高速开展的电子及其制作技能使微机电体系（Micro-Electro-Mechanical-SySTems ，MEMS）敏捷遍及。其实依据MEMS技能的加速度传感器、压力传感器、陀螺仪等已经有30余年的运用前史，但因为技能和本钱等多方面的原因，这些技能首要运用于工业、军事、轿车制作、仪器仪表，及医疗等范畴，而未进入消费类产品商场。现在的状况则已大幅改观，MEMS技能已不像几十年前那样贵如珠宝，低本钱、小规范、低功耗、高功用的MEMS传感器产品已掀起新的规划和消费浪潮。
依据MEMS技能的多轴加速度传感器现在首要运用于游戏机和手机、硬盘防下跌维护、便携式设备的健身计步丈量，以及数码相机/摄相机的防抖等。除此之外，用于丈量热效应、光强度及压力等物理量的物理传感器（Physical Sensor）也是未来的要点之一。
ST一向致力于MEMS技能的广泛运用和进行新产品与新技能的开发方面的投入。其首先出资建立了先进的八英寸晶圆出产线，一起推进互补的协作伙伴关系。ST的方针是MEMS产品在消费范畴的遍及和量产，成为该技能消费性浪潮的推手。
1. MEMS概述
微机电体系指经过硅晶圆微加工技能制作的三维机械电子结构，60年代时开端在半导体厂中呈现。人们的日常日子中常常能见到MEMS技能的物理传感器，用来感测加速度、角速度、压力和声压等。
轿车电子是现在开展敏捷的商场，MEMS技能在其间随处可见。例如轿车动态控制和安全气囊等一切的自动和被动式安全体系中，都运用加速度或偏移率（Yaw Rate）传感器来维护乘客的生命安全；为下降油耗，压力传感器也运用在引擎歧管（Engine Manifolds）和汽油管（Fuel Lines）中。
MEMS技能在活泼的消费电子商场掀起了产品规划立异的高潮。关于消费性商场来说，微机电产品一般会是在技能与经济考虑下的最佳解决计划，并且供给了微型化和高档程度的未来开展蓝图。最成功的运用之一便是加速度传感器在任天堂的Wii和Sony的PS3游戏机中带来的全新控制体会。曩昔加速度传感器只被用于轿车中的自动及被动式安全体系傍边，一些安全法规的要求是其在轿车电子中运用的驱动力之一。今天，“感测及简化”已成为MEMS在消费产品商场的价值定位地点，打扫运用者和电子设备这个杂乱国际之间的一切隔膜也是规划大师Naoto Fukusawa-san的愿望。此外，三轴加速度传感器也可用来规划硬盘放下跌设备，维护数据的安全；便携式设备的UI控制也能够经过它来完成更人性化的功用。
MEMS元件与芯片中的CMOS相同，运用半导体晶圆厂来出产制作。但不同之处是，MEMS元件不只仅是电子产品，还结合了许多机械结构，如连硅质绷簧（Spring）、电极（Electrode）、薄板（Membrane）和悬臂梁（CanTIlever）等可移动的组织。此外，硅微加工元件常常会与传统石英或压电式产品存在价格、规范及效能上呈现竞赛。
加速度计和陀螺仪等运动感测器将移动侦测的才能带到硅组件傍边。 这类组件在轿车商场的运用会继续添加，一些法案的要求正是其间的驱动力之一；在消费性商场中的运用也将会大幅前进，其添加率会十分快速。 多轴加速度计曩昔只被用于轿车中的自动及被动式安全体系傍边，但现在已更广泛被用于笔记型电脑、硬盘机、手机和游戏控制器中。 除了轿车动态控制体系外，偏移率感测器（陀螺仪）也用于改进数位相机和开麦拉的印象安稳性。 此外，运动感测器和磁力计可望整合为运动量测单元，共同为手持设备供给个人化导航功用，从而让电信业者所供给的方位型服务（LBS）能够执行。
业界猜测加速度传感器和陀螺仪等运动传感器在消费电子产品商场中的运用将继续添加，且添加会十分敏捷。
多轴加速度传感器给硅组件带来运动勘探才能，现在被广泛用于硬盘驱动器、手持设备、笔记本电脑、手机、游戏机等设备中。陀螺仪也被用于数码相机和摄像机中，为其防抖动功用供给支撑。此外，运动传感器和磁力计可望整合为运动传感单元，共同为手持设备供给个人化导航功用，从而为电信运营商所供给的定位类服务（LBS）供给渠道。
