微机电系统[2]

微机电系统(MEMS)正逐渐进入消费品、工业、医药、汽车及计算机应用市场。而且，我们不能忽视它们在仪器、军事和科研行业的稳步进展。显而易见，微机电系统的繁荣时代已经到来。 在最近的大型展会中的大量演讲都说明了这一事实。MEMS技术的成熟为何如此迅速？ 许多观察者认为其原因有三：MEMS集成电路测试、原型开发和封装的标准开发，MEMS生产和工艺的进步，以及软件设计工具的改进。 MEMS器件的集成度已经提高，并且在价格上也有所下降，这样一来在许多应用方面都极具竞争优势。它们的集成水平不断提高，从具备单独驱动程序、信号调理、接口和控制电子的分立器件，一直到同一芯片上汇集几乎所有功能的单片元件。 有关后者的一个很好例子就是Freescale Semiconductor推出的一系列新型低成本的低重力加速计。这些电容性MEMS传感器可以感应倾斜、运动、位置、震动和颤动。这些器件广泛应用于消费品、计算机、汽车、工业、医药和科研市场。 从功能上讲，现在MEMS器件的应用几乎包罗万象，其中包括各种类型的传感器、开关、可调谐电容器、电感器、天线、传输线、滤波器和谐振器。最大的供应商包括Agilent Technologies和Infineon(生产谐振器)、Memscap和台湾的Wolshin(生产MEMS滤波器)、以及Teravicta和 Magfusion(生产MEMS开关)。 MEMS技术甚至正在对常见的磁控开关发起挑战。Memscap已开发出一种表面贴装式MEMS 电磁接近开关，尺寸为1.8 x 1.8 x 0.8mm(图1)。它代替了体积较大的磁控开关，目前市场上最小的磁控开关，体积仍然是这种开关的两倍以上。凭借顶级滤波器供应商的显赫地位， Memscap成为制造MEMS器件的主要厂家。 汽车市场正在逐步发展壮大。MEMS器件发展最快的一个应用领域就是汽车行业。目前，所有的轿车都使用了许多压力传感器和加速计传感器，其中以驾驶员和前排乘客安全气囊的自动膨开功能为最。现在，许多汽车制造商都在额外的安全气囊中使用MEMS传感器，一类用于侧面碰撞气囊，另一类用于翻车时用到的顶部气囊。 “在汽车市场上，MEMS器件的可能用途在70种以上，”Roger Grace Associates主席Roger H. Grace说，他是MANCEF的前任主席，MEMS技术和市场的权威人士。“许多MEMS器件最初应用于高端汽车中，如奔驰和宝马，与低端汽车相比，它们的性能和便利性远比其相对较高的成本重要。” 例如，自适应驾驶控制和电子控制悬架系统，它们都使用VTI Technologies的MEMS低重力加速计(0.5到12g)(图2)。“我们是高端汽车厂商最大的供应商，例如沃尔沃、奔驰、卡迪拉克，为他们的电子控制悬架提供MEMS产品。在轮毂和参照点(如后备箱)中要使用三到五个这样的传感器，”VITI Technologies的市场和销售总监Rick Russell说，“汽车制造商甚至考虑在马达减震中使用这些传感器，同时在发动机支架中安装执行器。” “新的应用通常会从高端汽车市场开始。然后，再转向低成本、高产量的车型，”Grace说。尽管，目前汽车中的“杀手级”应用包括歧管绝对压力(MAP)和安全气囊加速计传感器，但是Grace预言将来“杀手级”应用的范围将更广泛，如角速率、轮胎充气、轮速、自适应刹车、燃料气化、油管、凸轮轴/曲轴位置、线传控制和乘客座位等。 以下公司制造的MEMS加速计占据了约90%的MEMS汽车市场：Analog Devices、Bosch、Dalsa、Delphi-Delco、Denso、Infineon、Motorola、VTI Technologies和X Fab。