MEMS技術邁向消費電子應用

硬盤讀寫頭、微顯示器（Microdisplays）和微量噴墨頭,目前占據(jù)著70%以上的MEMS市場。而汽車電子、移動通訊、消費電子、以及醫(yī)療檢測等領域,將是MEMS技術產(chǎn)業(yè)化應用的新熱點。ST微電子MEMS事業(yè)單位前道技術和制造總監(jiān)Benedetto Vigna表示,ST的MEMS技術因具多軸響應、分辨率高、功耗低、單封裝等特點,在運動傳感器、加速計以及傾斜傳感器市場大受歡迎。

先進封裝技術作保 MEMS更加穩(wěn)定

MEMS（Micro Electro Mechanical Systems）本質上是一種把微型機械元件（如傳感器、制動器等）與電子電路集成在同一顆芯片上的半導體技術。大多數(shù)芯片只利用了半導體的電氣特性,而MEMS則利用了芯片的電氣和機械兩種特性。Benedetto Vigna表示,微型化并不是MEMS的目標和主要優(yōu)勢。在很多應用中,MEMS技術的最重要優(yōu)勢是準許制造商利用半導體制造技術生產(chǎn)出高可靠性的低成本傳感器、制動器等器件。

芯片內(nèi)部布線的可靠性遠遠高于印刷電路板上的焊接布線,而半導體制造工藝和封裝技術都為MEMS器件提供了安全保護。本身內(nèi)在的高可靠性對于諸如汽車系統(tǒng)和家電產(chǎn)品中,電子系統(tǒng)必須在一個機械振動特別大的環(huán)境中工作可靠。同時,批量制造使得MEMS組件的成本通常遠遠低于高精度的龐大的機械組件,通常情況下機械組件是系統(tǒng)中成本最高的元件。因此,MEMS技術可讓很多應用有機會實現(xiàn)更高性價比和更高可靠性。

作為MEMS技術的領先者,ST開發(fā)出了一個稱為THELMA（微制動器及加速計用厚外延層）的0.8mm表面微加工技術,把分別用于結構和互連線的薄厚不一的多晶硅整合在一起。ST稱其是首家采用LGA（Land Grid Array）封裝工藝技術制造加速計的供應商。據(jù)Benedetto Vigna介紹,ST目前已實現(xiàn)把線性和角度加速計以及陀螺儀和微處理器及存儲器等進行整合封裝（SiP）,這種多合一的傳感器可以實現(xiàn)各種運動激活式產(chǎn)品設計,而且制造成本低廉。其目標應用包括從手機、PDA一直到基于可有效校準運動的直觀用戶界面的新產(chǎn)品。Benedetto Vigna透露,該制造工藝將會移入ST深圳新建工廠中。

MEMS加速計走入消費電子應用

MEMS加速計是微機電系統(tǒng)技術的一個典型代表,而ST的MEMS加速計有很多應用,手持設備如PDA和游戲機的用戶界面是其中的一例。在這種應用中,手持設備的傾斜變化被用于用戶界面的操作,因而不再需要鍵盤、鼠標以及其它昂貴復雜的人機接口設備。Benedetto Vigna解釋,如果芯片發(fā)生運動,加速計內(nèi)的微型硅懸臂就會做出相對固定的硅結構的運動。這種相對運動會引起電路電氣特性（電容）發(fā)生可以測量到的變化,該變化可用于計算芯片的實際運動距離,并提供以模擬電壓或數(shù)字信號表示的芯片運動信息。

ST的LIS3L02三軸加速計榮獲EDN的2003年度創(chuàng)新獎,該產(chǎn)品是世界上第一個能夠檢測三種方向運動的集成電路,為家電、汽車系統(tǒng)和手持終端等設備開創(chuàng)了新的應用機會。

ST的線性加速計長久以來被用于汽車安全系統(tǒng),檢測重力加速度,在正確的時機以適當?shù)牧α看蜷_安全氣囊。MEMS還被用于導航推算系統(tǒng)中,在沒有GPS信號的情況下,通過計算車輛的運動和行程,并校正數(shù)字羅盤的讀數(shù),MEMS可替代建筑物和城市內(nèi)的GPS信號導航。ST的加速計還可集成在洗衣機等家電產(chǎn)品中充當振動檢測器,當機器內(nèi)的負荷失衡時,檢測器會通知用戶,防止機器在出現(xiàn)故障前被過早的磨損。

ST半導體加工技術還被成功地用于開發(fā)各種MEMS熱射流器件。ST長期為HP提供加熱式噴墨打印頭。打印頭芯片內(nèi)含有數(shù)百個微型通道,這些墨水通道與相應的裝滿墨水的微型墨盒相連。制造在同一芯片上的加熱元件與控制電路將墨水蒸發(fā),然后把微小的墨水氣泡噴射到打印紙上。而ST與Agilent合作開發(fā)的光開關矩陣產(chǎn)品是MEMS熱射流產(chǎn)品的另一個創(chuàng)新應用的代表。這個創(chuàng)新的光子開關平臺,利用一個快速地溫度變化周期在透明的液體薄膜上產(chǎn)生（去除）微小氣泡,以便在光通道內(nèi)反射光束實現(xiàn)開關的目的。

在醫(yī)療衛(wèi)生行業(yè)創(chuàng)新過程中,代表ST創(chuàng)新能力的單片實驗室解決方案,用成本低廉的一次性工具取代了既昂貴又耗時的實驗室分析方法。2004年ST推出了市場上第一個生物芯片In-Check產(chǎn)品平臺,通過精確控制加熱過程對微量的DNA樣品進行擴增。由于片上實驗室反應時間很短、分析過程更加精確并可以自動調(diào)節(jié),相較于傳統(tǒng)診斷系統(tǒng),MEMS的小外形、低耗電、微量試劑大大節(jié)省了成本。

Benedetto Vigna表示,隨著全球半導體工業(yè)繼續(xù)將研發(fā)力量集中于主流的CMOS技術,能夠駕馭硅的機械和光學特性將會成為領先供應商一個日益重要的差異化因素。ST不僅在利用硅的電氣特性方面居世界領先水平,還是同時開發(fā)硅的電氣、機械和光學特性的先驅和領導者。