微機電系統[2]

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老鷹

電梯直達

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發表于 2006-3-26 21:27:20 | 只看該作者 |倒序瀏覽 |閱讀模式

微機電系統(MEMS)正逐漸進入消費品、工業、醫藥、汽車及計算機應用市場。而且，我們不能忽視它們在儀器、軍事和科研行業的穩步進展。顯而易見，微機電系統的繁榮時代已經到來。

在最近的大型展會中的大量演講都說明了這一事實。MEMS技術的成熟為何如此迅速？許多觀察者認為其原因有三：MEMS集成電路測試、原型開發和封裝的標準開發，MEMS生產和工藝的進步，以及軟件設計工具的改進。

MEMS器件的集成度已經提高，并且在價格上也有所下降，這樣一來在許多應用方面都極具競爭優勢。它們的集成水平不斷提高，從具備單獨驅動程序、信號調理、接口和控制電子的分立器件，一直到同一芯片上匯集幾乎所有功能的單片元件。

有關后者的一個很好例子就是Freescale Semiconductor推出的一系列新型低成本的低重力加速計。這些電容性MEMS傳感器可以感應傾斜、運動、位置、震動和顫動。這些器件廣泛應用于消費品、計算機、汽車、工業、醫藥和科研市場。

從功能上講，現在MEMS器件的應用幾乎包羅萬象，其中包括各種類型的傳感器、開關、可調諧電容器、電感器、天線、傳輸線、濾波器和諧振器。最大的供應商包括Agilent Technologies和Infineon(生產諧振器)、Memscap和臺灣的Wolshin(生產MEMS濾波器)、以及Teravicta和 Magfusion(生產MEMS開關)。

MEMS技術甚至正在對常見的磁控開關發起挑戰。Memscap已開發出一種表面貼裝式MEMS 電磁接近開關，尺寸為1.8 x 1.8 x 0.8mm(圖1)。它代替了體積較大的磁控開關，目前市場上最小的磁控開關，體積仍然是這種開關的兩倍以上。憑借頂級濾波器供應商的顯赫地位， Memscap成為制造MEMS器件的主要廠家。

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汽車市場正在逐步發展壯大。MEMS器件發展最快的一個應用領域就是汽車行業。目前，所有的轎車都使用了許多壓力傳感器和加速計傳感器，其中以駕駛員和前排乘客安全氣囊的自動膨開功能為最。現在，許多汽車制造商都在額外的安全氣囊中使用MEMS傳感器，一類用于側面碰撞氣囊，另一類用于翻車時用到的頂部氣囊。

“在汽車市場上，MEMS器件的可能用途在70種以上，”Roger Grace Associates主席Roger H. Grace說，他是MANCEF的前任主席，MEMS技術和市場的權威人士?！霸S多MEMS器件最初應用于高端汽車中，如奔馳和寶馬，與低端汽車相比，它們的性能和便利性遠比其相對較高的成本重要?！?/P>5 L9 D; Z- O0 }& `. t( u

例如，自適應駕駛控制和電子控制懸架系統，它們都使用VTI Technologies的MEMS低重力加速計(0.5到12g)(圖2)。“我們是高端汽車廠商最大的供應商，例如沃爾沃、奔馳、卡迪拉克，為他們的電子控制懸架提供MEMS產品。在輪轂和參照點(如后備箱)中要使用三到五個這樣的傳感器，”VITI Technologies的市場和銷售總監Rick Russell說，“汽車制造商甚至考慮在馬達減震中使用這些傳感器，同時在發動機支架中安裝執行器?！?/P>' @1 l' ~' |. b E* c

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“新的應用通常會從高端汽車市場開始。然后，再轉向低成本、高產量的車型，”Grace說。盡管，目前汽車中的“殺手級”應用包括歧管絕對壓力(MAP)和安全氣囊加速計傳感器，但是Grace預言將來“殺手級”應用的范圍將更廣泛，如角速率、輪胎充氣、輪速、自適應剎車、燃料氣化、油管、凸輪軸/曲軸位置、線傳控制和乘客座位等。

