意法半導體掀起MEMS消費電子化新浪潮

　　2009年溫家寶總理在視察中科院無(wú)錫微納傳感網(wǎng)工程技術(shù)研發(fā)中心時(shí)提出“感知中國，大力建設物聯(lián)網(wǎng)”的號召，將傳感器技術(shù)首次推上了舉國關(guān)注的焦點(diǎn)位置。傳感器，作為傳感網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)感知層面的關(guān)鍵電子器件，是建設所有智能網(wǎng)絡(luò )的第一關(guān)。推動(dòng)傳感器技術(shù)的創(chuàng )新和應用，其重要意義絕不亞于目前大熱的云計算和物聯(lián)網(wǎng)。

　　事實(shí)上，很多具有領(lǐng)先意識的半導體廠(chǎng)商很早就認識到傳感器技術(shù)發(fā)展和應用的重要前景，并投入大量資源致力于新技術(shù)的開(kāi)發(fā)和創(chuàng )新設計?，F在的傳感器技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到一個(gè)新的階段。集成化、智能化、平臺化的發(fā)展理念令傳感器脫離了過(guò)去的陳舊印象，傳感器成為系統中蘊藏大智慧的關(guān)鍵器件。而傳感器的應用創(chuàng )新則更加引人注目。許多時(shí)尚潮流的熱門(mén)應用，如智能手機觸摸屏體驗，便攜式遠程醫療設備，汽車(chē)安全智能系統，游戲娛樂(lè )產(chǎn)品等，這些至酷至美，實(shí)用貼心的生活體驗，都離不開(kāi)傳感器的貢獻。

　　意法半導體(ST)公司是MEMS傳感器技術(shù)和應用創(chuàng )新的先行者。據IHS iSuppi公司2011年的統計報告顯示，ST是全球第一大消費電子和便攜設備芯片供應商，MEMS傳感器出貨量已突破20億大關(guān)。

　　MEMS消費電子化浪潮

　　原本在工業(yè)應用廣泛的MEMS傳感器技術(shù)，經(jīng)過(guò)傳感器技術(shù)專(zhuān)家的創(chuàng )新，現在可以用來(lái)實(shí)現很多新鮮有趣又實(shí)用、符合未來(lái)發(fā)展需求的嶄新應用，掀起了MEMS消費電子應用的新浪潮。

　　便攜設備中的數據保護是MEMS傳感器的一種應用。當出現自由墜落或者其它異常運動(dòng)時(shí)，MEMS加速計將立即通知系統終止全部的硬盤(pán)驅動(dòng)器(HDD)讀寫(xiě)操作，并將磁頭固定到安全位置。意法半導體的加速計還經(jīng)常集成在洗衣機或烘干機等家電設備中，充當振動(dòng)檢測器，用于穩定失衡的負荷，防止機器出現過(guò)量的磨損而發(fā)生故障。

　　MEMS陀螺儀，也稱(chēng)角運動(dòng)傳感器，可以輔助加速計，使游戲機和遙控器的人機界面變得更加炫酷。這些陀螺儀還能消除晃動(dòng)對數字攝像機或數碼相機畫(huà)質(zhì)的影響，提高圖像或相片的清晰度，并可使汽車(chē)導航增加航位推算和地圖匹配功能。由于GPS衛星信號無(wú)法覆蓋每一個(gè)角落，例如，在建筑物內或高樓林立的城區通常沒(méi)有衛星信號，在這種情況下，航位推算系統通過(guò)監測運動(dòng)、行程和海拔，修正數字羅盤(pán)讀數，繼續為用戶(hù)提供準確的導航信息。

　　MEMS磁傳感器測量地球磁場(chǎng)的強度和/或方向，因而能夠確定以北極為參考軸的前進(jìn)方向，增強便攜消費電子產(chǎn)品的電子羅盤(pán)功能，包括方位定向、地圖/顯示屏定向、定位關(guān)聯(lián)服務(wù)和航位推測。在一個(gè)9自由度(DoF) 多傳感器模塊內，磁傳感器可補充加速度計和陀螺儀的功能。

　　壓力傳感器可滿(mǎn)足應用對全量程和高分辨率的要求：應用實(shí)例包括手持設備的氣壓計功能和硬盤(pán)驅動(dòng)器的“飛行高度”控制功能。隨著(zhù)硬盤(pán)驅動(dòng)器小型化趨勢和存儲容量不斷提高，磁頭與盤(pán)面之間的距離極易受到氣壓變化的負面影響。

　　微加工聲學(xué)器件，也稱(chēng)MEMS麥克風(fēng)，可提高現有的和新興應用設備的音質(zhì)、可靠性和成本效益，目標應用包括手機、筆記本電腦、錄像機、數碼相機以及助聽(tīng)器或電子聽(tīng)診器。將多個(gè)MEMS麥克風(fēng)組合成陣列可實(shí)現更多功能，如噪聲抑制和方向拾音。這在噪聲很大和無(wú)法控制的環(huán)境內，對于提高聲音清晰度很有幫助，可以有效提高移動(dòng)會(huì )話(huà)和會(huì )議的音質(zhì)。