然而，更广的应用却是在轮胎压力监测方面，美国政府国家公路运输和安全管理局(NHTSA)的TREAD(运输召回加强、责任和归档)法案对此进行了明文规定。该法案要求2006年以后制造的所有车辆中都需配备轮胎压力监测系统。汽车行业分析公司J.D. Power & Associates预测，截至2007年，轿车中将配备1,700多万套轮胎压力监测系统。 目前，汽车电子供应商更喜欢用直接压力监测方法来代替间接方法，为轿车的每个轮胎的轮毂中都配备了压力传感器。使用间接方法时，轮胎压力是根据参数计算的，而不是根据实际的内部轮胎压力计算的，因此，轮胎压力是一个估计值，而不是精确的读取值。而使用直接系统时，每个轮胎压力监测系统都包含一个微控制器和一个RF发送器，该发送器将信息通过仪表板上的读数器传递给驾驶员。 Melexis对轮胎压力监测系统进行了细致的研究，内容包括间接、直接方法以及它认为是“智能型”的轮胎压力监测系统。结论是，哪种方法最好尚无定论。其中的一个问题就是传感器电池电源，它必须能够在极端温度条件下正常工作，还要能耐热和抗震。 根据Melexis的轮胎压力监测系统产品经理Dirk Leman的观点，对于无源的直接轮胎压力监测系统而言，每个轮室传感/发送系统的生产成本可能达到6美元，而使用电池的系统的生产成本则为5美元。事实上，该公司已使用“能量采收”和13MHz磁耦合技术证明了这样的系统(图3)。动能是可由轮胎运动产生的，或者通过装在轮室内的RFID天线和轮胎压力传感器上的接收器之间的电磁耦合作用感应产生。 根据Siemens VDO Automotive的分析，每辆新车的平均成本估计只要增加66.33美元，即可使用直接轮胎压力监测系统。该公司正与Goodyear Tire and Rubber Co.合作，为欧洲车辆开发使用RF传输的这种系统。该系统名为Tire IQ，它使用两个由Hitachi Maxell Ltd开发的耐高温(总电压为3V)、锂锰(LiMnO2)钮扣电池，这种电池的寿命至少为五年，甚至可能达到10年。 VTI Technologies还提供轮胎压力监测系统中用的8g MEMS加速计。该公司宣布明年将研制出一种三轴加速计，它可以用于更多的汽车和非汽车领域。 MEMS 的身影已经出现在智能家居消费领域。家庭影院投影电视中就用到MEMS器件，该投影电视应用了Texas Instruments的数字光处理器(DLP)(图4)。其他例子还有立体声组合音响、电视游戏、健康秤、温度计、便携式血压测量计、吹风机、健身设备、洗衣机、电冰箱、洗碗机、微波炉、烤箱、真空吸尘器和家庭安全系统等。唯一缺少的就是可将这些基本构造单元连接起来的网络，进而能让家庭变得更加智能化。 更加经济的测试 测试和封装占据了MEMS器件最终成本的很大一部分。 尽管ETEC等公司已率先创建了整体自动化MEMS测试系统，但是这些领域仍处于发展阶段。 例如，在2004年度COMS会议上，Fraunhofer微电子和系统研究院所作的报告中提到一种非常经济的基础设施，它可以进行整体集成压力传感器的晶片级测试、校准和组装。该系统的精确率低于±1%，年产量为几百万个传感器。在这次会议上，Scanimetrics讨论了采用无线探针卡的改良晶片级测试方法。该公司说，这将大大提高晶片测试的有效性，并且可以降低测试成本。 Suss-MicroTec在MEMS测试方面取得了重大的突破，它开发出晶片级的MEMS器件的下一代测试设备(图5)。该设备提供了标准化的测试方法，从而降低了成本。该设备可以在处于工作状态的MEMS器件所处的高温和低温环境和潮湿条件下使用声音、光线、压力、运动，甚至是液体来进行模拟或测量。 Suss设备的一项主要应用就是测试汽车轮胎压力传感器。其他的目标应用领域还包括惯性传感器、微量热型探测器，甚至声学MEMS扬声器。 