| 微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)正逐漸進(jìn)入消費(fèi)品、工業(yè)、醫(yī)藥、汽車及計(jì)算機(jī)應(yīng)用市場(chǎng)。而且，我們不能忽視它們?cè)趦x器、軍事和科研行業(yè)的穩(wěn)步進(jìn)展。顯而易見，微機(jī)電系統(tǒng)的繁榮時(shí)代已經(jīng)到來(lái)。
; J3 W* L3 ?. b7 Q 在最近的大型展會(huì)中的大量演講都說明了這一事實(shí)。MEMS技術(shù)的成熟為何如此迅速？ 許多觀察者認(rèn)為其原因有三：MEMS集成電路測(cè)試、原型開發(fā)和封裝的標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)，MEMS生產(chǎn)和工藝的進(jìn)步，以及軟件設(shè)計(jì)工具的改進(jìn)。
+ l r0 t+ e, {! P" [( NMEMS器件的集成度已經(jīng)提高，并且在價(jià)格上也有所下降，這樣一來(lái)在許多應(yīng)用方面都極具競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。它們的集成水平不斷提高，從具備單獨(dú)驅(qū)動(dòng)程序、信號(hào)調(diào)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。
2 e" I: c, }- l. S" u/ {有關(guān)后者的一個(gè)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(jì)。這些電容性MEMS傳感器可以感應(yīng)傾斜、運(yùn)動(dòng)、位置、震動(dòng)和顫動(dòng)。這些器件廣泛應(yīng)用于消費(fèi)品、計(jì)算機(jī)、汽車、工業(yè)、醫(yī)藥和科研市場(chǎng)。
1 G: R( g3 ?9 F" W8 I, I1 j從功能上講，現(xiàn)在MEMS器件的應(yīng)用幾乎包羅萬(wàn)象，其中包括各種類型的傳感器、開關(guān)、可調(diào)諧電容器、電感器、天線、傳輸線、濾波器和諧振器。最大的供應(yīng)商包括Agilent Technologies和Infineon(生產(chǎn)諧振器)、Memscap和臺(tái)灣的Wolshin(生產(chǎn)MEMS濾波器)、以及Teravicta和 Magfusion(生產(chǎn)MEMS開關(guān))。 5 q2 F1 F+ e8 L) X- L% F
MEMS技術(shù)甚至正在對(duì)常見的磁控開關(guān)發(fā)起挑戰(zhàn)。Memscap已開發(fā)出一種表面貼裝式MEMS 電磁接近開關(guān)，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(guān)，目前市場(chǎng)上最小的磁控開關(guān)，體積仍然是這種開關(guān)的兩倍以上。憑借頂級(jí)濾波器供應(yīng)商的顯赫地位， Memscap成為制造MEMS器件的主要廠家。 1 T8 [+ n0 t- k
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汽車市場(chǎng)正在逐步發(fā)展壯大。MEMS器件發(fā)展最快的一個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域就是汽車行業(yè)。目前，所有的轎車都使用了許多壓力傳感器和加速計(jì)傳感器，其中以駕駛員和前排乘客安全氣囊的自動(dòng)膨開功能為最?，F(xiàn)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(cè)面碰撞氣囊，另一類用于翻車時(shí)用到的頂部氣囊。 - H# |$ j( n# h% K- f1 d% Q
“在汽車市場(chǎng)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(shù)和市場(chǎng)的權(quán)威人士?！霸S多MEMS器件最初應(yīng)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(yuǎn)比其相對(duì)較高的成本重要?！?/P>7 s* d- f/ z1 M% G0 S+ _: b. ]
例如，自適應(yīng)駕駛控制和電子控制懸架系統(tǒng)，它們都使用VTI Technologies的MEMS低重力加速計(jì)(0.5到12g)(圖2)?！拔覀兪歉叨似噺S商最大的供應(yīng)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(chǎn)品。在輪轂和參照點(diǎn)(如后備箱)中要使用三到五個(gè)這樣的傳感器，”VITI Technologies的市場(chǎng)和銷售總監(jiān)Rick Russell說，“汽車制造商甚至考慮在馬達(dá)減震中使用這些傳感器，同時(shí)在發(fā)動(dòng)機(jī)支架中安裝執(zhí)行器?！?/P>! M5 V/ c; K% j7 A
