| 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(jì)算機(jī)應(yīng)用市場(chǎng),。而且,，我們不能忽視它們?cè)趦x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(shí)代已經(jīng)到來(lái)。
) g, j; e2 c, j7 _. A 在最近的大型展會(huì)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(cè)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(jì)工具的改進(jìn)。 1 e v& }9 g: v8 ]+ C- W# w! @
MEMS器件的集成度已經(jīng)提高,，并且在價(jià)格上也有所下降,，這樣一來(lái)在許多應(yīng)用方面都極具競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì),。它們的集成水平不斷提高，從具備單獨(dú)驅(qū)動(dòng)程序,、信號(hào)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,。
2 s4 V3 y J6 v/ |4 x8 y有關(guān)后者的一個(gè)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(jì),。這些電容性MEMS傳感器可以感應(yīng)傾斜、運(yùn)動(dòng),、位置,、震動(dòng)和顫動(dòng)。這些器件廣泛應(yīng)用于消費(fèi)品,、計(jì)算機(jī),、汽車、工業(yè),、醫(yī)藥和科研市場(chǎng),。
0 T' H2 U! [6 h# q' Z# i, H1 _: a從功能上講，現(xiàn)在MEMS器件的應(yīng)用幾乎包羅萬(wàn)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(tái)灣的Wolshin(生產(chǎn)MEMS濾波器),、以及Teravicta和 Magfusion(生產(chǎn)MEMS開關(guān)),。
1 e) k5 [- y& [7 d4 d* b3 dMEMS技術(shù)甚至正在對(duì)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(chǎng)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(jí)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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_3 H- I) e1 r; j- `1 ?汽車市場(chǎng)正在逐步發(fā)展壯大,。MEMS器件發(fā)展最快的一個(gè)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(jì)傳感器,，其中以駕駛員和前排乘客安全氣囊的自動(dòng)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(shí)用到的頂部氣囊。
/ C, ~1 y0 |: N6 W/ O“在汽車市場(chǎng)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(chǎng)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(duì)較高的成本重要,�,！� # w) U1 O( a& z7 c( }6 l1 l
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(jì)(0.5到12g)(圖2),。“我們是高端汽車廠商最大的供應(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(gè)這樣的傳感器，”VITI Technologies的市場(chǎng)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(shí)在發(fā)動(dòng)機(jī)支架中安裝執(zhí)行器,�,！�
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“新的應(yīng)用通常會(huì)從高端汽車市場(chǎng)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(jí)”應(yīng)用包括歧管絕對(duì)壓力(MAP)和安全氣囊加速計(jì)傳感器，但是Grace預(yù)言將來(lái)“殺手級(jí)”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,。 8 w6 x: x. b, x s% p
以下公司制造的MEMS加速計(jì)占據(jù)了約90%的MEMS汽車市場(chǎng)：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(cè)方面，美國(guó)政府國(guó)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(duì)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(cè)系統(tǒng)。汽車行業(yè)分析公司J.D. Power & Associates預(yù)測(cè),，截至2007年,，轎車中將配備1,700多萬(wàn)套輪胎壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。
% {% r9 g9 Y$ e1 y% l0 m# _目前,，汽車電子供應(yīng)商更喜歡用直接壓力監(jiān)測(cè)方法來(lái)代替間接方法,，為轎車的每個(gè)輪胎的輪轂中都配備了壓力傳感器。使用間接方法時(shí),，輪胎壓力是根據(jù)參數(shù)計(jì)算的,，而不是根據(jù)實(shí)際的內(nèi)部輪胎壓力計(jì)算的，因此,，輪胎壓力是一個(gè)估計(jì)值,，而不是精確的讀取值。而使用直接系統(tǒng)時(shí),，每個(gè)輪胎壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)都包含一個(gè)微控制器和一個(gè)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! Y% p$ Z. [4 |Melexis對(duì)輪胎壓力監(jiān)測(cè)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(cè)系統(tǒng)。結(jié)論是,，哪種方法最好尚無(wú)定論,。其中的一個(gè)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,。 ' F) }5 Y4 W& D
根據(jù)Melexis的輪胎壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)產(chǎn)品經(jīng)理Dirk Leman的觀點(diǎn),，對(duì)于無(wú)源的直接輪胎壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)而言，每個(gè)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(dòng)能是可由輪胎運(yùn)動(dòng)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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根據(jù)Siemens VDO Automotive的分析,，每輛新車的平均成本估計(jì)只要增加66.33美元,，即可使用直接輪胎壓力監(jiān)測(cè)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(gè)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,。 0 O2 L( k5 p, @0 |
