微機電系統(MEMS)技術有望給各個年齡層的個人、各種產業乃至我們整個社會帶來更加深遠的影響。這種技術正從器件級轉向器件內外部都需要新興技術的系統級平臺。
這兩個領域的成功將實現用于智能傳感和情境感知的新平臺，從而使消費電子、生物醫療、工業、環境、通信、安全、運輸市場以及基礎設施監測和金融應用受益良多。
MEMS器件制造商必須應對傳統業務模式偏離的局面(傳統上，MEMS IC制造商為OEM制造器件，OEM將這些器件封裝成最終產品)。他們必須專注于客戶的具體需求、最終產品的使用環境和使用方式，以及如何使產品更易于操作。對于要求低成本的市場(如消費電子市場)，關鍵在于更高的集成度，即以具有成本效益的方式合并CMOS和MEMS。
這些觀點在兩場近期舉行的MEMS大會，即MEMS技術峰會和MEMS管理者大會上的演講中，得到了證實。
按照會議的冠名，MEMS技術峰會匯集了MEMS產業群體的“名流”。此會議還肩負著回顧過去25年來MEMS技術的進步以及展望未來的雙重目的。此外，它還是MEMS產業先鋒Nova Sensor公司成立25周年的紀念會，創始團隊的成員組織了此活動。美國微機電系統產業協會(MIG)是MEMS管理者大會的贊助單位。
“芯片外部的考量涉及系統工程設計的本質。芯片是系統真正的使能者。但是，它需要熱管理和互連策略等諸多其他功能的支持，從而創建最合適客戶應用的解決方案。”Roger Grace Associates總裁Roger Grace表示。
“這種MEMS解決方案的其他主要功能包括MEMS至系統的接口(往往是帶具有嵌入式軟件/算法的微控制器內核的ASIC)、電源以及網絡芯片，所以這些功能都以魯棒且具有成本效益的方式組合在一起。創建這種方法的基本原則(圖1)是系統工程設計、可靠性分析、可制造性和可測試性設計以及協同設計。”Grace補充道。
圖1：MEMS芯片外部的考量對于創建最適合客戶應用的解決方案而言正變得越來越有必要。
這涉及系統工程設計、可制造性和可測試性設計以及協同設計。
MEMS IC制造商目前也動作頻頻。比如，飛思卡爾半導體公司借助Xtrinsic產品組合開創了新的傳感時代。這種品牌的傳感器在設計時明智地結合了智能集成、邏輯和可定制軟件，可實現更智能且差異化程度更高的應用。
圖2：Kionix三軸KGY13陀螺儀采用5×5×0.9mm3 24引腳LGA封裝，針對大眾市場消費電子應用
MEMS和非MEMS半導體IC制造商正在借助他們的產能和產品，全力以赴地投入到他們所認為的巨大新市場商機中。英特爾實驗室(Intel’s Labs)副總裁兼總監Vida Ildereme表示，英特爾正借助嵌入式單晶片系統(silicon-on-a-chip) IC的開發，尋找嵌入式應用中的智能傳感商機。該公司力圖打造其在微處理器領域的領導地位，開創嵌入式應用的新功能和戰略方向。
“MEMS和其他傳感技術對消費電子、智能電網和醫療市場產品的重要性正與日俱增，”Ildereme表示，“智能傳感和情境感知服務將借助數以億計的無線連接設備，為嵌入式市場帶來巨大的商機。”
圖3：高通MEMS技術公司的Mirasol MEMS顯示屏將于今年年初用于電子書設備中，該設備可以15幀/秒的幀速率提供XGA格式。它采用干涉儀調制技術(其原理是將一個簡單的真空沉積薄膜結構置于玻璃基板上)，無需背光電源。
即使是開創幾乎所有MEMS技術的學術界，也在尋找贏利的市場機會。據美國密歇根大學教授，也是該校無線集成微系統(WIMS)工程研究中心前院長的Kensall Wise表示，這種無線設備正在推動設計用于盲區測量的自動和自主生物醫學系統的發展。
圖4：密歇根大學無線集成微系統(WIMS)中心的這款手表大小的用于環境監測的氣相色譜儀適合iPod Shuffle的尺寸。它在每次分析時可在幾秒到一分鐘的分析時間內在每十億分析物中檢測出30到50種有機蒸氣污染物。