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5 \( g2 ?9 C6 C' \% S+ e“新的應(yīng)用通常會(huì)從高端汽車市場(chǎng)開始。然后，再轉(zhuǎn)向低成本、高產(chǎn)量的車型，”Grace說。盡管，目前汽車中的“殺手級(jí)”應(yīng)用包括歧管絕對(duì)壓力(MAP)和安全氣囊加速計(jì)傳感器，但是Grace預(yù)言將來(lái)“殺手級(jí)”應(yīng)用的范圍將更廣泛，如角速率、輪胎充氣、輪速、自適應(yīng)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。
" I6 g6 s6 r# ~3 K/ V/ C0 C以下公司制造的MEMS加速計(jì)占據(jù)了約90%的MEMS汽車市場(chǎng)：Analog Devices、Bosch、Dalsa、Delphi-Delco、Denso、Infineon、Motorola、VTI Technologies和X Fab。然而，更廣的應(yīng)用卻是在輪胎壓力監(jiān)測(cè)方面，美國(guó)政府國(guó)家公路運(yùn)輸和安全管理局(NHTSA)的TREAD(運(yùn)輸召回加強(qiáng)、責(zé)任和歸檔)法案對(duì)此進(jìn)行了明文規(guī)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(jiān)測(cè)系統(tǒng)。汽車行業(yè)分析公司J.D. Power & Associates預(yù)測(cè)，截至2007年，轎車中將配備1,700多萬(wàn)套輪胎壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。 ; [' B3 f5 G6 K2 U2 q5 N
目前，汽車電子供應(yīng)商更喜歡用直接壓力監(jiān)測(cè)方法來(lái)代替間接方法，為轎車的每個(gè)輪胎的輪轂中都配備了壓力傳感器。使用間接方法時(shí)，輪胎壓力是根據(jù)參數(shù)計(jì)算的，而不是根據(jù)實(shí)際的內(nèi)部輪胎壓力計(jì)算的，因此，輪胎壓力是一個(gè)估計(jì)值，而不是精確的讀取值。而使用直接系統(tǒng)時(shí)，每個(gè)輪胎壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)都包含一個(gè)微控制器和一個(gè)RF發(fā)送器，該發(fā)送器將信息通過儀表板上的讀數(shù)器傳遞給駕駛員。 ; B& c/ r) K% t
Melexis對(duì)輪胎壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了細(xì)致的研究，內(nèi)容包括間接、直接方法以及它認(rèn)為是“智能型”的輪胎壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。結(jié)論是，哪種方法最好尚無(wú)定論。其中的一個(gè)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。 c" u5 f, ?; e% i
根據(jù)Melexis的輪胎壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)產(chǎn)品經(jīng)理Dirk Leman的觀點(diǎn)，對(duì)于無(wú)源的直接輪胎壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)而言，每個(gè)輪室傳感/發(fā)送系統(tǒng)的生產(chǎn)成本可能達(dá)到6美元，而使用電池的系統(tǒng)的生產(chǎn)成本則為5美元。事實(shí)上，該公司已使用“能量采收”和13MHz磁耦合技術(shù)證明了這樣的系統(tǒng)(圖3)。動(dòng)能是可由輪胎運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的，或者通過裝在輪室內(nèi)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(yīng)產(chǎn)生。
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) t; I0 z8 t- W: G9 ~6 _根據(jù)Siemens VDO Automotive的分析，每輛新車的平均成本估計(jì)只要增加66.33美元，即可使用直接輪胎壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該公司正與Goodyear Tire and Rubber Co.合作，為歐洲車輛開發(fā)使用RF傳輸?shù)倪@種系統(tǒng)。該系統(tǒng)名為Tire IQ，它使用兩個(gè)由Hitachi Maxell Ltd開發(fā)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(dá)到10年。 + [- s6 p/ V: B% h) ?: z