VTI Technologies還提供輪胎壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中用的8g MEMS加速計(jì),。該公司宣布明年將研制出一種三軸加速計(jì)，它可以用于更多的汽車和非汽車領(lǐng)域,。
) o5 e. D8 ^* H3 m3 q' kMEMS 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(jì),、便攜式血壓測(cè)量計(jì)、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(lái)的網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)而能讓家庭變得更加智能化,。 6 h0 @5 d; z' q! W1 m
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更加經(jīng)濟(jì)的測(cè)試
2 n m5 N9 |* y* }測(cè)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(dòng)化MEMS測(cè)試系統(tǒng)，但是這些領(lǐng)域仍處于發(fā)展階段,。 $ B3 X/ l0 \* U1 f7 o/ |
例如,，在2004年度COMS會(huì)議上，F(xiàn)raunhofer微電子和系統(tǒng)研究院所作的報(bào)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(jí)測(cè)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(wàn)個(gè)傳感器,。在這次會(huì)議上，Scanimetrics討論了采用無(wú)線探針卡的改良晶片級(jí)測(cè)試方法,。該公司說,，這將大大提高晶片測(cè)試的有效性，并且可以降低測(cè)試成本,。 0 |5 X8 @5 q/ ~% Q6 E$ A
Suss-MicroTec在MEMS測(cè)試方面取得了重大的突破,，它開發(fā)出晶片級(jí)的MEMS器件的下一代測(cè)試設(shè)備(圖5)。該設(shè)備提供了標(biāo)準(zhǔn)化的測(cè)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(dòng)，甚至是液體來(lái)進(jìn)行模擬或測(cè)量,。
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Suss設(shè)備的一項(xiàng)主要應(yīng)用就是測(cè)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(cè)器,，甚至聲學(xué)MEMS揚(yáng)聲器,。 $ p6 C9 h) H6 B& G% f
軟件助了一臂之力 ) ^0 J7 n4 v1 U ?) ^3 M8 L; C
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(jì)，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(kù)中對(duì)幾何形狀和封裝材料類型進(jìn)行了說明。因此,，設(shè)計(jì)者可以較低的成本將使用MEMS的產(chǎn)品更快地投入市場(chǎng),。最近，Coventor發(fā)布了一種汽車“設(shè)計(jì)工具集”軟件包,。通過該軟件包,，MEMS設(shè)計(jì)者可以構(gòu)造復(fù)雜的器件，如用于汽車領(lǐng)域的加速計(jì),、陀螺儀和壓力傳感器,，這些都需要經(jīng)過多次物理域分析。
3 ~, m5 n7 X& v7 l, dRF應(yīng)用將不斷擴(kuò)大 4 z+ S+ L# p( }3 W U+ D8 L: b
在MEMS 器件的應(yīng)用中,，RF MEMS的微波和毫米波應(yīng)用是利潤(rùn)最為豐厚的一項(xiàng),。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),。 ' A x0 q- h; X9 I: i' g- [
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(shí)相移網(wǎng)絡(luò)和可電子重構(gòu)天線中進(jìn)行轉(zhuǎn)換繞線,。 0 f( Z, p. I5 H' h0 P
RF 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(gè)目標(biāo)領(lǐng)域就是相陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)－單個(gè)相陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)可以使用50萬(wàn)個(gè)RF MEMS開關(guān),。盡管汽車領(lǐng)域并不是一個(gè)很大的市場(chǎng),，但是其中包括雷達(dá)防撞系統(tǒng)。 ' z. F, w# V$ Y6 X! D0 u5 a& A H f
在一年或兩年的時(shí)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(duì)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,。
2 p2 W7 k3 d! g, V4 V, r- W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(jì)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(wú)線通信領(lǐng)域中的應(yīng)用,。此外,，RF MEMS器件將在無(wú)線手機(jī)和基站領(lǐng)域創(chuàng)造重大機(jī)遇。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在國(guó)防安全應(yīng)用中的發(fā)展還會(huì)在很大程度上影響RF MEMS器件的用戶,。
4 ~5 c% U- T, n4 b預(yù)言未來(lái)
& B' u3 C! K) B- i6 {. H預(yù)計(jì)MEMS器件將繼續(xù)提高集成水平,，最終成為一個(gè)芯片，它不僅可以容納MEMS元件及其信號(hào)調(diào)理電子器件,，而且還可以容納控制電子器件,。“我們確實(shí)需要對(duì)混合和單片IC提供更高的集成水平,，包括單個(gè)封裝中的通信功能和智能,。”Grace說,。
: g- K% [9 M% C' Z' P$ Y0 V8 Q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(lái)代替。鐵電薄膜更容易制作,，不要求極化電壓,，而且它們的動(dòng)態(tài)范圍更廣泛。在許多國(guó)家(加拿大、中國(guó),、德國(guó),、法國(guó)、印度,、韓國(guó),、墨西哥、荷蘭,、臺(tái)灣和英國(guó))以及美國(guó)的許多州已建立起20多個(gè)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(xiǎn)投資。
, R! ?% m$ }& m5 X5 c' d最終,，無(wú)論我們何時(shí)提到MEMS技術(shù),，一定會(huì)提到納米技術(shù)，即微型化的下一個(gè)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,。
% y, d, S% Y$ o" s作者：Roger Allan i3 B' a* X6 s" }) u! x* X
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發(fā)表于 2006-3-26 21:27:20
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