　　MEMS技術(shù)發(fā)展方向

　　在一個(gè)封裝內整合多個(gè)傳感器：加速計、陀螺儀、地磁計、壓力傳感器，這個(gè)多路傳感器一體化解決方案可大幅提升各種應用設備的功能性和性能。意法半導體公司最具代表性的INEMO傳感器解決方案平臺，將9個(gè)自由度傳感器和32位MCU整合在一起，同時(shí)還配備多個(gè)通信接口，靈活和高性能的配置令其可為許多新興應用提供出色的解決方案。集成傳感器可實(shí)現自主和自動(dòng)系統，監測特定的條件，并根據監測結果執行相應的操作，用戶(hù)無(wú)需干預或只需稍加介入。此外，“智能傳感器”整合MEMS器件和處理功能，無(wú)需主處理器介入，獨立運行傳感器算法，從而能夠降低系統級功耗，這對耗電量極大的手持設備非常重要。

　　iNEMO模塊沿用先進(jìn)的濾波和預測軟件iNEMO Engine。該軟件利用精密算法整合所有傳感器的輸出數據，能夠在精度、分辨率、穩定性和響應時(shí)間等方面提高系統整體性能，大幅改進(jìn)用戶(hù)的使用體驗。

　　硅微加工技術(shù)還被用于開(kāi)發(fā)各種熱射流MEMS器件。意法半導體還為主要的噴墨打印機制造商提供噴頭芯片。打印頭芯片內含有數百個(gè)微型通道，這些墨水通道與相應的裝滿(mǎn)墨水的微型墨盒相連。同一芯片上的加熱元件與控制電路將墨水蒸發(fā)，把微小墨水氣泡噴射到打印紙上。

　　ST的Lab-on-Chip芯片同樣也利用了硅的電氣特性和熱特性，這個(gè)解決方案用成本低廉的一次性便攜工具取代了成本昂貴、耗時(shí)的固定地點(diǎn)實(shí)驗室分析過(guò)程。意法半導體的In-Check™產(chǎn)品平臺是業(yè)內首款通過(guò)精確控制熱量來(lái)擴增DNA并進(jìn)行微矩陣檢測的基因芯片。因為硅的熱特性非常出色，準許在同一芯片上實(shí)現電子溫度控制，所以L(fǎng)ab-on-Chip芯片能夠對DNA樣本進(jìn)行精確的加熱和冷卻處理，其精確度可與價(jià)值數萬(wàn)美元的實(shí)驗室媲美。與傳統的診斷系統相比，MEMS因為外形小，耗電量少，只需很少的試劑，所以更能節省成本。

　　在醫療保健領(lǐng)域也可以應用微射流MEMS技術(shù)，例如，可以安裝在一次性敷貼內的微型胰島素注射泵。意法半導體與Debiotech公司合作開(kāi)發(fā)的胰島素注射泵能夠精確模擬胰腺分泌過(guò)程，向人體持續輸注胰島素，同時(shí)還能檢測注射泵可能存在的故障，為病患提供深一層的保護?；贛EMS的Jewel Pump采用大規模半導體制造技術(shù)，成本比現有的解決方案更容易讓病患接受，同時(shí)，其可靠性和精確度也很出色。

　　意法半導體的MEMS壓力傳感器還是另一項創(chuàng )新應用的核心技術(shù)：能夠24小時(shí)檢測和觀(guān)察眼壓變化的智能隱形眼鏡。作為意法半導體與Sensimed的合作開(kāi)發(fā)成果，這個(gè)創(chuàng )新的輔助診斷工具有助于專(zhuān)家提前發(fā)現青光眼，通過(guò)同步治療方法與病患的內部生物鐘能夠使治療效果最大化。

　　MEMS制造技術(shù)

　　2006年，意法半導體在意大利Agrate地區建立了一條MEMS器件專(zhuān)用200mm (8英寸)晶圓生產(chǎn)線(xiàn)，成為世界首個(gè)擁有MEMS專(zhuān)用生產(chǎn)線(xiàn)的大型半導體公司。這一舉動(dòng)大幅降低了產(chǎn)品的單位成本，并加快了現有應用領(lǐng)域擴大和新市場(chǎng)開(kāi)發(fā)。

　　意法半導體在其位于馬爾他Kirkop的最先進(jìn)的后工序制造廠(chǎng)進(jìn)行MEMS器件的封裝測試，該工廠(chǎng)日產(chǎn)能超過(guò)100萬(wàn)顆MEMS芯片。整合一個(gè)微加工傳感器和一個(gè)邏輯裸片的復雜器件需要嚴格且復雜的封裝解決方案，以降低MEMS芯片受機械振動(dòng)和環(huán)境因素的影響。

　　在前工序制造技術(shù)和工藝方面，意法半導體發(fā)現并解決了在各種應用領(lǐng)域大規模推廣高效益的MEMS器件的關(guān)鍵問(wèn)題。為了加快產(chǎn)品上市時(shí)間，實(shí)現規模經(jīng)濟效益，核心技術(shù)的標準化是極其重要的。意法半導體開(kāi)發(fā)出了微致動(dòng)器和加速計芯片厚外延層(ThELMA)工藝，這個(gè)0.8微米表面微加工技術(shù)可整合薄厚不一的多晶硅層，用于實(shí)現MEMS器件的結構和互連線(xiàn)。

　　意法半導體的VENSENS工藝(VENice process for SENSors)結合 ThELMA工藝，可以在一個(gè)單晶硅芯片內整合一個(gè)空腔，制造一個(gè)尺寸和性能優(yōu)異的壓力傳感器，使芯片變得更薄、更小，熱穩定性和可靠性更高。