MEMS技術(shù)

MEMS本質(zhì)上是一種把微型機械組件(如傳感器、制動(dòng)器等)與電子電路集成在同一顆芯片上的半導體技術(shù)。一般芯片只是利用了硅半導體的電氣特性，而 MEMS 則利用了芯片的電氣和機械兩種特性。

三維微電子機械系統(3D-MEMS)，是將硅加工成三維結構，其封裝和觸點(diǎn)便于安裝和裝配，用這種技術(shù)制作的傳感器具有極好的精度、極小的尺寸和極低的功耗。這種傳感器僅由一小片硅就能制作出來(lái)，并能測量三個(gè)互相垂直方向的加速度。例如為承受強烈震動(dòng)的加速度傳感器和高分辨率的高度計提供合適的機械阻尼。這類(lèi)傳感器的功率消耗非常低，這使它們在電池驅動(dòng)設備中具有不可比擬的優(yōu)越性。

在 MEMS 傳感器芯片內，三軸(X、Y、Z)上的運動(dòng)或傾斜會(huì )引起活動(dòng)硅結構的少量位移，造成活動(dòng)和固定元器件之間的電容發(fā)生變化。在同一封裝上的接口芯片把微小的電容變化轉變成與運動(dòng)成比例的校準模擬電壓。通常的模擬量采樣的方式有兩種：靜電電容式和壓電電阻式。前者在低功耗方面更具優(yōu)勢，消耗電流更低。

MEMS與CMOS制程技術(shù)的整合，已成功帶動(dòng)組件產(chǎn)品在消費電子應用綻放光芒，包括Intel、Samsung、TI、TSMC等半導體領(lǐng)導大廠(chǎng)皆看好CMOS MEMS發(fā)展，而相繼投入相關(guān)技術(shù)的研究開(kāi)發(fā)。而CMOS MEMS組件能否進(jìn)一步降低產(chǎn)品開(kāi)發(fā)成本，3D MEMS封裝技術(shù)扮演了關(guān)鍵性的角色。

3D封裝技術(shù)除了可解決技術(shù)發(fā)展瓶頸，在異質(zhì)整合特性下，也可進(jìn)一步整合模擬RF、數字Logic、Memory、Sensor、混合訊號、MEMS等各種組件，且此整合性組件不但可縮短訊號傳輸距離、減少電力損耗，也能大幅增加訊號傳遞速度。此外，由于采取3D立體堆棧方式，故在Form Factor方面，也能在固定單位體積下達到最高的芯片容量。

隨著(zhù)MEMS技術(shù)在消費電子應用的快速崛起，及半導體制造接近極限，透過(guò)TSV技術(shù)整合MEMS與CMOS制程，形成IC的3D化也逐漸受到矚目。由于3D MEMS隱含了異質(zhì)整合特性，具備低成本、小尺寸、多功能、高效能等多重優(yōu)勢，因此可望在未來(lái)掀起另一波技術(shù)應用革命，并為CMOS MEMS的發(fā)展帶來(lái)更大商機。

在看好相關(guān)產(chǎn)品技術(shù)發(fā)展前景下，業(yè)界已開(kāi)始加速布局CMOS MEMS+3D MEMS Packaging解決方案。由于以TSV方式將Chip堆棧成3D IC的發(fā)展備受看好，也可望帶動(dòng)3D TSV Wafer出貨數的快速成長(cháng)，以組件類(lèi)別來(lái)區分，目前以CIS(CMOS Image Sensor)采用TSV與IC 3D化的速度最快，第二階段預計將由內存(含Flash、SRAM、DRAM)扮演承接角色。3D MEMS可望在2011年興起，并在往后3年穩定邁向商品化。

MEMS產(chǎn)品大多以150mm～200mm的8寸晶圓生產(chǎn)，在未來(lái)6年有望逐步轉進(jìn)300mm的12寸廠(chǎng)生產(chǎn)，以便做最佳化的產(chǎn)能利用。

MEMS：對消費類(lèi)電子產(chǎn)生重大影響的技術(shù)

制造商正在不斷完善手持式裝置，提供體積更小而功能更多的產(chǎn)品。但矛盾之處在于，隨著(zhù)技術(shù)的改進(jìn)，價(jià)格往往也會(huì )出現飆升，所以這就導致一個(gè)問(wèn)題：制造商不得不面對相互矛盾的要求——在讓產(chǎn)品功能超群的同時(shí)降低其成本。

