微電機(jī)系統(tǒng)(Micro electromechanical Systems，MEMS)是將微電子和機(jī)械結(jié)合在一起的一種技術(shù)，它的出現(xiàn)已有幾十年，但其真正發(fā)展是從二十世紀(jì)九十年代開(kāi)始。而最近幾年間，MEMS的發(fā)展可用“迅猛”來(lái)形容。市場(chǎng)調(diào)研公司Yole Developpement的研究報(bào)告指出，2012年全球MEMS市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)115億美元，相比2011年的增長(zhǎng)幅度約為12.7%。此外，Yole Developpement預(yù)測(cè)，未來(lái)六年MEMS市場(chǎng)都將保持穩(wěn)定、持續(xù)的增長(zhǎng)，市場(chǎng)需求量平均年復(fù)合增長(zhǎng)率達(dá)20%，平均年收益增長(zhǎng)率達(dá)13%(見(jiàn)圖1)。
圖1，2011-2017MEMS市場(chǎng)預(yù)測(cè)(來(lái)源：Yole Developpment)
面對(duì)如此蓬勃發(fā)展且潛力巨大的市場(chǎng)，半導(dǎo)體業(yè)內(nèi)的各路廠商推出了那些新的技術(shù)以搶得市場(chǎng)先機(jī)？目前MEMS技術(shù)發(fā)展遇到了哪些瓶頸和挑戰(zhàn)？哪些應(yīng)用領(lǐng)域?qū)?huì)是接下來(lái)的發(fā)展熱點(diǎn)？通過(guò)訪問(wèn)走在MEMS領(lǐng)域前列的幾家國(guó)際廠商，本文將對(duì)上述問(wèn)題一一解答。
六、九、十軸，各廠商爭(zhēng)打組合拳
MEMS涉及的產(chǎn)品領(lǐng)域極其豐富，從大家所熟知的加速度計(jì)、陀螺儀、地磁傳感器等
慣性傳感器到微流量器件，從MEMS光學(xué)器件到無(wú)線器件。在MEMS市場(chǎng)整體增長(zhǎng)的背后，各個(gè)領(lǐng)域的發(fā)展情況卻不盡相同。根據(jù)Yole Developpement的研究報(bào)告，未來(lái)分立慣性傳感器市場(chǎng)增長(zhǎng)將放緩，取而代之的是組合型的傳感器產(chǎn)品。組合型的傳感器是一個(gè)新興的市場(chǎng)，這一市場(chǎng)在2011年的規(guī)模約為1億美元，而到2017年該市場(chǎng)預(yù)計(jì)達(dá)17億美元。在這劇增數(shù)字的背后，快速增長(zhǎng)的平板電腦和智能手機(jī)等消費(fèi)類(lèi)產(chǎn)品自然功不可沒(méi)。
為了保持在消費(fèi)電子設(shè)備上的領(lǐng)先位置，意法半導(dǎo)體推出了一系列的組合型傳感器產(chǎn)品。LSM330就是一款擁有可自定義運(yùn)動(dòng)識(shí)別功能的微型六軸傳感器模塊，該模塊整合一個(gè)三軸陀螺儀、一個(gè)三軸加速度計(jì)和兩個(gè)嵌入式有限狀態(tài)機(jī)，這兩個(gè)可編程電路可在模塊內(nèi)部實(shí)現(xiàn)自定義運(yùn)動(dòng)識(shí)別功能。LSM303D則是集成了加速度計(jì)和磁傳感器，在功耗和分辨率等方面都有很大的提升，并且和意法半導(dǎo)體的加速度傳感器保持了同樣的封裝，僅為3mm*3mm。值得一提的是，另一款今年推出的新產(chǎn)品LSM333D在一個(gè)封裝內(nèi)整合一個(gè)三軸加速度計(jì)、一個(gè)三軸陀螺儀和一個(gè)三軸磁力計(jì)，達(dá)到9自由度(DOF)慣性感應(yīng)功能。