以下公司制造的MEMS加速計占據了約90%的MEMS汽車市場：Analog Devices、Bosch、Dalsa、Delphi-Delco、Denso、Infineon、Motorola、VTI Technologies和X Fab。然而，更廣的應用卻是在輪胎壓力監測方面，美國政府國家公路運輸和安全管理局(NHTSA)的TREAD(運輸召回加強、責任和歸檔)法案對此進行了明文規定。該法案要求2006年以后制造的所有車輛中都需配備輪胎壓力監測系統。汽車行業分析公司J.D. Power & Associates預測，截至2007年，轎車中將配備1,700多萬套輪胎壓力監測系統。

目前，汽車電子供應商更喜歡用直接壓力監測方法來代替間接方法，為轎車的每個輪胎的輪轂中都配備了壓力傳感器。使用間接方法時，輪胎壓力是根據參數計算的，而不是根據實際的內部輪胎壓力計算的，因此，輪胎壓力是一個估計值，而不是精確的讀取值。而使用直接系統時，每個輪胎壓力監測系統都包含一個微控制器和一個RF發送器，該發送器將信息通過儀表板上的讀數器傳遞給駕駛員。

Melexis對輪胎壓力監測系統進行了細致的研究，內容包括間接、直接方法以及它認為是“智能型”的輪胎壓力監測系統。結論是，哪種方法最好尚無定論。其中的一個問題就是傳感器電池電源，它必須能夠在極端溫度條件下正常工作，還要能耐熱和抗震。

根據Melexis的輪胎壓力監測系統產品經理Dirk Leman的觀點，對于無源的直接輪胎壓力監測系統而言，每個輪室傳感/發送系統的生產成本可能達到6美元，而使用電池的系統的生產成本則為5美元。事實上，該公司已使用“能量采收”和13MHz磁耦合技術證明了這樣的系統(圖3)。動能是可由輪胎運動產生的，或者通過裝在輪室內的RFID天線和輪胎壓力傳感器上的接收器之間的電磁耦合作用感應產生。

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根據Siemens VDO Automotive的分析，每輛新車的平均成本估計只要增加66.33美元，即可使用直接輪胎壓力監測系統。該公司正與Goodyear Tire and Rubber Co.合作，為歐洲車輛開發使用RF傳輸的這種系統。該系統名為Tire IQ，它使用兩個由Hitachi Maxell Ltd開發的耐高溫(總電壓為3V)、鋰錳(LiMnO2)鈕扣電池，這種電池的壽命至少為五年，甚至可能達到10年。

VTI Technologies還提供輪胎壓力監測系統中用的8g MEMS加速計。該公司宣布明年將研制出一種三軸加速計，它可以用于更多的汽車和非汽車領域。

MEMS 的身影已經出現在智能家居消費領域。家庭影院投影電視中就用到MEMS器件，該投影電視應用了Texas Instruments的數字光處理器(DLP)(圖4)。其他例子還有立體聲組合音響、電視游戲、健康秤、溫度計、便攜式血壓測量計、吹風機、健身設備、洗衣機、電冰箱、洗碗機、微波爐、烤箱、真空吸塵器和家庭安全系統等。唯一缺少的就是可將這些基本構造單元連接起來的網絡，進而能讓家庭變得更加智能化。

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更加經濟的測試

測試和封裝占據了MEMS器件最終成本的很大一部分。盡管ETEC等公司已率先創建了整體自動化MEMS測試系統，但是這些領域仍處于發展階段。

例如，在2004年度COMS會議上，Fraunhofer微電子和系統研究院所作的報告中提到一種非常經濟的基礎設施，它可以進行整體集成壓力傳感器的晶片級測試、校準和組裝。該系統的精確率低于±1%，年產量為幾百萬個傳感器。在這次會議上，Scanimetrics討論了采用無線探針卡的改良晶片級測試方法。該公司說，這將大大提高晶片測試的有效性，并且可以降低測試成本。

Suss-MicroTec在MEMS測試方面取得了重大的突破，它開發出晶片級的MEMS器件的下一代測試設備(圖5)。該設備提供了標準化的測試方法，從而降低了成本。該設備可以在處于工作狀態的MEMS器件所處的高溫和低溫環境和潮濕條件下使用聲音、光線、壓力、運動，甚至是液體來進行模擬或測量。

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Suss設備的一項主要應用就是測試汽車輪胎壓力傳感器。其他的目標應用領域還包括慣性傳感器、微量熱型探測器，甚至聲學MEMS揚聲器。