软件助了一臂之力 正如前面提到的，封装成本占了MEMS器件最终成本的一大部分。实际上，都可能达到总产品成本的80%。尽管MEMS器件的封装开发正在进行当中，但还是软件起了很大的帮助作用。用于开放工具封装的三维软件(例如由Coventor提供的软件)可以大幅降低封装成本。这些MEMS专用的软件包允许工程师们按照头脑中的封装方式进行MEMS芯片设计，之后再将芯片放入封装或选择封装。该软件包含各种开放工具封装类型的模型表示，软件库中对几何形状和封装材料类型进行了说明。因此，设计者可以较低的成本将使用MEMS的产品更快地投入市场。最近，Coventor发布了一种汽车“设计工具集”软件包。通过该软件包，MEMS设计者可以构造复杂的器件，如用于汽车领域的加速计、陀螺仪和压力传感器，这些都需要经过多次物理域分析。 RF应用将不断扩大 在MEMS 器件的应用中，RF MEMS的微波和毫米波应用是利润最为丰厚的一项。与传统的商用器件相比，RF MEMS器件除了具备进一步集成和微型化的潜力以外，还拥有低功耗、高线性和高品质因数等优点。而且，还可以采用许多不同的工艺制造这些器件，如使用硅、砷化镓(GaAs)、碳化硅(SiC)和绝缘硅(SOI)基片等。在过去的几年里，Agilent Technologies和Infineon一直为手机提供RF MEMS开关。 RF MEMS开关表现出优越的RF特征，例如在RF频率较低(VHF约为10GHz)的串联配置开关中，插入损耗约为0.1dB，隔离度约为30dB。这使得这些开关非常适合在RF前端、电容器组、路由延时相移网络和可电子重构天线中进行转换绕线。 RF MEMS在军事领域和汽车行业应用最多。在军事应用方面的一个目标领域就是相阵雷达系统－单个相阵雷达系统可以使用50万个RF MEMS开关。尽管汽车领域并不是一个很大的市场，但是其中包括雷达防撞系统。 在一年或两年的时间里，工作频率为10GHz及更高的RF MEMS器件将应用于高速仪器前端和汽车雷达中。与其他方法相比(通常，没有其他方法)，这些器件的高层次性能将抵消其相对较高的成本。 此外，RF MEMS在军用雷达、智能武器和卫星通信设备的应用前景也很乐观。 根据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等其他公司已经证明了RF MEMS开关的用处，并且预计将在以后的几年中进行试验并大规模生产这些产品。研究还表明，可以在集成CMOS器件的同一基片上集成高压RF MEMS器件，从而进一步拓宽RF MEMS在无线通信领域中的应用。此外，RF MEMS器件将在无线手机和基站领域创造重大机遇。无线传感器网络在国防安全应用中的发展还会在很大程度上影响RF MEMS器件的用户。 预言未来 预计MEMS器件将继续提高集成水平，最终成为一个芯片，它不仅可以容纳MEMS元件及其信号调理电子器件，而且还可以容纳控制电子器件。“我们确实需要对混合和单片IC提供更高的集成水平，包括单个封装中的通信功能和智能。”Grace说。 新型材料将增加MEMS的商业吸引力。目前，许多麦克风和微型扬声器MEMS器件都是使用电容型转换器制造的。然而，研究表明可以用MEMS铁电薄膜来代替。铁电薄膜更容易制作，不要求极化电压，而且它们的动态范围更广泛。在许多国家(加拿大、中国、德国、法国、印度、韩国、墨西哥、荷兰、台湾和英国)以及美国的许多州已建立起20多个MEMS技术“群集”，标志着MEMS正在发展和成熟。根据Grace的观点，这些“群集”往往在研发中心区域出现，那里有学术和工业研究实验室以及风险投资。 最终，无论我们何时提到MEMS技术，一定会提到纳米技术，即微型化的下一个逻辑步骤。但是，纳米技术还需解决众多的技术障碍，才能取得商业性成功。 作者：Roger Allan