| 微機電系統(tǒng)(MEMS)正逐漸進入消費品,、工業(yè),、醫(yī)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(yè)的穩(wěn)步進展。顯而易見,，微機電系統(tǒng)的繁榮時代已經(jīng)到來,。
. G8 {. x3 n7 k" l6 Z5 |0 h 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,？ 許多觀察者認為其原因有三：MEMS集成電路測試,、原型開發(fā)和封裝的標準開發(fā)，MEMS生產(chǎn)和工藝的進步,，以及軟件設(shè)計工具的改進,。
: w# n0 y% g4 S$ HMEMS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。
c9 H7 m' y8 M* v# z$ ^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(yè)、醫(yī)藥和科研市場,。
5 y4 s2 @+ s7 Q# S從功能上講,，現(xiàn)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(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)),。
% c0 L% w3 m( CMEMS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商的顯赫地位,， Memscap成為制造MEMS器件的主要廠家。
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/ F7 ]" n2 z- y3 L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,。
, W0 h$ O7 S0 `$ q) F“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,�,！�
* j/ k X' m2 G; A例如，自適應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),。“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(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減震中使用這些傳感器,，同時在發(fā)動機支架中安裝執(zhí)行器�,！� : D& `/ ?) A% A1 D3 j# p/ r
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: ~# T" B1 ?) @$ E; N& f# i/ H g“新的應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,。 % N; O0 e& }3 u8 T$ p
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,，更廣的應用卻是在輪胎壓力監(jiān)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(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),。 2 a+ V- K3 i9 z3 `
目前，汽車電子供應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,。
: t8 q+ X5 `% [% R1 I' OMelexis對輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)進行了細致的研究，內(nèi)容包括間接,、直接方法以及它認為是“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。
1 U6 |" M7 w; }- K4 ~8 l8 {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產(chǎn)生,。 & m2 y$ W1 j% o% r. n
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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，甚至可能達到10年,。
/ v- n3 r' X: }# e; N) H0 UVTI 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 A& J4 h0 Q" ^1 C E, S" o9 A% i
MEMS 的身影已經(jīng)出現(xiàn)在智能家居消費領(lǐng)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(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、吹風機,、健身設(shè)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(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),，進而能讓家庭變得更加智能化。 9 _! T) ]9 f& s8 j4 |6 q
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更加經(jīng)濟的測試
( h5 h' q1 E( h$ b4 g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。 # L* k; C \+ k9 h8 N! i6 z5 n
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)濟的基礎(chǔ)設(shè)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(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。
+ ^4 r( x& o: m4 O1 iSuss-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)備提供了標準化的測試方法，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,、運動,，甚至是液體來進行模擬或測量。 4 G' Z9 K; C9 \
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Suss設(shè)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(lǐng)域還包括慣性傳感器,、微量熱型探測器，甚至聲學MEMS揚聲器,。
, n4 {; A* G+ _3 L軟件助了一臂之力
4 ~7 Q: f5 @3 I* p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(chǎn)品成本的80%,。盡管MEMS器件的封裝開發(fā)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(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,。
. `- O3 M* x) K# G. Q4 QRF應用將不斷擴大 2 h$ V( {( X% W+ {' D9 h) o# C: J7 @* o$ h
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(tǒng)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(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一直為手機提供RF MEMS開關(guān),。
* o# |# t& ~- M. M) J9 R6 k! DRF 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)天線中進行轉(zhuǎn)換繞線,。 / S/ v$ n# F/ W8 p/ ?" s( ~
RF MEMS在軍事領(lǐng)域和汽車行業(yè)應用最多。在軍事應用方面的一個目標領(lǐng)域就是相陣雷達系統(tǒng)－單個相陣雷達系統(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,，但是其中包括雷達防撞系統(tǒng)。
, _& i; V# c) L( [" T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(wèi)星通信設(shè)備的應用前景也很樂觀,。
9 O% q$ n4 ~/ [5 s: {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,，并且預計將在以后的幾年中進行試驗并大規(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,，從而進一步拓寬RF MEMS在無線通信領(lǐng)域中的應用。此外,，RF MEMS器件將在無線手機和基站領(lǐng)域創(chuàng)造重大機遇,。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在國防安全應用中的發(fā)展還會在很大程度上影響RF MEMS器件的用戶。 ' R; ?7 J7 v0 H+ o! N1 G$ p
預言未來 9 i2 w* ?/ t/ W8 A' T1 f
預計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。 - S& V& e( i& `1 a8 Z* ^
新型材料將增加MEMS的商業(yè)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(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),，那里有學術(shù)和工業(yè)研究實驗室以及風險投資,。
5 y5 U% Q; P% \3 V. p" Y6 E# U- 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。
0 |* P, e8 J8 W# p, ^% K作者：Roger Allan 3 p$ l6 W" g# C* }- J. G7 N
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發(fā)表于 2006-3-26 21:27:20
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