VTI Technologies還提供輪胎壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中用的8g MEMS加速計(jì)。該公司宣布明年將研制出一種三軸加速計(jì)，它可以用于更多的汽車和非汽車領(lǐng)域。 , S' u+ t" {' B. I3 C5 V$ G% p% w
MEMS 的身影已經(jīng)出現(xiàn)在智能家居消費(fèi)領(lǐng)域。家庭影院投影電視中就用到MEMS器件，該投影電視應(yīng)用了Texas Instruments的數(shù)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(jì)、便攜式血壓測(cè)量計(jì)、吹風(fēng)機(jī)、健身設(shè)備、洗衣機(jī)、電冰箱、洗碗機(jī)、微波爐、烤箱、真空吸塵器和家庭安全系統(tǒng)等。唯一缺少的就是可將這些基本構(gòu)造單元連接起來(lái)的網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)而能讓家庭變得更加智能化。
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更加經(jīng)濟(jì)的測(cè)試
. p0 m! f, g" F: P3 X測(cè)試和封裝占據(jù)了MEMS器件最終成本的很大一部分。 盡管ETEC等公司已率先創(chuàng)建了整體自動(dòng)化MEMS測(cè)試系統(tǒng)，但是這些領(lǐng)域仍處于發(fā)展階段。
# L& p/ u; ^" Y0 s5 m* N9 D例如，在2004年度COMS會(huì)議上，F(xiàn)raunhofer微電子和系統(tǒng)研究院所作的報(bào)告中提到一種非常經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)設(shè)施，它可以進(jìn)行整體集成壓力傳感器的晶片級(jí)測(cè)試、校準(zhǔn)和組裝。該系統(tǒng)的精確率低于±1%，年產(chǎn)量為幾百萬(wàn)個(gè)傳感器。在這次會(huì)議上，Scanimetrics討論了采用無(wú)線探針卡的改良晶片級(jí)測(cè)試方法。該公司說，這將大大提高晶片測(cè)試的有效性，并且可以降低測(cè)試成本。 ' ?- ]! B/ e! D" B( j$ o6 ]. N
Suss-MicroTec在MEMS測(cè)試方面取得了重大的突破，它開發(fā)出晶片級(jí)的MEMS器件的下一代測(cè)試設(shè)備(圖5)。該設(shè)備提供了標(biāo)準(zhǔn)化的測(cè)試方法，從而降低了成本。該設(shè)備可以在處于工作狀態(tài)的MEMS器件所處的高溫和低溫環(huán)境和潮濕條件下使用聲音、光線、壓力、運(yùn)動(dòng)，甚至是液體來(lái)進(jìn)行模擬或測(cè)量。 * S. M K4 N$ \( w5 `% l' t
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% T8 [1 |- C$ \% s! jSuss設(shè)備的一項(xiàng)主要應(yīng)用就是測(cè)試汽車輪胎壓力傳感器。其他的目標(biāo)應(yīng)用領(lǐng)域還包括慣性傳感器、微量熱型探測(cè)器，甚至聲學(xué)MEMS揚(yáng)聲器。
* g ~- E, k* r7 |$ h7 _# c6 P0 v軟件助了一臂之力 , [8 Z% A4 ^8 p; L7 R
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(shí)際上，都可能達(dá)到總產(chǎn)品成本的80%。盡管MEMS器件的封裝開發(fā)正在進(jìn)行當(dāng)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(jìn)行MEMS芯片設(shè)計(jì)，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(kù)中對(duì)幾何形狀和封裝材料類型進(jìn)行了說明。因此，設(shè)計(jì)者可以較低的成本將使用MEMS的產(chǎn)品更快地投入市場(chǎng)。最近，Coventor發(fā)布了一種汽車“設(shè)計(jì)工具集”軟件包。通過該軟件包，MEMS設(shè)計(jì)者可以構(gòu)造復(fù)雜的器件，如用于汽車領(lǐng)域的加速計(jì)、陀螺儀和壓力傳感器，這些都需要經(jīng)過多次物理域分析。
2 H( a" }" o. k% E7 yRF應(yīng)用將不斷擴(kuò)大
