MEMS压力传感器历史和现状
压力传感器有传统的压力式传感器;另一大类是MEMS传感器。
传统的机械量式的传感器可以是金属，也可以是陶瓷，也有蓝宝石和其他各种材质，并在这类材质上布电路、做电容、做电阻……，以带来电信号的变化。
MEMS传感器是随着IC(集成电路)技术的发展而兴起的。它的原理还是机械量式相似，只是从材料和加工工艺上借鉴了很多集成电路的技术和制造工艺，把集成电路的光刻、光罩、沉淀等工艺做在了传感器上，还可以把一些运算和ADC集成在一起。
历史上，MEMS技术起步较早，最早源于美国的，霍尼韦尔公司比较领先。最早史密斯先生(C.S. Smith)于1945年发现了硅与锗的压阻效应，这就可以和传统的机械式的压力传感器有相似的特性。随后霍尼韦尔最早做了微压传感器，起先用在电子方面，涉及到军工的压力传感器。扩散微技术可以很方便地把电阻、接线片等在硅的晶圆片上进行加工。后来为了提高灵敏度，就开始在硅的背面加工成凹形，这时就有了硅杯结构。
MEMS传感器在上世纪七八十年代主要还停留在实验室阶段。80年代后期到90年代，随着半导体加工工艺越来越成熟，镀膜技术、光刻技术还有异形加工等可以对硅片在各个方面进行加工，使MEMS传感器可以进行商业化的生产，量产化的产品出现。从90年代开始纳米技术提升了MEMS商用化的可能性，因为之前的硅传感器尺寸做得还是比较大，和陶瓷相比没有太多的优势。随着纳米技术的出现，可以在微米级的薄膜厚度上操作。有这样的加工工艺之后，就可以从4寸开始，到6寸、8寸，直接加工成各种各样的MEMS硅材质、复合硅和压力硅。在MEMS产品中，压力相对是比较难做的一块。
我国对MEMS技术也很重视，从1989年开始立项，研究MEMS产业化。特别是十五计划将MEMS计划也列入863重大专项，国家每年有十几亿元投入到MEMS中。到目前为止，国内的MEMS研发机构较多，但是目前可能还是依托于以前的军工院所，例如49所、13所，包括沈阳工艺研究所等，同时各大高校，诸如北京大学、清华大学、重庆大学等有自己的MEMS研究实验室。我国也在建纳米城，在无锡物联网中心建了MEMS研发平台。因此，我国目前在微机械部分有一定的竞争力。现在一共是1600多家，接近1700多家MEMS厂家，压力类估计有七八十家。因此，我国已经具备一定的MEMS的微机加工能力。
国内IC代工厂的快速成长对MEMS行业也有很大的助推，诸如台积电(TSMC)和中芯国际(SMIC)等厂家。因为MEMS技术和IC技术是融合的，现在有一些IC厂家也在做转型，从IC向MEMS转型。
但是也出现的问题，我们的理论研究水平和国际相比相差不大，即产业布局、MEMS理论、硅杯结构的能力还是不错的，但是我们落后三个方面：1)工艺设计、制造技术和产业化推进。例如我们画一张图纸可以，但是要按图把它加工出来有一定的难度。2)测试技术，例如晶圆测试和美国、日本、德国有差距。3)产业化推进，需要更多的会议/展会，更多地和用户共同开发产品。牟横博士介绍了德国的经验，德国有四大院所系统，模式是和企业合作，而且向企业收费，即更加市场化。四大院所研发的产品、做的工艺都是为企业服务的，因为企业不可能建这么大的平台。
我国的MEMS技术工艺和制造特点
国外的MEMS已经进行了规模和量产。我国目前还是比较分散的，相对没有几家在芯片级做得比较可靠。究其原因就是在技术工艺和制造上的落后。
关于技术工艺和制造，本文介绍两点：传统的MEMS工艺、SOI(绝缘层上硅)的简单工艺。实际上就是把IC工艺和微系统加工工艺的结合，其中用到了很多在IC方面的工艺手段，例如光刻。如果是SOI要进行高温氧化，还有一层层往上生长、注入。有一点区别是，原来IC工艺大部分是属于二维加工，但是MEMS的加工大多数属于三维加工，所以MEMS的工艺难度和复杂度大大提高。
关于MEMS的特点，行业内有一条法则：一类产品，一个生产流程，一种组装方式。不像IC，IC还有摩尔定律可循，IC能把一个复杂的设计做成标准的工艺化，所以IC上批量很快，甚至有人称卖IC和卖白菜差不多，因为IC已经工艺化和模块化了。但是MEMS还是各自为政的状态，压力、加速度、位移等每种结构都不一样，有独特的封装模式。
我国MEMS在三方面落后于国外先进水平，尚需提高。
第一，设计。难在不是设计本身，而是验证设计。例如压力有一对相对的矛盾，传感器的灵敏度和过压是一对不可调和的矛盾，例如我做成15mm或18mm的，它的灵敏度高，但是过压又差了，这些过程如何在设计时就可以判断、分析出来?因为MEMS流片的成本较高，如果我们设计得不到位，会提升前期研发成本。这就需要很多的模拟仪器设备，这类模拟设备在全球比较少，生产厂家也往往是定制化的。因此希望政府或联盟有这样的测试和分析的设备平台。例如在德国的科研院所或高校有为数不多的几台，是公开为企业或个人使用的，只要你愿意承担费用，而且里面的技术人员会告诉你如何测，会验证你的设计思路。
第二，加工和代工。德尔森一年前刚刚回到中国，选择了江苏，因为江苏是芯片制造和MEMS较大的代工基地。然而尽管目前单体设备挺好，但是没有连成线，没有批量生产，即没有在生产状态，也就是加工的经验和工艺方面并不成熟。可见，我国的代工厂主要集中在IC代工，成熟的MEMS，特别是MEMS压力传感器的代工厂在国内还没有。