組合型傳感器產(chǎn)品的優(yōu)勢(shì)是顯而易見(jiàn)的，最重要的一點(diǎn)是提高系統(tǒng)的集成度，這對(duì)于不斷追求低功耗、小體積的消費(fèi)電子產(chǎn)品有著更深刻的意義。在此，我們必須提及另一家專注于消費(fèi)電子領(lǐng)域的公司InvenSense。該公司近期發(fā)布的一款集成了三軸加速度計(jì)和三軸陀螺儀的六軸組合傳感器尺寸僅為3mm*3mm；在1.8V供電電壓下，工作模式下的功耗低至6.1mW，可以說(shuō)刷新了組合型傳感器體積和功耗的新紀(jì)錄。InvenSense市場(chǎng)營(yíng)銷(xiāo)副總裁Ali Foughi指出，相比競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手，這款產(chǎn)品型號(hào)為MPU-6500的動(dòng)作感測(cè)追蹤傳感器體積減少了33%、功耗更是降低了將近60% 。在九軸方面，InvenSense目前擁有的產(chǎn)品是MPU-9150，該產(chǎn)品整合了兩個(gè)芯片：一個(gè)是集成了三軸陀螺儀和三軸加速器的MPU-6050，內(nèi)建可處理復(fù)雜九軸運(yùn)動(dòng)感測(cè)融合算法的數(shù)字運(yùn)動(dòng)感測(cè)處理器(DMP)；另一個(gè) 是三軸數(shù)字電子羅盤(pán)AK8975。
當(dāng)各大廠商積極應(yīng)戰(zhàn)六軸、備戰(zhàn)九軸之際，十軸傳感器也開(kāi)始走入人們的視線。所謂“十軸”，即在原先九軸的基礎(chǔ)上再增加一個(gè)壓力傳感器。目前我們所使用的慣性導(dǎo)航一般局限于平面導(dǎo)航，而如果引入壓力傳感器則可通過(guò)感知大氣壓力的變化增加導(dǎo)航的精確度。
ADI近期推出的10自由度高精度MEMS慣性測(cè)量單元(IMU) ADIS16480就是一款加入了壓力傳感器的多軸傳感器產(chǎn)品，它在在單個(gè)封裝中集成了一個(gè)三軸陀螺儀、一個(gè)三軸加速度計(jì)、一個(gè)三軸磁力計(jì)、一個(gè)壓力傳感器和ADI的ADSP-BF512 Blackfin處理器。ADIS16480采用了一種擴(kuò)展式卡爾曼
濾波器(EKF)，可以持續(xù)融合傳感器輸入以提供高度精確的定位信息。雖然目前普通的消費(fèi)電子產(chǎn)品可能并不需要這么強(qiáng)大的性能，但在某些應(yīng)用方面這是非常必要的，諸如軍事和商業(yè)飛機(jī)導(dǎo)航、無(wú)人車(chē)輛、移動(dòng)式平臺(tái)定位和工業(yè)機(jī)器人等要求實(shí)時(shí)定位但卻存在持續(xù)運(yùn)動(dòng)并且具有復(fù)雜、動(dòng)態(tài)特點(diǎn)的系統(tǒng)中。
小型化、低成本，封裝技術(shù)是關(guān)鍵
MEMS傳感器從分立不斷走向融合，正是源于人們對(duì)MEMS產(chǎn)品小體積、低成本的不斷追求，這恰恰也是目前各大廠商所面臨的主要挑戰(zhàn)和所致力突破的瓶頸。
意法半導(dǎo)體公司AMS產(chǎn)品部技術(shù)市場(chǎng)經(jīng)理閆子波表示：“意法半導(dǎo)體在加速度傳感器、陀螺儀和地磁傳感器有著長(zhǎng)期的技術(shù)和IP積累，但小型化仍然是當(dāng)前面臨的較大挑戰(zhàn)之一。” 為解決這些問(wèn)題，意法將采用多項(xiàng)技術(shù)來(lái)解決，比如今后的加速度計(jì)和陀螺儀可以共享一個(gè)MEMS芯片，六軸系統(tǒng)可集成到更小的封裝中，而不用像現(xiàn)在加速度和陀螺儀分別使用兩個(gè)MEMS Die，占用較大的面積。
飛思卡爾亞太區(qū)消費(fèi)及工業(yè)用
壓力傳感器產(chǎn)品應(yīng)用經(jīng)理郭培棟也認(rèn)為當(dāng)前MEMS產(chǎn)品發(fā)展的瓶頸在于封裝技術(shù)，封裝成本成為最大的挑戰(zhàn)。如何進(jìn)一步縮小封裝尺寸，如何將多傳感器融入單一封裝之中是正面臨的重要課題。據(jù)介紹，飛思卡爾近期推出的FXO8700CQ六軸傳感器和采用了微型封裝技術(shù)的MMA865xFC，都是建立在低成本的基礎(chǔ)上。MMA865xFC是一款智能型、低功耗的三軸加速度計(jì)，2mm*2mm的封裝尺寸與前一代產(chǎn)品相比體積縮小了將近56%。
創(chuàng)新的封裝技術(shù)不僅解決了小型化的問(wèn)題，在提高產(chǎn)品性能方面也是關(guān)鍵。以MEMS麥克風(fēng)為例，市場(chǎng)上的產(chǎn)品頂部端口和底部端口在SNR上有很大差異，這種差異會(huì)顯著降低噪聲消除的效果。意法半導(dǎo)體 AMS產(chǎn)品部 技術(shù)市場(chǎng)經(jīng)理閆子波介紹，由于意法的MEMS麥克風(fēng)采用了一種新的堆疊和封裝方式，能夠保證兩者的SNR無(wú)差異，并且雙模技術(shù)把AOP從120dbs提高到140dbs，具有更寬的音域。