. l) x4 \- g* {$ l ^2 c6 v7 H( G在MEMS 器件的應(yīng)用中，RF MEMS的微波和毫米波應(yīng)用是利潤(rùn)最為豐厚的一項(xiàng)。與傳統(tǒng)的商用器件相比，RF MEMS器件除了具備進(jìn)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(zhì)因數(shù)等優(yōu)點(diǎn)。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(jī)提供RF MEMS開關(guān)。 F5 S i% [" q& H6 I& z4 W
RF MEMS開關(guān)表現(xiàn)出優(yōu)越的RF特征，例如在RF頻率較低(VHF約為10GHz)的串聯(lián)配置開關(guān)中，插入損耗約為0.1dB，隔離度約為30dB。這使得這些開關(guān)非常適合在RF前端、電容器組、路由延時(shí)相移網(wǎng)絡(luò)和可電子重構(gòu)天線中進(jìn)行轉(zhuǎn)換繞線。 6 y, i) _; F' W# O
RF MEMS在軍事領(lǐng)域和汽車行業(yè)應(yīng)用最多。在軍事應(yīng)用方面的一個(gè)目標(biāo)領(lǐng)域就是相陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)－單個(gè)相陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)可以使用50萬(wàn)個(gè)RF MEMS開關(guān)。盡管汽車領(lǐng)域并不是一個(gè)很大的市場(chǎng)，但是其中包括雷達(dá)防撞系統(tǒng)。 ! b4 Z3 i C7 _: @
在一年或兩年的時(shí)間里，工作頻率為10GHz及更高的RF MEMS器件將應(yīng)用于高速儀器前端和汽車?yán)走_(dá)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(duì)較高的成本。 此外，RF MEMS在軍用雷達(dá)、智能武器和衛(wèi)星通信設(shè)備的應(yīng)用前景也很樂觀。 9 L7 C% A7 g [1 d7 `
根據(jù)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(jīng)證明了RF MEMS開關(guān)的用處，并且預(yù)計(jì)將在以后的幾年中進(jìn)行試驗(yàn)并大規(guī)模生產(chǎn)這些產(chǎn)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(jìn)一步拓寬RF MEMS在無(wú)線通信領(lǐng)域中的應(yīng)用。此外，RF MEMS器件將在無(wú)線手機(jī)和基站領(lǐng)域創(chuàng)造重大機(jī)遇。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在國(guó)防安全應(yīng)用中的發(fā)展還會(huì)在很大程度上影響RF MEMS器件的用戶。
, \( c0 u! Q$ H7 p4 t, _2 J7 Z7 Q; a9 Q4 t預(yù)言未來(lái) 2 F/ @0 m* ~9 I3 ~: ~
預(yù)計(jì)MEMS器件將繼續(xù)提高集成水平，最終成為一個(gè)芯片，它不僅可以容納MEMS元件及其信號(hào)調(diào)理電子器件，而且還可以容納控制電子器件?！拔覀兇_實(shí)需要對(duì)混合和單片IC提供更高的集成水平，包括單個(gè)封裝中的通信功能和智能?！盙race說。 + R- H1 o3 E* l5 X- T$ @
新型材料將增加MEMS的商業(yè)吸引力。目前，許多麥克風(fēng)和微型揚(yáng)聲器MEMS器件都是使用電容型轉(zhuǎn)換器制造的。然而，研究表明可以用MEMS鐵電薄膜來(lái)代替。鐵電薄膜更容易制作，不要求極化電壓，而且它們的動(dòng)態(tài)范圍更廣泛。在許多國(guó)家(加拿大、中國(guó)、德國(guó)、法國(guó)、印度、韓國(guó)、墨西哥、荷蘭、臺(tái)灣和英國(guó))以及美國(guó)的許多州已建立起20多個(gè)MEMS技術(shù)“群集”，標(biāo)志著MEMS正在發(fā)展和成熟。根據(jù)Grace的觀點(diǎn)，這些“群集”往往在研發(fā)中心區(qū)域出現(xiàn)，那里有學(xué)術(shù)和工業(yè)研究實(shí)驗(yàn)室以及風(fēng)險(xiǎn)投資。
! @/ \. m' E. _6 V. p# f/ R最終，無(wú)論我們何時(shí)提到MEMS技術(shù)，一定會(huì)提到納米技術(shù)，即微型化的下一個(gè)邏輯步驟。但是，納米技術(shù)還需解決眾多的技術(shù)障礙，才能取得商業(yè)性成功。
7 q: ?6 }8 l# c作者：Roger Allan ( G4 a8 u- {1 _ T P! }
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發(fā)表于 2006-3-26 21:27:20
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