解決這一難題的方法之一是采用微機械加工技術(shù)，更流行的說(shuō)法是MEMS，它使得制造商能將一件產(chǎn)品的所有功能集成到單個(gè)芯片上。MEMS對消費電子產(chǎn)品的終極影響不僅包括成本的降低、而且也包括在不犧牲性能的情況下實(shí)現尺寸和重量的減小。事實(shí)上，大多數消費類(lèi)電子產(chǎn)品所用MEMS元件的性能比已經(jīng)出現的同類(lèi)技術(shù)大有提高。雖然MEMS過(guò)去只限于汽車(chē)、工業(yè)和醫療應用，但據調查公司估計：“MEMS消費類(lèi)電子產(chǎn)品的銷(xiāo)售額將在2005年前達到15億美元”。

手持式設備制造商正在逐漸意識到MEMS的價(jià)值以及這種技術(shù)所帶來(lái)的好處——大批量、低成本、小尺寸，而且開(kāi)始轉向成功的MEMS公司，其所實(shí)現的成本削減幅度之大，將影響整個(gè)消費類(lèi)電子世界，而不僅是高端裝置。

圖1 人跑步/走路時(shí)的側向z軸運動(dòng)

跟上發(fā)展步伐

正在日益流行的MEMS應用是步程計，它用于測量人行走時(shí)的速度或距離。將在z軸方向上的機械平移運動(dòng)轉換為電脈沖(圖1)是MEMS器件的作用所在。這些脈沖饋入一個(gè)峰值檢測器電路，該電路隨后在每個(gè)脈沖作用下觸發(fā)一次計數。精心設計峰值檢測算法則能根據所選用的加速度計情況來(lái)獲得最優(yōu)的測量效果。

如果步程計安裝到被測人的足部，當該人跑步時(shí)，則步程計就會(huì )定期受到極大的沖擊作用。如果產(chǎn)品使用加速度計的話(huà)，如此之高的沖擊指標會(huì )大大限制產(chǎn)品的性能。例如，有些加速度計設計在過(guò)載超過(guò)一定程度時(shí)會(huì )出現被稱(chēng)作“粘死”的現象，加速度計在受到很大沖擊時(shí)將出現飽和，即使大過(guò)載消除后仍然保持飽和輸出。為了使其擺脫這種狀態(tài)，可能需要將電源極性顛倒過(guò)來(lái)。MEMSIC公司的加速度計以熱敏感原理來(lái)檢測加速度，因此沒(méi)有其它加速度計在大負載情況下出現的問(wèn)題，如粘死，這是因為它們根本就沒(méi)有敏感質(zhì)量的緣故。

讓GPS更可靠

不管是在偏僻的小路上游覽還是簡(jiǎn)單的為汽車(chē)導航，手持式全球定位系統(GPS)都是一件安全、方便且理想的隨身裝備。

利用GPS接收機支持的人員和車(chē)輛定位系統可以確定位置，而且提供路線(xiàn)方面的引導。采用GPS系統時(shí)，信號接收并非始終是100%可靠的，但是若有基于MEMS技術(shù)的加速度計，就可以由能推算出行駛(走)距離的導航解算方法來(lái)彌補信號方面的損失。此外，在修正這些系統所用的3軸電子羅盤(pán)的磁偏角方面，加速度計也非常有用。加速度計可以跟蹤偏離重力方向零位基準的角位移信息，獲得這些信息后，就可以修正磁偏角，這樣即使裝置不處于水平狀態(tài)，仍可以得出精確的方向讀數。

手持式GPS制造商要解決的問(wèn)題之一是如何在惡劣的天氣條件下保證裝置的性能。這些系統在極端溫度條件下都必須可靠而且能夠耐受強烈的沖擊。目前的加速度計在很多情況下尚不能承受惡劣環(huán)境下所存在的強沖擊影響。MEMSIC公司所設計的新產(chǎn)品則實(shí)現了高抗沖擊性能——5萬(wàn)g，因此其幾乎不可能失效。而大多數MEMS加速度計的沖擊過(guò)載耐受范圍是500g~2000g，常常會(huì )失效，因為器件無(wú)法在更加惡劣的環(huán)境中保持完好無(wú)損。