巨大的消費類市場
最近幾年來，消費電子市場正以創紀錄的數字使用多軸MEMS加速度計和陀螺儀，其應用范圍涵蓋智能手機、數碼相機、筆記本和膝上型電腦、平板電腦、電視遙控、游戲機、玩具、個人導航設備和GPS設備。加速度計和陀螺儀正在向芯片中增加更多功能，同時保持更小的尺寸和更低的成本——這是消費電子市場的兩個必備要求。
威特艾傳感技術(VTI Technologies)、索尼(Sony)和松下(Panasonic)等新晉公司，正擠身Invensense、意法半導體(STMicroelectonics)和愛普生拓優科夢(Epson Toyocom)等成熟MEMS陀螺儀制造商行列。此外，博世傳感技術(Bosch Sensortec)和Kionix也有望進入這一市場。
Invensense借助其MPU-6000系列產品，實現了集成式MEMS陀螺儀領域的突破，該系列產品在4×4×0.9mm3的裸片上集成了一個充當硬件加速度計引擎的數字運動處理器以及一個三軸陀螺儀和加速度計，可實現9軸傳感器融合。
最近被羅姆公司(Rohm Co. Ltd.)收購的Kionix公司在消費類應用MEMS慣性傳感器產量上排名第三，該公司借助兩款5×5×0.9mm3新型數字陀螺儀(雙軸KGY-12和三軸KGY13 LGA封裝，圖5)的推出，充分發揮了其在針對消費類市場的易于使用的加速度計領域的專業技術優勢。這些陀螺儀針對具有內置的用戶可編程、定向拍打、定向震動和自由落體運動監測任務算法的具體應用。
圖5：附屬于美國佐治亞理工學院的CaridoMEMS公司的這款經過FDA批準的采用RF技術的埋植式無線壓力傳感器可用來治療動脈瘤(動脈瘤是導致心力衰竭的首要原因)。該傳感器通過一個只需幾分鐘即可完成的導管插入術插在病人心臟附近，無需任何外部電源供電。
“我們最大的工程設計人員編制是應用工程設計，對于我們而言，這些人員是在為終端用戶開發應用。”Kionix公司首席執行官Greg Calvin表示，“我們的客戶希望我們向其提供他們想要的最終解決方案——可向他們提供關于器件是否在移動以及位于縱向還是橫向模式的信息的寄存器。客戶不希望受到原始數據處理的困擾，或者他們沒有能力處理原始數據。”
多數MEMS陀螺儀都采用叉和梳等不均衡開環振動體工作。相反，Silicon Sensing Systems公司采用諧振頻率為22kHz的3mm閉環振動環。該振動環可視為無數個采用均衡振動圓形結構的音叉。該公司宣稱，這種方法可實現成本更低、功耗更低且更輕的MEMS陀螺儀。同時，Qualtre公司正在其陀螺儀中采用聲體波(bulk acoustic-wave，BAW)技術，據稱，這種陀螺儀的加工成本和功耗都要比其他陀螺儀低。
MEMS慣性管理組件(IMU)是MEMS陀螺儀的一個分支，它包含高度集成的MEMS加速度計和陀螺儀。十幾年來，這些器件已被用于導航、飛行控制和穩定性功能。如今，更高的集成度促進了價格的日益降低，從而使IMU能夠用于新興的保健和工業應用中。
圖6：一個由60個與視網膜相連的電極組成的陣列和一個MEMS視網膜泵被設計用于通過視網膜的電刺激引起視覺感知，來治療由視網膜色素變性和老年性黃斑變性等疾病引起的失明。Second Sight的這種小型第二代產品Argus II不會引起排斥反應，植入時可以重新注滿，還可進行給藥編程。
新前景
惠普公司(HP)策劃人Rich Duncombe最近公布了其公司的一些計劃，旨在為需要傳感解決方案的產業和實體提供傳感解決方案，并以服務的形式銷售這些解決方案。這一策略從根本上背離了MEMS IC制造商為OEM制造器件而OEM將這些器件封裝成最終產品的傳統業務模式。