軟件助了一臂之力

正如前面提到的，封裝成本占了MEMS器件最終成本的一大部分。實際上，都可能達到總產品成本的80%。盡管MEMS器件的封裝開發正在進行當中，但還是軟件起了很大的幫助作用。用于開放工具封裝的三維軟件(例如由Coventor提供的軟件)可以大幅降低封裝成本。這些MEMS專用的軟件包允許工程師們按照頭腦中的封裝方式進行MEMS芯片設計，之后再將芯片放入封裝或選擇封裝。該軟件包含各種開放工具封裝類型的模型表示，軟件庫中對幾何形狀和封裝材料類型進行了說明。因此，設計者可以較低的成本將使用MEMS的產品更快地投入市場。最近，Coventor發布了一種汽車“設計工具集”軟件包。通過該軟件包，MEMS設計者可以構造復雜的器件，如用于汽車領域的加速計、陀螺儀和壓力傳感器，這些都需要經過多次物理域分析。

RF應用將不斷擴大

在MEMS 器件的應用中，RF MEMS的微波和毫米波應用是利潤最為豐厚的一項。與傳統的商用器件相比，RF MEMS器件除了具備進一步集成和微型化的潛力以外，還擁有低功耗、高線性和高品質因數等優點。而且，還可以采用許多不同的工藝制造這些器件，如使用硅、砷化鎵(GaAs)、碳化硅(SiC)和絕緣硅(SOI)基片等。在過去的幾年里，Agilent Technologies和Infineon一直為手機提供RF MEMS開關。

RF MEMS開關表現出優越的RF特征，例如在RF頻率較低(VHF約為10GHz)的串聯配置開關中，插入損耗約為0.1dB，隔離度約為30dB。這使得這些開關非常適合在RF前端、電容器組、路由延時相移網絡和可電子重構天線中進行轉換繞線。

RF MEMS在軍事領域和汽車行業應用最多。在軍事應用方面的一個目標領域就是相陣雷達系統－單個相陣雷達系統可以使用50萬個RF MEMS開關。盡管汽車領域并不是一個很大的市場，但是其中包括雷達防撞系統。

在一年或兩年的時間里，工作頻率為10GHz及更高的RF MEMS器件將應用于高速儀器前端和汽車雷達中。與其他方法相比(通常，沒有其他方法)，這些器件的高層次性能將抵消其相對較高的成本。此外，RF MEMS在軍用雷達、智能武器和衛星通信設備的應用前景也很樂觀。

根據Wicht Technologie Consulting(WTC)的分析，如Fujitsu、IBM、Intel、Matsushita、Memscap和Philips等大公司，以及如 Discera、Epcos、LG、Electronics和MEMX等其他公司已經證明了RF MEMS開關的用處，并且預計將在以后的幾年中進行試驗并大規模生產這些產品。研究還表明，可以在集成CMOS器件的同一基片上集成高壓RF MEMS器件，從而進一步拓寬RF MEMS在無線通信領域中的應用。此外，RF MEMS器件將在無線手機和基站領域創造重大機遇。無線傳感器網絡在國防安全應用中的發展還會在很大程度上影響RF MEMS器件的用戶。

預言未來

預計MEMS器件將繼續提高集成水平，最終成為一個芯片，它不僅可以容納MEMS元件及其信號調理電子器件，而且還可以容納控制電子器件。“我們確實需要對混合和單片IC提供更高的集成水平，包括單個封裝中的通信功能和智能?！盙race說。

新型材料將增加MEMS的商業吸引力。目前，許多麥克風和微型揚聲器MEMS器件都是使用電容型轉換器制造的。然而，研究表明可以用MEMS鐵電薄膜來代替。鐵電薄膜更容易制作，不要求極化電壓，而且它們的動態范圍更廣泛。在許多國家(加拿大、中國、德國、法國、印度、韓國、墨西哥、荷蘭、臺灣和英國)以及美國的許多州已建立起20多個MEMS技術“群集”，標志著MEMS正在發展和成熟。根據Grace的觀點，這些“群集”往往在研發中心區域出現，那里有學術和工業研究實驗室以及風險投資。

最終，無論我們何時提到MEMS技術，一定會提到納米技術，即微型化的下一個邏輯步驟。但是，納米技術還需解決眾多的技術障礙，才能取得商業性成功。

作者：Roger Allan