MEMS技術(shù)將迎來系統(tǒng)級挑戰(zhàn)
[導(dǎo)讀]微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)有望給各個年齡層的個人、各種產(chǎn)業(yè)乃至我們整個社會帶來更加深遠(yuǎn)的影響。這種技術(shù)正從器件級轉(zhuǎn)向器件內(nèi)外部都需要新興技術(shù)的系統(tǒng)級平臺。
這兩個領(lǐng)域的成功將實(shí)現(xiàn)用于智能傳感和情境感知的新
微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)有望給各個年齡層的個人、各種產(chǎn)業(yè)乃至我們整個社會帶來更加深遠(yuǎn)的影響。這種技術(shù)正從器件級轉(zhuǎn)向器件內(nèi)外部都需要新興技術(shù)的系統(tǒng)級平臺。
這兩個領(lǐng)域的成功將實(shí)現(xiàn)用于智能傳感和情境感知的新平臺，從而使消費(fèi)電子、生物醫(yī)療、工業(yè)、環(huán)境、通信、安全、運(yùn)輸市場以及基礎(chǔ)設(shè)施監(jiān)測和金融應(yīng)用受益良多。
MEMS器件制造商必須應(yīng)對傳統(tǒng)業(yè)務(wù)模式偏離的局面(傳統(tǒng)上，MEMS IC制造商為OEM制造器件，OEM將這些器件封裝成最終產(chǎn)品)。他們必須專注于客戶的具體需求、最終產(chǎn)品的使用環(huán)境和使用方式，以及如何使產(chǎn)品更易于操作。對于要求低成本的市場(如消費(fèi)電子市場)，關(guān)鍵在于更高的集成度，即以具有成本效益的方式合并CMOS和MEMS。
這些觀點(diǎn)在兩場近期舉行的MEMS大會，即MEMS技術(shù)峰會和MEMS管理者大會上的演講中，得到了證實(shí)。
按照會議的冠名，MEMS技術(shù)峰會匯集了MEMS產(chǎn)業(yè)群體的“名流”。此會議還肩負(fù)著回顧過去25年來MEMS技術(shù)的進(jìn)步以及展望未來的雙重目的。此外，它還是MEMS產(chǎn)業(yè)先鋒Nova Sensor公司成立25周年的紀(jì)念會，創(chuàng)始團(tuán)隊(duì)的成員組織了此活動。美國微機(jī)電系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)協(xié)會(MIG)是MEMS管理者大會的贊助單位。
“芯片外部的考量涉及系統(tǒng)工程設(shè)計的本質(zhì)。芯片是系統(tǒng)真正的使能者。但是，它需要熱管理和互連策略等諸多其他功能的支持，從而創(chuàng)建最合適客戶應(yīng)用的解決方案?！盧oger Grace Associates總裁Roger Grace表示。
“這種MEMS解決方案的其他主要功能包括MEMS至系統(tǒng)的接口(往往是帶具有嵌入式軟件/算法的微控制器內(nèi)核的ASIC)、電源以及網(wǎng)絡(luò)芯片，所以這些功能都以魯棒且具有成本效益的方式組合在一起。創(chuàng)建這種方法的基本原則(圖1)是系統(tǒng)工程設(shè)計、可靠性分析、可制造性和可測試性設(shè)計以及協(xié)同設(shè)計?！盙race補(bǔ)充道。
圖1：MEMS芯片外部的考量對于創(chuàng)建最適合客戶應(yīng)用的解決方案而言正變得越來越有必要。這涉及系統(tǒng)工程設(shè)計、可制造性和可測試性設(shè)計以及協(xié)同設(shè)計。
MEMS IC制造商目前也動作頻頻。比如，飛思卡爾半導(dǎo)體公司借助Xtrinsic產(chǎn)品組合開創(chuàng)了新的傳感時代。這種品牌的傳感器在設(shè)計時明智地結(jié)合了智能集成、邏輯和可定制軟件，可實(shí)現(xiàn)更智能且差異化程度更高的應(yīng)用。
圖2：Kionix三軸KGY13陀螺儀采用5×5×0.9mm3 24引腳LGA封裝，針對大眾市場消費(fèi)電子應(yīng)用。