雖然惠普是采用MEMS技術噴墨打印頭的主要制造商，但是該公司計劃利用其最近開發的低功耗、低噪聲和高分辨率MEMS加速度計傳感器平臺，與需要此類數據的客戶在該平臺上進行共同構建。
“我們已經宣布了與殼牌石油公司(Shell Oil Co.)攜手開發無線傳感系統的合作協議，這種無線傳感系統可在殼牌石油公司勘探油井時極難進行數據采集的區域采集到極高分辨率的陸上地震數據。”Duncombe表示。
“我們將向任何有需求的客戶提供這種‘系統’級解決方案，同時我們看到了這一舉措背后巨大的市場商機。”在談到交通系統、基礎設施和能源監測領域的巨大商機時，他補充道，“即使是金融行業也可以采用這種生物識別和驗證服務。”
環境和工業應用也可能被證明是MEMS器件最大的兩個潛力市場。MEMS傳感器與自主無線網絡相結合時，將開創振動和健康監測基礎設施以及鐵路、橋梁、水壩、樓宇和飛機等結構的新時代。
模擬器件公司(ADI)最近推出了首款MEMS三軸振動分析系統，可幫助工業設計人員提升系統性能、降低維護成本。ADIS16227 iSensor振動監測器在15mm3的小型封裝內采用了一個MEMS加速度計和一個內置可編程處理器，可實現定向傳感和頻譜分析，對具體振動源進行識別和分類。
光學領域
MEMS技術的應用還涵蓋顯示和光學投影領域。高通MEMS技術公司(Qualcomm MEMS Technologies)的Mirasol顯示屏采用干涉儀調制技術，其原理是將一個簡單的真空沉積薄膜結構置于玻璃基板上。這種能以15幀/秒的速率提供XGA格式的顯示屏，將用于即將在今年年初供貨的電子書設備中(圖3)。
“這種技術無需背光，因此，與市面上的其他電子書和電子閱讀器相比具有低功耗，”高通工程設計高級副總裁Clarence Chui介紹道，“它有與Kindle電子書等產品競爭的潛力，但是其特色是運行速度更快。”
德州儀器(Texas Instruments)的數字光投影(DLP)技術，就是其中一個成功的MEMS光學實現方案的典范。DLP采用MEMS掃描鏡，是2D和3D數碼相機、投影電視、會議室投影儀和微投影儀領域的主要投影器件。
Microvision公司的PicoP顯示引擎被廣泛用于電信、汽車、消費電子和航空電子設備應用中。其關鍵器件雙向MEMS掃描鏡與小的彎曲部分相連，這使其能夠縱向和橫向振蕩，逐個像素地捕獲或重現圖像。該引擎采用紅色、藍色和倍頻綠色激光二極管，這些二極管與掃描鏡一起在整個視場產生全彩色、鮮明和一致的顯示。
三星公司(Samsung)也涉足嵌入式MEMS微投影業務。該公司的SPH-W9600及GT-i8520 Galaxy Beam就是兩款投影手機。
涉足環境領域
密歇根大學無線集成微系統(WIMS)中心的一款新產品，是用于環境監測的手表大小的氣相色譜儀。這所大學希望實現這個適合iPod Shuffle尺寸的器件商業化(圖4)。
該產品針對環境監測應用，每次分析可在幾秒到一分鐘的分析時間內，在每十億分析物中檢測出30到50種有機蒸氣污染物。這種氣相色譜儀還可用于醫療保健和國防應用。
目前，Block Engineering公司正在制造用于低成本軍事、商業和工業應用的微型顯微光譜儀化學
氣體傳感器。ChemPen的體積比一支鋼筆還要小，預計其成本在1000美元以下。
該器件采用復雜的MEMS傅里葉變換紅外(FTIR)技術，將采用桑迪亞國家實驗室開發的MEMS Summit-V工藝制作。其軟件可以通過編程來檢測化學戰的毒性化學品和有毒工業化學品。
濱松公司(Hamamatsu)已開發出一款重量僅9克的微型MEMS光譜儀頭，可廣泛用于12nm空間分辨率下波長在340到750 nm之間的可見光應用。C10988A尺寸為27.6×13×16.8mm3，設計用于替代存在尺寸和功耗問題的標準微型光譜儀。它整合了濱松公司的MEMS和圖像傳感器技術。
