| 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,。
6 Z6 d6 T# G* z6 o1 L# I8 y7 z 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),。
; i0 k' v" X( E4 J0 L8 q9 Z+ M$ pMEMS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,。
; \( {4 y1 O; @) B4 c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。
( y; k0 V, l: C J0 _ A/ P" I. U8 o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))。
0 K- q- _2 j! C! Y! ^' qMEMS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,。 1 O- \% d3 z- c4 W# ?
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' \0 R0 }6 R" x2 N2 ~$ c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。現(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,。 ) s1 z7 e! K! U$ O
“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,�,！� d. S& V/ H$ q' E2 Q U
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,。” & j) Z9 c# {' q3 I2 h4 F" P
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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。 3 O' m8 G! e; _# H. H
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),。 " [( @( w$ N- _" J* k2 k# i
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,。
* w- z. c( z, e) A* p4 yMelexis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,。
% j; W0 h; [8 T! s1 g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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9 D/ ~( J7 h+ ~! \! [5 w+ N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,。
; K- m- v" T7 R" q0 _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。
- ~' y8 u7 l# MMEMS 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,。 5 w+ n" E( X. _9 u0 e9 l) h3 s
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3 U* y3 Z: e) W( t& V更加經(jīng)濟(jì)的測試 7 d" _/ _% [8 w3 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,。
+ g$ n& X& I( S% P8 B/ D3 r8 V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,。 - _8 w' U/ ?! C8 _$ k5 m: d
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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1 q+ I" s; G* O0 h$ _9 g( N jSuss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。 $ ~0 q5 m: w; z' }/ {" R
軟件助了一臂之力
1 g8 N- M2 Q, B" t9 E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,。 0 x) h; M: {( k# r5 T: y
RF應(yīng)用將不斷擴(kuò)大 }& k5 C% u7 g4 p+ r
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(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* q3 U. B6 ?+ r, }( W
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,。
z3 R- J; ]& j, x0 WRF 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),。 ; y0 v R2 J! v' `3 O' G" [
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。
! ^8 U/ N9 U" W0 m$ N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,。 2 k4 w8 g8 G$ |; z
預(yù)言未來 w, A! n4 k% b, K
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,。
; {" @8 R5 H: g4 e# S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,。 6 s1 q3 k8 d! ~7 S% l1 `$ g+ A$ W
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,。
7 g2 X2 w5 I& X8 @作者：Roger Allan # S e9 O4 H. A3 G
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發(fā)表于 2006-3-26 21:27:20
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