MEMS和非MEMS半導(dǎo)體IC制造商正在借助他們的產(chǎn)能和產(chǎn)品，全力以赴地投入到他們所認(rèn)為的巨大新市場商機(jī)中。英特爾實(shí)驗(yàn)室(Intel’s Labs)副總裁兼總監(jiān)Vida Ildereme表示，英特爾正借助嵌入式單晶片系統(tǒng)(silicon-on-a-chip) IC的開發(fā)，尋找嵌入式應(yīng)用中的智能傳感商機(jī)。該公司力圖打造其在微處理器領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)地位，開創(chuàng)嵌入式應(yīng)用的新功能和戰(zhàn)略方向。
“MEMS和其他傳感技術(shù)對消費(fèi)電子、智能電網(wǎng)和醫(yī)療市場產(chǎn)品的重要性正與日俱增，”Ildereme表示，“智能傳感和情境感知服務(wù)將借助數(shù)以億計的無線連接設(shè)備，為嵌入式市場帶來巨大的商機(jī)?！?br>
圖3：高通MEMS技術(shù)公司的Mirasol MEMS顯示屏將于今年年初用于電子書設(shè)備中，該設(shè)備可以15幀/秒的幀速率提供XGA格式。它采用干涉儀調(diào)制技術(shù)(其原理是將一個簡單的真空沉積薄膜結(jié)構(gòu)置于玻璃基板上)，無需背光電源。
即使是開創(chuàng)幾乎所有MEMS技術(shù)的學(xué)術(shù)界，也在尋找贏利的市場機(jī)會。據(jù)美國密歇根大學(xué)教授，也是該校無線集成微系統(tǒng)(WIMS)工程研究中心前院長的Kensall Wise表示，這種無線設(shè)備正在推動設(shè)計用于盲區(qū)測量的自動和自主生物醫(yī)學(xué)系統(tǒng)的發(fā)展。
圖4：密歇根大學(xué)無線集成微系統(tǒng)(WIMS)中心的這款手表大小的用于環(huán)境監(jiān)測的氣相色譜儀適合iPod Shuffle的尺寸。它在每次分析時可在幾秒到一分鐘的分析時間內(nèi)在每十億分析物中檢測出30到50種有機(jī)蒸氣污染物。
巨大的消費(fèi)類市場
最近幾年來，消費(fèi)電子市場正以創(chuàng)紀(jì)錄的數(shù)字使用多軸MEMS加速度計和陀螺儀，其應(yīng)用范圍涵蓋智能手機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、筆記本和膝上型電腦、平板電腦、電視遙控、游戲機(jī)、玩具、個人導(dǎo)航設(shè)備和GPS設(shè)備。加速度計和陀螺儀正在向芯片中增加更多功能，同時保持更小的尺寸和更低的成本——這是消費(fèi)電子市場的兩個必備要求。
威特艾傳感技術(shù)(VTI Technologies)、索尼(Sony)和松下(Panasonic)等新晉公司，正擠身Invensense、意法半導(dǎo)體(STMicroelectonics)和愛普生拓優(yōu)科夢(Epson Toyocom)等成熟MEMS陀螺儀制造商行列。此外，博世傳感技術(shù)(Bosch Sensortec)和Kionix也有望進(jìn)入這一市場。
Invensense借助其MPU-6000系列產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)了集成式MEMS陀螺儀領(lǐng)域的突破，該系列產(chǎn)品在4×4×0.9mm3的裸片上集成了一個充當(dāng)硬件加速度計引擎的數(shù)字運(yùn)動處理器以及一個三軸陀螺儀和加速度計，可實(shí)現(xiàn)9軸傳感器融合。
最近被羅姆公司(Rohm Co. Ltd.)收購的Kionix公司在消費(fèi)類應(yīng)用MEMS慣性傳感器產(chǎn)量上排名第三，該公司借助兩款5×5×0.9mm3新型數(shù)字陀螺儀(雙軸KGY-12和三軸KGY13 LGA封裝，圖5)的推出，充分發(fā)揮了其在針對消費(fèi)類市場的易于使用的加速度計領(lǐng)域的專業(yè)技術(shù)優(yōu)勢。這些陀螺儀針對具有內(nèi)置的用戶可編程、定向拍打、定向震動和自由落體運(yùn)動監(jiān)測任務(wù)算法的具體應(yīng)用。
圖5：附屬于美國佐治亞理工學(xué)院的CaridoMEMS公司的這款經(jīng)過FDA批準(zhǔn)的采用RF技術(shù)的埋植式無線壓力傳感器可用來治療動脈瘤(動脈瘤是導(dǎo)致心力衰竭的首要原因)。該傳感器通過一個只需幾分鐘即可完成的導(dǎo)管插入術(shù)插在病人心臟附近，無需任何外部電源供電。