此外，C10988A還采用焦距極小的像差校正凹面光柵以及可獲得高衍射效率的閃耀光柵剖面。光柵對面是一個帶有750×750μm2 MEMS片上切口的專用CMOS圖像傳感器。傳感器與切口之間的距離是1mm，傳感器與光柵之間的距離是8.5mm。
與時俱進的醫療保健領域
“MEMS技術正在從商業化轉向目前的消費電子應用之外的個性化領域。”意法半導體傳感器和高性能模擬視覺業務副總裁兼總經理Benedetto Vegna表示。
這種個性化，將給監測人體重要參數的人體局域網、監測病人行蹤的傳感器以及實現患者與醫療服務供應商進行溝通的器件等領域，帶來突飛猛進的發展。
我們已經見證了用于生命體征監測的便攜式家用保健設備、為獲得更好診斷和治療效果的經過改良的人體植入器械、給藥系統以及流體和細胞處理裝置的大規模供貨，MEMS器件則走在這一市場的前沿。目前，MEMS傳感器正被廣泛用于病人跌倒感知、運動和移動跟蹤、埋植式給藥和神經刺激系統、呼吸監測以及血糖和血壓監測。
MEMS先鋒Janusz Bryzek將智能手機視為實現采用MEMS技術的潛在醫療工具的關鍵設備。他認為，諸如肺監測和分析等應用將在超聲成像領域發揮重要作用。
密歇根大學是生物醫療應用埋植式MEMS器件開發的領導者。這些器件包括用于聽覺和神經檢測和仿真應用的探針，以及用于心臟動脈植入和視覺假體眼內植入應用的MEMS
壓力傳感器。許多新發明成果最終以產品的形式面市，目前正為遍布全球的診所和其他醫療機構所使用。
植入胰腺、眼科裝置、聽覺器件和心血管裝置則即將面市。圖5是經美國食品藥物管理局(FDA)批準的采用RF技術的埋植式無線壓力傳感器，由附屬于美國佐治亞理工學院的CaridoMEMS公司提供，可用來治療動脈瘤(動脈瘤是導致心力衰竭的首要原因)。
這款微型無源LC諧振傳感器名為Champion，由外部電感耦合供電，無需電池。壓力發生變化時傳感器膜片彎曲，并改變LC電路的諧振頻率。
該
壓力傳感器及其無線天線，通過一個只需幾分鐘即可完成的導管插入術插在心臟附近。該裝置監控血壓，并將結果發送到無線掃描儀。當數天收到的異常血壓都在理想范圍之外時，醫生會得到電話通知，以便采取進一步行動。
根據佐治亞理工學院教授兼CardioMEMS公司創始人Mark Allen的報道，Champion具有前途無量的效果。“與目前的護理金標準相比，采用該裝置監護的病人中住院治療的病人比例下降了38%。”他表示。
MEMS技術在用來治療視網膜色素變性和老年性黃斑變性等疾病的眼科植入領域，也開始大顯身手，南加州大學(University of Southern California)多漢尼眼科研究所為期25年的人工視網膜計劃可以見證這一點。根據Mark S. Humayun教授的報道，第二視覺醫藥產品公司(Second Sight Medical Products)投資的臨床試驗取得了鼓舞人心的效果。
Second Sight第二代產品Argus II通過對視網膜進行電刺激來引起視覺感知。這種與視網膜泵配合工作的植入裝置，包含一個由60個與視網膜相連的電極組成的陣列(圖6)。電極將從外部攝像頭獲取的信息傳送給視網膜，為植入體提供基本視線。
“借助MEMS技術，我們可以制造新型迷你眼科泵，這種眼科泵尺寸小，不會引起排斥反應，植入時可以重新注滿，并且可進行給藥編程。”Humayun表示。
這些應用僅僅只是開始。MEMS技術將為所有人開創文明的新紀元。MEMS器件的價格已經出現暴跌，它正淪為“日用品”，這已在最近舉行的MEMS管理者大會(MIG)的“enabling(實現)”主題得到證實。這些器件將充斥各個市場板塊，使無數應用受益，其應用