提到高性能，ADI微機(jī)械產(chǎn)品線高級(jí)應(yīng)用工程師趙延輝也表示，當(dāng)前很多應(yīng)用對(duì)MEMS產(chǎn)品要求已經(jīng)超過(guò)了簡(jiǎn)單的運(yùn)動(dòng)檢測(cè)，而是要求其在各種極端環(huán)境下有穩(wěn)定、可靠、高精度的輸出。這就對(duì)MEMS傳感器中的機(jī)械設(shè)計(jì)、電子設(shè)計(jì)、封裝設(shè)計(jì)等都提出了很高的要求。ADI一直關(guān)注這些客戶需求，并持續(xù)引領(lǐng)在這些方面的設(shè)計(jì)創(chuàng)新。比如ADI的最新一代陀螺儀ADXRS64x系列，就采用了先進(jìn)的四核差分傳感器設(shè)計(jì)，這使得其振動(dòng)抑制特性比前一代陀螺儀ADXRS62x系列改善了一個(gè)數(shù)量級(jí)。同時(shí)，可以獲得更好的噪聲特性和零偏穩(wěn)定性。
在解決封裝、成本以及性能的挑戰(zhàn)上，InvenSense帶來(lái)了更深層次的解決方案，即Nasiri Fabrication(NF)制程平臺(tái)，這一創(chuàng)新的MEMS制造工藝可以讓大多數(shù)的問(wèn)題迎刃而解。NF平臺(tái)平臺(tái)在晶圓層級(jí)將工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)CMOS和MEMS機(jī)械結(jié)構(gòu)相結(jié)合(見(jiàn)圖2)。通過(guò)MEMS和CMOS的直接結(jié)合(MEMS-to-CMOS)，使得產(chǎn)品可以采用任何標(biāo)準(zhǔn)的半導(dǎo)體封裝。由于這一方法減少了MEMS制程步驟、在晶圓層級(jí)進(jìn)行測(cè)試，降低了后段包裝成本及測(cè)試成本。此外，傳統(tǒng)的MEMS產(chǎn)品通常采用非標(biāo)準(zhǔn)的MEMS制程制造，無(wú)法兼容于CMOS制程生產(chǎn)線。而InvenSense通過(guò)NF平臺(tái)，可使用現(xiàn)成的設(shè)備與可兼容于CMOS制程的制造流程，成為無(wú)產(chǎn)線MEMS公司，進(jìn)一步降低了生產(chǎn)成本。值得一提的是，由于NF制程能夠在晶圓層級(jí)結(jié)合MEMS和CMOS，使MEMS傳感器處于完全密封的狀態(tài)，高度可靠的密封讓產(chǎn)品可以在惡劣環(huán)境下保持可靠的運(yùn)作。
圖2，傳統(tǒng)MEMS制造和Nasiri Fabrication平臺(tái)的比較
消費(fèi)、汽車(chē)應(yīng)用穩(wěn)增長(zhǎng)，醫(yī)療電子潛力大
在MEMS技術(shù)不斷發(fā)展的背后，市場(chǎng)的導(dǎo)向起了極其關(guān)鍵的作用，智能手機(jī)、平板電腦等便攜設(shè)備近年來(lái)帶領(lǐng)MEMS騰飛就是很好的證明。在未來(lái)幾百億美元的龐大MEMS市場(chǎng)中，了解哪些領(lǐng)域穩(wěn)步發(fā)展、哪些領(lǐng)域蘊(yùn)藏潛力是非常必要的。此外，就算同一領(lǐng)域，需求也在不斷變化著。
在首當(dāng)其沖的消費(fèi)電子領(lǐng)域就有幾個(gè)新的變化。意法半導(dǎo)體AMS產(chǎn)品部技術(shù)市場(chǎng)經(jīng)理閆子波指出，“手機(jī)和平板電腦的互聯(lián)網(wǎng)化、英特爾推出的超級(jí)本等，這些變化推動(dòng)著多種應(yīng)用。”目前在筆記本電腦中的運(yùn)動(dòng)傳感器只有加速度計(jì)一種，用于防止筆記本電腦跌落時(shí)硬盤(pán)受損，而隨著英特爾超級(jí)本的出現(xiàn)，
陀螺儀和地磁感應(yīng)器也將被引入其中，用于實(shí)現(xiàn)室內(nèi)導(dǎo)航與增強(qiáng)實(shí)現(xiàn)功能。根據(jù)市場(chǎng)調(diào)研公司的預(yù)測(cè)，在超級(jí)本的應(yīng)用方面，包括加速度計(jì)、陀螺儀和地磁感應(yīng)器在內(nèi)的運(yùn)動(dòng)傳感器銷(xiāo)售額到2016年將達(dá)到1.17億美元，而在2012年這個(gè)數(shù)字僅為830萬(wàn)美元，年復(fù)合增長(zhǎng)率達(dá)94%。