第三，封装。虽然这属于后工艺，但是在IC行业的封装已经很成熟了，一个IC封装的成本可能就几分钱，因为IC的封装对信号的影响不大。但是如果是传感器，尽管它是水平后道工艺，但是其封装会对传感器起到决定性的影响。例如压力传感器的封装是封装在什么金属及什么样的温度，这对于它的特性有影响。所以我国的一次封装技术还是处于初级阶段，一些工厂的封装还处于半自动状态，大部分是靠人的经验做，这样会影响传感器的一致性。
工业MEMS压力传感器的三个趋势
第一，集成。会把更多的器件集成在传感器上，让传感器更加智能化。但是这个过程会有一个矛盾，德尔森也做过这样的尝试，把一个温度二极管做在了传感器里，后来不用这个温度二极管了，因为用了以后对压力测量产生影响或波动，做工业级也许没有问题，但是如果做PA(过程自动化)，特别是做差压的时候有影响。所以“集成”应该是两种方向，在一些特定的行业，例如汽车、船舶或工业设备上集成度越高越好，这样体积越小、成本越低。但是对于过程控制、流程控制等PA级应用，测压力的应该是独立测压力的，希望在封装的时候做到集成化。例如德尔森做的硅杯封装，会把集成电路直接封装在里面，它已经做到数字化输出，在小小的泛15mm、泛18mm、泛19mm的硅组模块里做到数字化输出。同时芯片对压力信号的特性不影响。
第二，灵敏度。预计未来三五年压力MEMS传感器会进入红海市场。但是国内的企业和博世、霍尼韦尔这样的公司竞争还有一定的差距和难度。当然本土企业也有自己的优势，所以本土企业可以往一些特定行业发展，像微压力、微差压等方面的芯片传感器，因为它的附加值较高，这就需要改变它的结构，例如增大桥阻值，同时还要做到微量程的过压性能，例如船舶、汽车等行业。船级别验证必须要求过压。
第三，面向高温型或者是宽温区的MEMS传感器。让MEMS技术和SOI工艺结合，把MEMS的天生缺陷补足。因为一般的适用温度是150℃，现在SOI的瓶颈是到600℃，600℃以上单晶硅材质本身就变化很大。另外还有封装工艺的问题，也是一个课题。
MEMS传感器的应用
MEMS的应用和差压传感器还是比较广泛的。
第一，传统的PA和FA(工厂自动化)。我们补充传统电容、补充陶瓷，因为MEMS的差压有很好的一致性和稳定性，特别是单晶硅材。横河仪表宣传7年不需要校阻，是因为单晶硅本身就有这个特性。除了传统的工业应用之外，另外几块应用也是国家比较关注的，一个是船舶及海上作业平台，这方面扩散硅的传感器有一定的缺陷，包括原来的金属式和陶瓷式在这些应用上有缺陷，所以MEMS在船舶、海上作业上可以有更多的智能化，信号更好处理，而且可靠性更强，因为这些地方的调试和维修成本相当高。
第二，汽车与机修设备。汽车的机械部分已经发展得比较成熟，下一个十年主要竞争是在电子部分。汽车的MEMS传感器从加速度、陀螺、位移、胎压、油管的进/出量等等都已经采用MEMS传感器，现在博世、英飞凌和森萨塔等公司垄断了这块市场。
第三，物联网、医疗卫生、环境技术和能源管理等，也可利用MEMS传感器高集成度的特性，和互联网相结合。例如德尔森最近获得了农业方面的订单，需要对农业信号进行集中采集，特点是传感器越小越好。
德尔森单晶硅MEMS压力传感器
第一，如果做高端传感器，建议采用高纯度的单晶硅材质，材质的纯度越高，稳定性包括温度影响都小，而且建议不要采用硅玻璃方式，硅玻璃的成本比较低，但是玻璃的温度特性和形变特性和硅有一定的区别，所以建议采用全硅的硅杯。有多种的建核方式，用硅杯建核力度不够，或者是微玻璃硅，被称为三明治式硅。单晶硅整体性能会与复合硅和扩散硅不同。
第二，德尔森采用的是双梁悬浮式MEMS结构，特点是降低了温度的影响，提高了阻值。德尔森的产品阻值是10kΩ，可谓业内最高。阻值高了以后灵敏度增加，噪声降低，但是阻值也不能太高。德尔森试图做30kPa，但是发热量有一点大。
同时德尔森产品从外形结构上一共有6款芯片，现在都已批量生产。标准量程从最小的1kPa开始，做到了最小，这不是把芯片磨薄做小量程，这里的1kPa做压缩的时候压缩比也保证了，使精度不会损失太多，并且可以提高稳定性和一致性。
另外两个特点。德尔森的涡压特性做到最好，特别是在小量程，包括中量程，像1kPa是背向过压，因为正向过压会更好，间隔点是薄弱点，背向过压达到了1500倍，可以到1.5MPa，4kPa可以到2.5MPa，40kPa可以到4MPa，这样对于微量程的应用，无需中芯的保护机构。因为机械的中芯保护结构会影响传感器特性，所以芯片本身的特性好。第一本着德国风格就是要皮实，第二结构简单，可降低工艺成本和制造成本。长期稳定性可以看到温度变化下的回差，40kPa可以做到十万分之七和十万分之二的精度。所以除了工业应用外，现在也在往实验室仪器级的等级去做。德尔森也有离散型测试，而且是整个批量测试的结果来保证产品的一致性。(图说智能化整理编辑)
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