物联网终端的定义与分类，物联网终端的四个系统单元

很多朋友对物联网终端的定义与分类，物联网终端的四个系统单元不是很了解，每日小编刚好整理了这方面的知识，今天就来带大家一探究竟。

传感器和执行器是物联网系统的重要组成部分。智能传感器构成了物联网系统的感知层，是完成物联网系统数据采集的最直接的系统单元。独立的物联网终端一般由传感器、数据处理单元(处理器加存储器)、电源管理单元和无线通信单元组成。

传感器和执行器是物联网系统的重要组成部分。智能传感器构成了物联网系统的感知层，是完成物联网系统数据采集的最直接的系统单元。独立的物联网终端一般由传感器、数据处理单元(处理器加存储器)、电源管理单元和无线通信单元组成。在这样的终端中，传感器采集的数据经过数据处理单元的处理，通过无线通信系统传输到云端，实现与全网的连接。

物联网应用对传感器的要求包括器件小型化、功能集成化、低成本和批量制造。成本低和量产有直接关系。源于硅基集成电路制造技术的MEMS技术可以满足上述要求，成为物联网时代微传感器技术的主流生产技术。

图1物联网终端的四个系统单元广泛应用于MEMS。

MEMS是微机电系统的缩写。它有两个特点：一是器件尺寸在微米或纳米量级；其次，通常有一个悬浮的运动部件来实现传感或传输功能，如图2中的悬臂梁。当悬臂梁的运动状态发生变化时，设计的机电耦合装置将机械运动转化为电信号。

机电耦合的方法有很多。例如，如果悬臂梁和下电极形成电容器，则可以获得输出电压信号，并且可以获得关于悬臂梁运动的信息。通过在悬臂梁上附着一层能够感知外界环境的薄膜材料，即敏化层，可以制成多种传感器。例如，感测运动的传感器用于检测压力、加速度、运动方向、变形、流量、风等。

感知声波的MEMS麦克风是一种非常常见的声学传感器，已经广泛应用于手机和移动终端。附着在MEMS上的光敏层可以将光转化为热，改变悬臂梁的形状，从而形成光敏传感器、红外传感器等。

图2 MEMS器件结构示意图

MEMS技术还可以用电信号控制悬臂梁的运动来制作执行器，如微型电机、微型开关、微型泵、喷墨打印机等。广泛应用于手机的MEMS扬声器就是一种典型的执行器。MEMS还可以用于制造光学系统中使用的微镜、微投影、微快门和其他电控光学器件。还有一种是用MEMS技术制造的器件，利用悬臂梁的机械谐振功能制作高频滤波器，有望取代声表面波滤波器。

此外，还有能量采集装置，利用运动部件将机械动能转化为电能并储存起来。

作为一个产品，MEMS传感器出现的比较晚。20世纪80年代，第一个用于发动机控制的MEMS传感器是通过将硅悬臂梁结构封装在玻璃上制成的。20世纪90年代，MEMS加速度计开始用于汽车安全气囊。此外，MEMS压力传感器已经应用于血压计中。利用MEMS技术制造的喷墨打印头应用于打印机，成为第一个广泛使用的消费级MEMS致动器。

从2000年到2010年，MEMS传感器和执行器得到广泛应用，出现了测量轮胎压力的胎压传感器、监控摄像头和手机水平和垂直运动的陀螺仪、基于MEMS技术的麦克风和扬声器、MEMS开关、红外图像传感器、指纹识别传感器等一批产品。

2010年以来，在物联网技术需求的推动下，各种MEMS传感器和执行器被广泛应用于可穿戴系统、虚拟现实产品、智能家居、智能手机、智能制造、汽车和自动驾驶等领域(图3)。产品包括各种运动传感器和执行器、气体传感器/湿度传感器/光传感器、红外成像传感器等。

仅用于智能手机的MEMS器件就有十几种，包括9轴惯性传感器、MEMS麦克风、RF MEMS、气压计、温湿度传感器、气体传感器、自动对焦执行器、光学MEMS等等。未来可能会引入能量收集器、红外成像传感器、紫外传感器和超声波传感器。

图3快速增长的MEMS传感器和致动器应用了基于CMOS的制造技术。

MEMS制造技术源于CMOS集成电路制造技术。在过去的50年里，CMOS集成电路的制造技术发展迅速，成为历史上精细度和复杂程度最高的制造技术。单就器件尺寸而言，CMOS集成电路的线宽已经从70年代的1微米缩小到现在的20纳米，大大增加了单位硅衬底面积的器件数量。在器件图形化方面，CMOS工艺的工艺能力远远超过MEMS器件制造的要求。

可以说，CMOS集成电路制造技术为MEMS制造奠定了非常坚实的基础。另一方面，MEMS制造技术具有不同于CMOS制造的自身特点。首先，是其独特的悬臂梁构件成型工艺。目前悬臂梁成型工艺有两种，一种是牺牲层工艺，另一种是晶圆键合工艺。图4(左)显示了通过牺牲层工艺形成悬臂梁的流程图。

