MEMS遇見(jiàn)傳感器，改變生活就此開(kāi)始

　　2013年MEMS傳感器市場(chǎng)的需求依然十分旺盛，這既有傳統汽車(chē)和消費類(lèi)市場(chǎng)的需求，也有新興的工業(yè)、醫療、通信、測井、軍工類(lèi)的需求。室內導航應用會(huì )是促進(jìn)新型MEMS氣壓計在2013起量的一個(gè)驅動(dòng)因素;而隨著(zhù)人們對錄音、視頻通話(huà)等的質(zhì)量要求越來(lái)越高，高信噪比的MEMS麥克風(fēng)會(huì )用在越來(lái)越多的手機或平板電腦中，甚至是對麥克風(fēng)要求極高的助聽(tīng)器中，隨著(zhù)高溫MEMS器件通過(guò)越來(lái)越多的客戶(hù)驗證，在測井等極端工作領(lǐng)域，也會(huì )看到越來(lái)越多的MEMS產(chǎn)品，比如用于傾角和振動(dòng)監測的加速度計，用于轉速檢測的陀螺儀等。而物聯(lián)網(wǎng)和家庭醫療會(huì )是繼汽車(chē)和消費類(lèi)應用領(lǐng)域后，又一個(gè)殺手級的應用，其潛在的市場(chǎng)和增長(cháng)趨勢會(huì )像今天的智能手機一樣。但目前該市場(chǎng)還缺乏統一的標準和客戶(hù)的認知度，預計還需要2年左右的時(shí)間才會(huì )起量。

　　意法半導體大中華暨南亞區MEMS 和傳感器產(chǎn)品市場(chǎng)經(jīng)理Vincent Xu介紹，位于MEMS技術(shù)發(fā)展最前沿的意法半導體已經(jīng)開(kāi)始在一個(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。iNEMO是這種發(fā)展趨勢的一個(gè)典型實(shí)例。在這些多傳感器產(chǎn)品內，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。

　　ST具有重大突破意義的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，DNA分析結果的精確度可與價(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。

　　意法半導體還在醫療保健領(lǐng)域成功地應用微射流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)，其可靠性和精確度是其它解決方案無(wú)法比擬的。

　　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)獨一無(wú)二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。

　　工藝技術(shù)挑戰

　　MEMS產(chǎn)品從開(kāi)發(fā)設計到批量生產(chǎn)，對制造和工藝提出了很高的要求，這包括光刻、外延、薄膜淀積、氧化、擴散、注入、濺射、蒸鍍、刻蝕、劃片和封裝等。最大的挑戰是如何保證量產(chǎn)中的良品率。雜質(zhì)粘滯、氧化物殘留、殘余應力等影響，都會(huì )造成機械傳感器失效。ADI微機械產(chǎn)品線(xiàn)高級應用工程師趙延輝介紹，ADI已通過(guò)改進(jìn)機械結構和制造流程，保證了產(chǎn)品的良品率，并在這個(gè)過(guò)程中積累了大量的設計經(jīng)驗。對于體積更小，功耗更低、噪聲更小、封裝更小、溫漂更小，供電電壓更低的器件，ADI還在持續改進(jìn)制造和工藝，以滿(mǎn)足這些需求。特別的，與單純的ASIC器件相比，MEMS傳感器對工藝和架構有更高的要求，因其內部至少包含兩個(gè)die，一個(gè)機械傳感器的die，一個(gè)ASIC的die，晶圓的大小，多晶硅的厚度，對機械傳感器的壓力控制，die與die之間的位置關(guān)系等，都對器件的整體性能有影響。而隨著(zhù)ADI對每一個(gè)細節的關(guān)注和改善，會(huì )持續改進(jìn)MEMS傳感器的精度，進(jìn)而會(huì )使得MEMS傳感器在高精度傾角測量、工業(yè)機械振動(dòng)檢測、地震監測、高精度慣導中獲得廣泛的應用。

　　Vincent Xu則介紹，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。作為MEMS技術(shù)標準化工作的領(lǐng)導者，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)。意法半導體采用加速計和陀螺儀的微加工技術(shù)，在一顆芯片內集成線(xiàn)性機械單元和角速機械單元，為客戶(hù)帶來(lái)巨大的成本效益和更小的產(chǎn)品尺寸。 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。

　　應用技術(shù)挑戰

　　對于消費類(lèi)應用來(lái)說(shuō)，傳感器融合的主要技術(shù)難度是如何控制產(chǎn)品的尺寸，如何合理測試每個(gè)傳感器的性能，如何控制整個(gè)芯片的良品率并降低成本。對于工業(yè)、軍工、汽車(chē)、醫療等領(lǐng)域的傳感器融合來(lái)說(shuō)，除了上面所列的各點(diǎn)外，還要考慮如何保證在各種工作情況下的精度、可靠性，如何利用融合的特性來(lái)實(shí)現傳感器之間的補償校正等，比如ADI的IMU系列產(chǎn)品在融合傳感器的同時(shí)，利用其內置的處理器、溫度傳感器等對融合的傳感器系統做了正交校正、溫補校正等，并利用加速度計的測量值來(lái)補償陀螺儀在受到加速度影響時(shí)的輸出，這樣就使傳感器的融合實(shí)現了1 + 1 > 2。目前來(lái)看，消費類(lèi)產(chǎn)品還是對組合傳感器需求量最大的市場(chǎng)，尤其是智能手機和平板電腦，集成3軸加速度計和3軸陀螺儀，3軸加速度計和3軸磁力計，3軸加速度計、3軸陀螺儀和3軸磁力計的產(chǎn)品在短期內會(huì )有較大的市場(chǎng)，未來(lái)氣壓計也會(huì )被集成進(jìn)來(lái)。

