车、医疗、物联网等发展对传感器需求巨增，采用 MEMS 并行制造技术，才能满足这种需求；毫无疑问，这将会改变传统传感器的生产模式，给传感器产业带来革命性变化；国家 863 计划、重大科技专项、物联网行动计划等实施会强力推动这种制造技术发展；机遇与挑战并存！

报告完毕 !谢谢 !


以 150mm 生产线为例芯片面积 =3×3mm2；芯片数量 1962 个 /园片考虑成品率， 1500 只芯片 /园片， 10000园片 /月， 15×106 只 /月芯片面积 =3×3mm2 ，消费类成本 1 元 / 只工艺特征尺寸为 0.25~0.5m 高精度制造，使批量一致性得到保障，会大大降低测试成本。高精度并行制造 = 低成本、大批量硅材料 = 低成本

集成电路：高精度并行制造

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