具体方法是在硅衬底表面沉积牺牲层，如二氧化硅层、结构层和多晶硅层。之后，特殊工艺包括通过诸如光刻、蚀刻、化学机械抛光(CMP)的CMOS图案化工艺暴露牺牲层，并用化学溶剂(湿法)或化学蒸汽(干法)蚀刻吸收层，以使结构层悬浮并形成悬臂梁。图4(右)示出了通过晶片键合工艺形成悬臂梁的流程图。

具体地，在硅衬底上形成悬臂梁下的空腔，然后结构层晶片的表面向下与衬底晶片键合。之后利用减薄技术从背面减薄结构晶片，只保留满足悬臂梁要求的厚度。然后通过诸如光刻和蚀刻的CMOS图案化工艺形成悬臂梁。

两种技术方案的区别在于，前者的工艺相对简单，只是在使用蒸汽刻蚀时需要引入专门的蒸汽刻蚀设备，基本可以使用现有的CMOS工业设备，与CMOS制造有很好的兼容性。但是晶圆键合工艺需要晶圆键合设备，所以技术复杂度比较高，因此增加了一些制造成本。其优点是悬臂梁质量高，工艺一致性好。

牺牲层工艺中，结构层是高温沉积形成的多晶硅材料，层内不可避免地存在残余应力。这样，薄膜生长工艺条件的波动很容易造成薄膜内部和薄膜之间的均匀性问题，甚至降低成品率。键合工艺形成的结构层是单晶材料，层内没有高温生长产生的应力，材料性能一致性好，对提高良率很有帮助。

图4制备MEMS悬臂梁结构的两种工艺流程。

MEMS技术不同于CMOS技术的另一个方面在于它对封装的特殊要求。对于CMOS来说，当器件通过互连布线时，可以通过侧面键合、倒装键合或者基于穿透硅(TSV)技术的多维(2.5D/3D)封装来布线，然后填充塑料封装。

对于MEMS，器件的悬臂结构必须能够自由移动。所以不能像CMOS一样填充封装，悬臂等元器件必须用盖帽盖住。帽中没有填充材料。特别是对于运动MEMS器件，需要在密封帽中保持真空。因此，MEMS封装带来了极大的工艺复杂性和成本增加。采用单芯片压盖工艺时，封装占真空封装MEMS制造成本的70%以上。

降低成本的一种方法是采用圆片级封装，即在硅片上设计制造腔体形成帽盖圆片，然后将帽盖圆片覆盖在器件圆片上，实现圆片级真空封装。为了匹配晶圆级封装，还应该考虑电引线的连接。图5示出了使用硅通过布线和晶片级封装完成的MEMS器件的结构示意图。

图5硅通孔连接完成的MEMS器件结构示意图和晶圆级封装的机遇与挑战

MEMS技术具有非常广阔的应用前景，尤其是在物联网时代，只有MEMS才能满足物联网应用对传感器和执行器的要求。首先，MEMS的尺寸完全满足物联网应用的小型化要求。其次，MEMS技术和CMOS技术的兼容性，很容易满足物联网对传感器和执行器的智能化要求。使用同一条工艺线，可以同时制造CMOS集成电路和MEMS器件，并实现它们的异构集成。

异构集成可以通过在同一个芯片上制造和连接，或者在不同的晶圆上制造，然后通过2.5D或者3D封装集成到同一个系统中来实现。第三个优势是MEMS在能量损耗方面的优势。物联网应用在功耗方面的要求比其他应用环境要严格得多。MEMS的感知和执行模式使其成为低能耗的器件，最有可能成为满足物联网功耗要求的技术。

另一个优点是可以满足物联网对传感器/执行器数量的要求。硅基集成电路技术可以在一个晶片上制造成千上万个MEMS传感器，而且制造成本低。由于R&D投资开发CMOS制造技术，MEMS制造所需的设备和工艺制造技术已经存在。稍加调整和开发，即可用于MEMS生产。

事实上，目前国际上MEMS制造使用的生产线主要是CMOS主流产品制造中已经淘汰的8英寸线。使用这些生产线不仅可以满足大规模制造的要求，还可以降低每个MEMS的制造成本，以满足消费产品的价格要求。

由于MEMS市场应用种类繁多，产品生产技术多样化，给中小企业带来了机遇。尤其是之前有技术积累的企业，会在很多市场找到机会，赢得企业的快速发展。但另一方面，MEMS生产技术的发展和企业的成长也面临着一些特殊的挑战。

首先，MEMS的市场细分突出，使得单个产品的总需求远小于集成电路产品，而MEMS产品生产线的投资相对较大，投资风险高，投资回报周期长，一定程度上限制了MEMS行业和企业的发展。

为了解决中小企业在产业技术开发和获得投资者信心方面的困难，促进国家和地方MEMS产业的集聚和发展，一个可行的措施是建立公共技术研发平台，为中小企业提供工艺研发和中试服务，努力减少投资的盲目性，增强初创企业的生成能力。

近年来，中科院微电子所建立了完整的MEMS技术中试线，为企业提供工业标准生产设备的R&D服务，取得了良好的社会效益。相信通过国家、地方政府和企业的共同努力，践行产学研合作理念，一定能够克服产业发展中遇到的困难，推动MEMS产业快速发展，及时满足物联网技术发展对传感器和执行器不断增长的需求。

以上知识分享希望能够帮助到大家！