微型压力传感器曾在轿车中很多运用，首要会集在胎压侦测等；此外，医疗器械也是其首要商场之一。现在跟着技能的前进使开发本钱逐步下降和规范愈加轻浮，微型压力传感器估计将很快被消费类商场承受，并用于无线通讯等新范畴。
手机和笔记本电脑因为规范的约束，运用外表贴装技能（SMT）的传统驻极体电容式迈克风的时用遭到约束，因而依据MEMS技能的电容式硅晶迈克风将在该商场敏捷遍及。
加速度传感器、陀螺仪、压力传感器等多种元件的集成将是未来的必然趋势。MEMS产品供货商需求依据客户的需求，开发能将多种传感器整合在一起的通用技能渠道。THELMA和VENSENS即为ST推出的两款用于传感器整合的技能渠道。ST的MEMS产品制作和研制都在先进的八英寸MEMS晶圆厂中进行，能使上市时刻缩短，敏捷满意商场需求。此外，该公司还在活跃开发多轴陀螺仪、压力传感器和电容式硅晶迈克风等，也活跃与其它公司协作推出具有商场潜力或满意客户要求的传感器产品。
2. 物理传感器的微加工技能
因为硅晶体具有极佳的电特性、机械特性和热量特性，故已成为MEMS制作中最受欢迎的一种资料。MEMS传感器一般经过与芯片根本制程技能相同的所谓的微加工（Micro-Machining）制程技能来加工和制作。但是，石英、玻璃、塑料和陶瓷等其他资料也可用于微加工或微成形。例如石英和陶瓷就常被用于晶振（CrySTal Resonator）和柯氏力型陀螺仪中。
硅晶体除了具有优胜物理特性，其有目共睹的另一个原因是工业结构方面的考虑。全球微电子工业已投入巨大的资金并堆集很多专业经历来建构一个安定的工业根底结构。制作商可把用于硅芯片出产而开发的老练制作技能来出产MEMS元件，并运用硅晶圆一起出产数千个微加工组件。巨大的经济规划曾经是让电子工业成功的重要条件，现在MEMS正能够从这种办法中仿制成功的技能和经历，来规划和很多制作硅原料的微电子组件，一起还可致力于电晶体规范的进一步缩小。别的，晶圆的制程序要极端严厉的程序和流程来办理，因而与其他制程办法比较较，规划可重复性和出产良品率更高。
硅的物理特性很独特。其原料较脆，但不简略发生塑料性形变；它能够钢铁更坚固，但分量只要其三分之一。因为资料的这些特性，其与集成电路整合规划后，由MEMS组织中的振膜或悬梁臂等移动结构所发生的电信号即可供给该传感器的丈量物理量或控制才能。
MEMS现在被广泛运用首要原因是极小的规范、极高的牢靠性和低功耗特性，比较其它较大体积的竞赛产品能做到更快和更准确的操作。另一方面，关于普通用户来说，尤其是在价格为主导的消费性的范畴，本钱上的考虑更是不能被忽视的。
现在MEMS元件的规范还归于微米级，选用较前期的6英寸晶圆厂即可出产制作；但跟着消费商场对相关运用需求的敏捷添加以及价格方面的压力，未来几年中，估计许多厂商将会移转到8英寸出产线中。ST早已完成了向8英寸出产线的搬运，在技能和本钱两方面极佳的竞赛优势使公司在商场中占有了自动。
现在许多微加工制程都衍生自根本的IC制作技能，如光刻（Photolithography）、资料堆积（Material DeposiTIon）、反响离子（ReacTIve Ion）和化学刻蚀（Chemical Etching）等。仅管现在越来越多的组件的制作正在向CMOS制程整合，但因为详细状况的不同，仍需求针对不同的运用做不同的考虑。
例如MEMS元件微加工的规范大约在数十到数百微米之间，与芯片电路仍有距离；因而湿式蚀刻、生成或电镀薄膜、晶圆堆叠、导通孔（Vias）及干式蚀刻等是今天常见的微加工制作程序。特别应当说到的是，MEMS组件还会用到金或玻璃介质（Glass Frit）等资料，而这些在CMOS制程中是彻底制止的。
为完成差异化的竞赛优势，MEMS供货商近几十年来依据本身和设备的特色，以及所拿手的制程过程，都纷繁开宣布合适自己产品的专有微加工制程技能。
