在最近的大型展會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)計工具的改進(jìn),。
MEMS器件的集成度已經(jīng)提高,，并且在價格上也有所下降，這樣一來在許多應(yīng)用方面都極具競爭優(yōu)勢,。它們的集成水平不斷提高,，從具備單獨(dú)驅(qū)動程序,、信號調(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,。
; V$ h y: q1 h0 T! e- R. f8 @* ^( P有關(guān)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(yīng)傾斜,、運(yùn)動,、位置、震動和顫動,。這些器件廣泛應(yīng)用于消費(fèi)品,、計算機(jī)、汽車,、工業(yè),、醫(yī)藥和科研市場。
7 G) ]- y+ j% ?6 P7 D從功能上講,，現(xiàn)在MEMS器件的應(yīng)用幾乎包羅萬象,，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和臺灣的Wolshin(生產(chǎn)MEMS濾波器)、以及Teravicta和 Magfusion(生產(chǎn)MEMS開關(guān)),。
* |$ l) r7 j1 E) k- j8 B, K+ }MEMS技術(shù)甚至正在對常見的磁控開關(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。
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汽車市場正在逐步發(fā)展壯大,。MEMS器件發(fā)展最快的一個應(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�,，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(shù)和市場的權(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)比其相對較高的成本重要�,！�
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(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)中要使用三到五個這樣的傳感器,，”VITI Technologies的市場和銷售總監(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,，同時在發(fā)動機(jī)支架中安裝執(zhí)行器,。”
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“新的應(yīng)用通常會從高端汽車市場開始,。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”應(yīng)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(yù)言將來“殺手級”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。
以下公司制造的MEMS加速計占據(jù)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(yīng)用卻是在輪胎壓力監(jiān)測方面,，美國政府國家公路運(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)測系統(tǒng),。汽車行業(yè)分析公司J.D. Power & Associates預(yù)測,，截至2007年，轎車中將配備1,700多萬套輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng),。
! G }/ Y8 W; ]$ \* d/ M- e( a目前,，汽車電子供應(yīng)商更喜歡用直接壓力監(jiān)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(jù)參數(shù)計算的，而不是根據(jù)實(shí)際的內(nèi)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(tǒng)時，每個輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)都包含一個微控制器和一個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& Y( x' {6 ~% [: SMelexis對輪胎壓力監(jiān)測系統(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)測系統(tǒng),。結(jié)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(jù)Melexis的輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)產(chǎn)品經(jīng)理Dirk Leman的觀點(diǎn),，對于無源的直接輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)而言,，每個輪室傳感/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)。動能是可由輪胎運(yùn)動產(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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根據(jù)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(jiān)測系統(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。
VTI Technologies還提供輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)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(lǐng)域。
- {1 k% S+ r- PMEMS 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,、便攜式血壓測量計,、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)的測試
% h p2 k7 Y. d2 M/ a測試和封裝占據(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)建了整體自動化MEMS測試系統(tǒng),，但是這些領(lǐng)域仍處于發(fā)展階段,。
6 I% H; U, G; `, R例如，在2004年度COMS會議上,，F(xiàn)raunhofer微電子和系統(tǒng)研究院所作的報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測試、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,。
( A$ O. m" T7 vSuss-MicroTec在MEMS測試方面取得了重大的突破，它開發(fā)出晶片級的MEMS器件的下一代測試設(shè)備(圖5),。該設(shè)備提供了標(biāo)準(zhǔn)化的測試方法,，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,，甚至是液體來進(jìn)行模擬或測量,。
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Suss設(shè)備的一項(xiàng)主要應(yīng)用就是測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,、微量熱型探測器,，甚至聲學(xué)MEMS揚(yáng)聲器。
8 }7 w0 q- J6 Y T. w. ?6 p軟件助了一臂之力
6 G7 L+ m1 b6 Q* T2 r! l3 F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,，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(jìn)行了說明,。因此，設(shè)計者可以較低的成本將使用MEMS的產(chǎn)品更快地投入市場,。最近,，Coventor發(fā)布了一種汽車“設(shè)計工具集”軟件包。通過該軟件包,，MEMS設(shè)計者可以構(gòu)造復(fù)雜的器件,，如用于汽車領(lǐng)域的加速計、陀螺儀和壓力傳感器,，這些都需要經(jīng)過多次物理域分析,。
RF應(yīng)用將不斷擴(kuò)大
在MEMS 器件的應(yīng)用中，RF MEMS的微波和毫米波應(yīng)用是利潤最為豐厚的一項(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)。
; N$ F) X$ ~- w1 E6 r1 }( J8 ORF 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、路由延時相移網(wǎng)絡(luò)和可電子重構(gòu)天線中進(jìn)行轉(zhuǎn)換繞線,。
RF MEMS在軍事領(lǐng)域和汽車行業(yè)應(yīng)用最多,。在軍事應(yīng)用方面的一個目標(biāo)領(lǐng)域就是相陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)－單個相陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)可以使用50萬個RF MEMS開關(guān)。盡管汽車領(lǐng)域并不是一個很大的市場,，但是其中包括雷達(dá)防撞系統(tǒng),。
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(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。
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在無線通信領(lǐng)域中的應(yīng)用,。此外，RF MEMS器件將在無線手機(jī)和基站領(lǐng)域創(chuàng)造重大機(jī)遇,。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在國防安全應(yīng)用中的發(fā)展還會在很大程度上影響RF MEMS器件的用戶,。
預(yù)言未來
預(yù)計MEMS器件將繼續(xù)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(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,。
: z. c3 z: |- r/ {; ^) G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(tài)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(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)險投資,。
: Z8 _: {: e5 h6 x6 K最終，無論我們何時提到MEMS技術(shù),，一定會提到納米技術(shù),，即微型化的下一個邏輯步驟。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。
作者：Roger Allan
