| 微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)正逐漸進(jìn)入消費(fèi)品,、工業(yè)、醫(yī)藥,、汽車及計算機(jī)應(yīng)用市場,。而且，我們不能忽視它們在儀器,、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)的繁榮時代已經(jīng)到來,。 9 k( I9 R' |% z9 Z1 Q
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(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),。 - a, C" L) s/ q0 d C0 O; p
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,。 A; F! b/ i L4 s5 r) X
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,。
' ^ ~; p9 w; g$ t0 w% k; G4 x2 h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)),。 8 R3 g! [& ~4 R* X; @5 b
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。 5 ^$ w- e, s& a* e1 Q9 n
“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,。“許多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,�,！� + X) L( O; {% T5 ?+ N
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(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,。
G8 s4 n/ f, h7 @# N7 D$ o3 G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),。 " C% i. a" @# N S2 P d
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,。
8 j7 n- Z9 E" aMelexis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,。
+ k T) e" x2 ^! O1 d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,，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。 $ X g& r0 S% g4 Y" x% D, E
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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。 - h% [+ P( h, i. v3 C' I& H
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。 2 u$ D( E1 W& [+ ?+ Y
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,、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 # y7 e% K9 l& Q8 D7 O" ?
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。
2 H3 P p& q: Y8 m5 D6 @8 K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,。 0 R, u* |" b1 J. o' E+ N- @. n% ~
Suss-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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% `. ?% @) _3 G, Y( f9 DSuss設(shè)備的一項主要應(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,。
3 H0 |* g0 b! i4 @軟件助了一臂之力 " `" ]8 t) s, B9 E( G0 }% K- G
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(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。
% c( Z. v8 m% N' ^6 c# WRF應(yīng)用將不斷擴(kuò)大
5 t; m9 u, u4 u1 d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,。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。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)。 4 d6 |2 g( l8 P
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、路由延時相移網(wǎng)絡(luò)和可電子重構(gòu)天線中進(jìn)行轉(zhuǎn)換繞線,。
2 R- c* q* s& f4 I' @* ]6 VRF 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),。 4 @; g% o1 @' u+ N* v6 i; ^
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,。 ( N9 m/ m; K {$ `5 u( i
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。 1 z! I4 X8 Q3 x% R
預(yù)言未來 . B3 V0 D- P% }1 c
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。
3 x! a0 u) B! R$ ?4 R1 g- p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,，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)研究實驗室以及風(fēng)險投資。
$ D. c8 W) A+ y. _9 o+ z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,。
( \5 q& s$ f( T: p) A作者：Roger Allan _1 A& V+ c2 l! I& n/ q9 p1 Q
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發(fā)表于 2006-3-26 21:27:20
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