除了傳感器，另一股MEMS產(chǎn)品在消費(fèi)電子中的地位不可小覷，那就是聲表面波(SAW)和體聲波(BAW)產(chǎn)品。MEMS元件的表面聲波技術(shù)被廣泛應(yīng)用在手機(jī)中的射頻濾波器和雙工器，非常適合于1.9GHz的2G手機(jī)；而體聲波則可用于1.5GHz的4G LTE智能手機(jī)上。從低成本的GSM手機(jī)到多頻帶LTE智能手機(jī)，這個(gè)市場(chǎng)的架構(gòu)是非常分散的，但有些組件是十分重要的，例如濾波器和雙工器。憑借SAW和BAW技術(shù)，TriQuint曾異軍突起，成為增長(zhǎng)最快的MEMS制造商。而隨著智能手機(jī)不斷普及，這將成為SAW和BAW市場(chǎng)的強(qiáng)大推動(dòng)力，MEMS在這一領(lǐng)域的增長(zhǎng)將顯而易見(jiàn)。
其實(shí)，早在在MEMS大量應(yīng)用于消費(fèi)電子之前，汽車(chē)電子是其最主要的應(yīng)用領(lǐng)域。每臺(tái)汽車(chē)會(huì)有四十到上百個(gè)傳感器，汽車(chē)智慧化的發(fā)展趨勢(shì)也將促進(jìn)汽車(chē)市場(chǎng)對(duì)傳感器的需求。其應(yīng)用方向和市場(chǎng)需求包括車(chē)輛的防抱死系統(tǒng)(ABS)、電子車(chē)身穩(wěn)定程序(ESP)、電控懸掛(ECS)、電動(dòng)手剎(EPB)、斜坡起動(dòng)輔助(HAS)、胎壓監(jiān)控(EPMS)、引擎防抖、車(chē)輛傾角計(jì)量和車(chē)內(nèi)心跳檢測(cè)等等。其中電子車(chē)身穩(wěn)定程序ESP得到眾MEMS廠商的高度關(guān)注，因?yàn)槠渲鲃?dòng)防滑功能要求更多的傳感器和先進(jìn)的處理系統(tǒng)，所以將帶動(dòng)汽車(chē)電子MEMS應(yīng)用市場(chǎng)的需求。
在傳統(tǒng)的汽車(chē)電子和消費(fèi)電子迎來(lái)MEMS需求的穩(wěn)步增長(zhǎng)外，隨著人口老齡化，各種遠(yuǎn)距離監(jiān)護(hù)和高精度治療設(shè)備將越來(lái)越多地被引入，未來(lái)增長(zhǎng)最快的應(yīng)用市場(chǎng)將來(lái)源于醫(yī)療電子。ADI微機(jī)械產(chǎn)品線高級(jí)應(yīng)用工程師趙延輝表示，由于 MEMS具有微型的特點(diǎn)，可以代替器官植入、微量檢測(cè)，主要的發(fā)展方向是血管內(nèi)手術(shù)和顱內(nèi)手術(shù)以及細(xì)胞手術(shù)。
除去以上三個(gè)領(lǐng)域，在工業(yè)領(lǐng)域中，MEMS也有很大的應(yīng)用。小體積、低成本的MEMS傳感器越來(lái)越多的用在各種機(jī)械振動(dòng)監(jiān)測(cè)上，這可以用來(lái)監(jiān)測(cè)馬達(dá)、軸承等的振動(dòng)、從而實(shí)現(xiàn)預(yù)見(jiàn)性維護(hù)；利用
MEMS加速度計(jì)實(shí)現(xiàn)的傾角儀也被廣泛用在各種工業(yè)測(cè)量設(shè)備上；還有遙控直升機(jī)的伺服系統(tǒng)、兩輪車(chē)的平衡系統(tǒng)、天線穩(wěn)定平臺(tái)等。
本文小結(jié)
隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，MEMS正從各個(gè)方面走進(jìn)我們的生活，其勢(shì)必成為整個(gè)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的熱點(diǎn)。在這一領(lǐng)域，有些廠商已經(jīng)取得很大的成就，有些后來(lái)居上，而還有一些正在不斷的摸索。不管怎樣，如此巨大的市場(chǎng)未來(lái)將為走入這一領(lǐng)域的廠商創(chuàng)造出越來(lái)越多的機(jī)會(huì)。誰(shuí)把握了市場(chǎng)的導(dǎo)向、誰(shuí)走在了技