　　網(wǎng)絡(luò )化和物聯(lián)網(wǎng)的潛在市場(chǎng)巨大，它可以用來(lái)給每個(gè)人做實(shí)時(shí)的健康監測、給你關(guān)心的動(dòng)物做狀態(tài)監測、給你關(guān)心的財產(chǎn)做防盜監測等，這類(lèi)應用的特點(diǎn)是每個(gè)終端的體積都非常小巧而且是電池供電的，所以芯片的體積和功耗是最關(guān)鍵的兩個(gè)指標。隨著(zhù)這方面設備的小型化設計，對于內置器件的需求同樣是小型化高機能，傳感器及配套設施也要做到小巧精確，這是設計方面的挑戰。還有就是應用方面傳感器的提供方和使用方在技術(shù)上的配合會(huì )有一定的難度。村田制作所MEMS傳感器產(chǎn)品技術(shù)部經(jīng)理Fang Tuurnala介紹，現在汽車(chē)電子方面有組合式傳感器的應用，即組合式陀螺儀和加速度傳感器，日后還會(huì )加入壓力傳感器。行車(chē)過(guò)程中會(huì )有加速度傳感器在起作用，而一旦翻車(chē)后的話(huà)就會(huì )使用到陀螺儀的，加上壓力傳感器，則可應用在胎壓的監測上。在其他領(lǐng)域，為了智能手機的明確定位可以加壓力傳感器監測所在位置及高度。還有，在嬰兒床上搭載傳感器可以用來(lái)監測嬰兒心跳等等?？梢哉f(shuō)，傳感器的應用會(huì )向著(zhù)智能化，小巧化以及高精度的方向不斷發(fā)展。

　　整合傳感器系統，也是未來(lái)應用趨勢對傳感器技術(shù)提出的挑戰。對于自由落體檢測、屏幕旋轉、計步器、傾斜角度測量和運動(dòng)檢測等應用任務(wù)，僅一個(gè)加速度計即可勝任。然而，對于定位服務(wù)(LBS)、增強型運動(dòng)控制游戲、行人航位推測導航、機器人平衡、空中鼠標、人體跟蹤、無(wú)人飛行器等先進(jìn)應用，要想在測量精度、分辨率、穩定性和響應時(shí)間等方面取得更高的系統級性能，就需要把MEMS傳感器整合在一起，這個(gè)概念利用各種傳感器提供的不同的具有互補性的信息，運用智能技術(shù)整合這些信息，達到優(yōu)化系統性能的目的，實(shí)現令人震撼的新應用。

傳感器的智能化和多功能化將成為傳感器發(fā)展的重要方向。和傳統的傳感器相比，智能化傳感器具有以下優(yōu)點(diǎn)：
(1)具有邏輯判斷、統計處理功能?？蓪z測數據進(jìn)行分析、統計和修正，還可進(jìn)行線(xiàn)性、非線(xiàn)性、溫度、噪聲、響應時(shí)間、交叉感應以及緩慢漂移等的誤差補償，提高了測量準確度。
(2)具有自診斷、自校準功能?？稍诮油娫磿r(shí)進(jìn)行開(kāi)機自檢，可在工作中進(jìn)行運行自檢，并可實(shí)時(shí)自行診斷測試以確定哪一組件有故障，提高了工作可靠性。
(3)具有自適應、自調整功能?？筛鶕郎y物理量的數值大小及變化情況自動(dòng)選擇檢測量程和測量方式，提高了檢測適用性。
(4)具有組態(tài)功能?？蓪?shí)現多傳感器、多參數的復合測量，擴大了檢測與使用范圍。
(5)具有記憶、存儲功能?？蛇M(jìn)行檢測數據的隨時(shí)存取，加快了信息的處理速度。
(6)具有數據通訊功能。智能化傳感器具有數據通訊接口，能與計算機直接聯(lián)機，相互交換信息，提高了信息處理的質(zhì)量。計算機軟件在智能傳感器中起著(zhù)舉足輕重的作用。由于“電腦”的加入，智能傳感器可通過(guò)各種軟件對信息檢測過(guò)程進(jìn)行管理和調節，使之工作在最佳狀態(tài)，從而增強了傳感器的功能，提升了傳感器的性能。此外，利用計算機軟件能夠實(shí)現硬件難以實(shí)現的功能，因為以軟件代替部分硬件，可降低傳感器的制作難度。