各厂商的专有制程可大致分为两大类：体型微加工和外表型微加工。体型微加工经过基板的移除来构成期望做到的结构，是一种“减法制程”。适用于来规划较厚的结构，规划者能够自由地决议需求的基板厚度，不过微加工结构的形状会遭到硅基板的结晶面结构的约束。与之相对的外表型微加工则归于“加法制程”，首要流程是依据详细需求经过不同的工序将不同资料层的单个区域移除或留下，基板层则保持原样不动。因为资料层薄膜（Film）在基板上能生成或堆积的厚度有限，该技能开端只限于约2微米的薄型组件，但现在新的晶圆黏合（Wafer Bonding）技能有助于规划出较厚的元件。运用这些光刻技能，本来十分杂乱且高度立异的机械性结构也能变得相对简略许多。
3. THELMA和VENSENS微加工制程
ST现在在进行量产的微加工制程有THELMA和VENSENSE两种，均归于体型和外表型微加工技能的混合性制作技能。
THELMA全称为Thick Epitaxial Layer for Microgyroscopes and Accelerometers，首要适用于加速度传感器、陀螺仪及迈克风等高效能和低本钱的运动传感器。THELMA制程从规范的硅晶圆开端，其上会有榜首层做为阻隔的氧化物层（约2微米）。接着会沈积一层互连用的多晶硅层，以及第二献身氧化层（约2微米）；再在这层中担任作为固定组织的支撑端及移动组织的固定端（Anchor）的单个点上进行蚀刻，以发生孔洞。随后一个较厚的垒晶层（约15微米）会在其上生成，再以一片光罩来对这一层进行蚀刻，以发生兼具移动和固定单元的结构。 终究，这一结构下方的献身氧化层会以等向性蚀刻（Isotropic Etching）办法被去除，以使移动单元成形。为下降或消除由湿度或空气密度变异而发生的效应，从而影响此元件的共振频率，此结构邻近的敞开空间充满了空气，一般是枯燥的氮气。第二片晶圆会紧接着被黏合到榜首片之上，以维护细小的组织在进行射出成形（InjecTIon Molding）程序时施以的高压下也不会遭到破坏。
表一 CMOS、体型、外表型、THELMA、VENSENS微加工制程的比较
VENSENSE为Venice Process for Sensor的缩写，可完成十分小型化的压力传感器。其也由一片规范硅晶圆开端，其成果与选用体型微加工的晶圆黏结制程的成果较为相似，专属的干式和湿式硅蚀刻混合过程能够生成单晶硅层，并在其上构成一层厚度小于3微米的献身层，结构层的厚度能够到达20微米。但与体型微加工比较，VENSENSE能制出更薄、更小和机械功用更安稳的芯片；此外，孔隙的密合并不需求任何晶圆与晶圆间的黏结，因而密合连接的牢靠性更高。
因为单晶硅具有极佳的电子特性，经过布植（Implantation）或分散（Diffusion）等制程能够将安稳牢靠的电阻整合进结构层中。接着这些电阻会和一个铝质金属层相连，完成惠斯通电桥（WheatSTone Bridge）的四个分支。此金属层接着被规范的绝缘体，如Silicon-Oxynitrid等，所掩盖，以供给对外部腐蚀性药剂的维护才能。因电桥具有极佳的单晶硅层压阻特性，因而对压力的改动适当灵敏。
4. 消费电子商场中的运动传感器
消费电子商场有其本身的特色，消费产品需求完成贱价、低功耗、低电压、小型化。MEMS产品供货商必需求前进新产品的开发速度，一起还要保持与轿车电子相同的牢靠性。
加速度传感器陀螺仪已被广泛用于轿车和医疗器械商场，例如轿车的自动或被动式安全体系和心律调整器等。消费商场的制作手法与轿车电子商场一般选用的大、厚且贵重的陶瓷等封装技能不同，其比较偏好可外表贴装的封装办法，以及小、薄和低本钱的解决计划。例如ST于2002年发布的全模造塑料封装（Full Molded PLGA）现在被业界广泛运用而成为一项制程规范。凭仗该技能，ST只用了不到3年的时刻即将其3轴加速度传感器系列产品从100立方毫米微型化到10立方毫米的封装规范。
轿车用传感器不经过电池来供电，因而功耗并不是技能难点，而较高的抗震功用十分重要。此外更广的温度规模和更高的产品可信度也是轿车产品商场的根本要求。而针对消费商场，功耗和电压则成为要点之一。现在消费产品的供电电压已降到1.8 V，电流有必要小于1.0 mA。
因为手持设备没有固定的结构作为参阅，而用户期望各个方向上的动作都能被加速度传感器勘探并完成相应的功用，因而现在多轴传感器计划为消费性商场的干流。
模仿式输出的传感器计划也逐步被数字式产品所替代，因为数字式计划使产品整合更简略，软件开发更快速。此外，添加中止功用的引脚位能简化终究产品的整合，也是客户的需求之一。针对这些需求，ST开发了二轴、三轴、模仿与数字式加速度传感器以习惯不同的运用。ST还供给参阅规划和评价套件，及专用开发软件东西。
单芯片单封装的单体式（Monolithic）和双芯片单封装混合式（Hybrid）是商场上的两种首要解决计划。多芯片单封装的解决计划不只具有最佳的本钱效益，还供给了快速量产所需求的模块化和弹性化方面的要求，对消费性商场十分重要。但是，因为实践体系在本钱、上市时刻等方面的要求，选用最合适的计划才是正确的办法。现在将感测单元和接口电路整合在一起是可行的，但并不一定是最佳解决计划。有时选用规范CMOS技能来制作杂乱的控制电路反而更能满意功用和本钱两方面的需求。
ST推出的加速度传感器和陀螺仪选用两颗芯片单一封装的体系级封装（SiP）计划。两颗芯片中，一颗经过THELMA微加工技能制作而成，对惯性或柯氏力很灵敏；另一颗能够是模仿或数字控制芯片，用并排或堆叠的办法来与THELMA加工成的机械性组件封装在一起。
在SiP构架中，微加工传感器器芯片将加速度转换为差分电容改动量，另一颗接口芯片将细小的电容改动量（atto-farad规模）转换成模仿或数字格局的输出信号。
SiP的办法可加速多轴陀螺仪等新式运动传感器的开发。因为ST选用相似LEGO（乐高）玩具式的模块化规划，陀螺仪的机械和电子模块可运用与已量产的多轴加速度传感器相同的技能渠道，规划人员可对多轴加速度传感器中已验证的功用模块进行复用（Re-Use），以加速研制的速度，并完成较低的开发本钱。此外，得利于Land Grid Array封装装备完成的弹性，ST可敏捷将其芯片中的恣意两个模块整合为终究产品，乃至包含接脚的调整。
5. 消费电子商场中的压力传感器
压力传感器的传统运用为压力和气流等物理量的丈量，首要场合为工业、轿车和医学等。依据MEMS技能的压力传感器可用于丈量电阻或电容改变量等物理值。其加工制作首要选用前文说到的体型加工或外表型加工，或两者的混合办法。压力传感器资料一般为硅半导体，规范的硅基板或更贵重的绝缘层上覆硅（Silicon-On-Insulator， SOI）基板相同被用来作为开始层资料。
压力传感器可分为电阻式和电容式两种，并别离对应不同的加工制程。体型微加工技能是电阻式压力传感器较佳的挑选；而电容式压力传感器一般比较合适选用外表型微加工技能制作。
电阻式的作业原理运用了硅晶的压阻特性，将细小的振膜应力转变为细小的电阻值变量，电容式压力传感器则运用两个平行板，一个固定，另一个则是以垂直于芯片平面的方向移动的薄振膜。当呈现移动时，这两板之间会呈现极小的电容值改变，并发生输出。输出的电阻或电压值会传送给接口电路，并转变为电压值。与运动传感器的作法相同，接口电路能够以芯片或封装造型来完成整合。选用SiP结构可供给较大的规划弹性，并加速产品上市的速度。
厂家的定制化的制程现在是MEMS微加工技能的干流，而并未呈现所谓的抱负制程。但不管商场上存在多少不同的半导体晶圆厂和制程，消费类产品的关键是一向是价格、规范和功用之间的取舍。这种状况造成了现在只要少量的厂商能为消费性商场供给可行的解决计划的现象。例如在规范的体型微加工解决计划中，封装部分往往是本钱中的首要部分，而经过VENSENS技能可制作出规范仅为0.8mm x 0.8 mm，厚度约0.3 mm的低本钱小型化全硅晶式（Full Silicon）压力传感器，其优势就在于使功用与封装办法无关，扫清了进入本钱主导的消费产品的妨碍。ST最近发布的最新HLGA（Holed Land Grid Array）封装专利技能，可使其压力传感器的出产复用（Re-Use）运动传感器既有出产东西，让顾客能取得更小和更薄的封装。
6.运动与压力传感器的消费性运用类型