“我們最大的工程設(shè)計人員編制是應(yīng)用工程設(shè)計，對于我們而言，這些人員是在為終端用戶開發(fā)應(yīng)用。”Kionix公司首席執(zhí)行官Greg Calvin表示，“我們的客戶希望我們向其提供他們想要的最終解決方案——可向他們提供關(guān)于器件是否在移動以及位于縱向還是橫向模式的信息的寄存器?？蛻舨幌Ｍ艿皆紨?shù)據(jù)處理的困擾，或者他們沒有能力處理原始數(shù)據(jù)?！盵!--empirenews.page--]
多數(shù)MEMS陀螺儀都采用叉和梳等不均衡開環(huán)振動體工作。相反，Silicon Sensing Systems公司采用諧振頻率為22kHz的3mm閉環(huán)振動環(huán)。該振動環(huán)可視為無數(shù)個采用均衡振動圓形結(jié)構(gòu)的音叉。該公司宣稱，這種方法可實(shí)現(xiàn)成本更低、功耗更低且更輕的MEMS陀螺儀。同時，Qualtre公司正在其陀螺儀中采用聲體波(bulk acoustic-wave，BAW)技術(shù)，據(jù)稱，這種陀螺儀的加工成本和功耗都要比其他陀螺儀低。
MEMS慣性管理組件(IMU)是MEMS陀螺儀的一個分支，它包含高度集成的MEMS加速度計和陀螺儀。十幾年來，這些器件已被用于導(dǎo)航、飛行控制和穩(wěn)定性功能。如今，更高的集成度促進(jìn)了價格的日益降低，從而使IMU能夠用于新興的保健和工業(yè)應(yīng)用中。
圖6：一個由60個與視網(wǎng)膜相連的電極組成的陣列和一個MEMS視網(wǎng)膜泵被設(shè)計用于通過視網(wǎng)膜的電刺激引起視覺感知，來治療由視網(wǎng)膜色素變性和老年性黃斑變性等疾病引起的失明。Second Sight的這種小型第二代產(chǎn)品Argus II不會引起排斥反應(yīng)，植入時可以重新注滿，還可進(jìn)行給藥編程。
新前景
惠普公司(HP)策劃人Rich Duncombe最近公布了其公司的一些計劃，旨在為需要傳感解決方案的產(chǎn)業(yè)和實(shí)體提供傳感解決方案，并以服務(wù)的形式銷售這些解決方案。這一策略從根本上背離了MEMS IC制造商為OEM制造器件而OEM將這些器件封裝成最終產(chǎn)品的傳統(tǒng)業(yè)務(wù)模式。
雖然惠普是采用MEMS技術(shù)噴墨打印頭的主要制造商，但是該公司計劃利用其最近開發(fā)的低功耗、低噪聲和高分辨率MEMS加速度計傳感器平臺，與需要此類數(shù)據(jù)的客戶在該平臺上進(jìn)行共同構(gòu)建。
“我們已經(jīng)宣布了與殼牌石油公司(Shell Oil Co.)攜手開發(fā)無線傳感系統(tǒng)的合作協(xié)議，這種無線傳感系統(tǒng)可在殼牌石油公司勘探油井時極難進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的區(qū)域采集到極高分辨率的陸上地震數(shù)據(jù)。”Duncombe表示。
“我們將向任何有需求的客戶提供這種‘系統(tǒng)’級解決方案，同時我們看到了這一舉措背后巨大的市場商機(jī)?！痹谡劦浇煌ㄏ到y(tǒng)、基礎(chǔ)設(shè)施和能源監(jiān)測領(lǐng)域的巨大商機(jī)時，他補(bǔ)充道，“即使是金融行業(yè)也可以采用這種生物識別和驗(yàn)證服務(wù)?！?br>
環(huán)境和工業(yè)應(yīng)用也可能被證明是MEMS器件最大的兩個潛力市場。MEMS傳感器與自主無線網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合時，將開創(chuàng)振動和健康監(jiān)測基礎(chǔ)設(shè)施以及鐵路、橋梁、水壩、樓宇和飛機(jī)等結(jié)構(gòu)的新時代。
模擬器件公司(ADI)最近推出了首款MEMS三軸振動分析系統(tǒng)，可幫助工業(yè)設(shè)計人員提升系統(tǒng)性能、降低維護(hù)成本。ADIS16227 iSensor振動監(jiān)測器在15mm3的小型封裝內(nèi)采用了一個MEMS加速度計和一個內(nèi)置可編程處理器，可實(shí)現(xiàn)定向傳感和頻譜分析，對具體振動源進(jìn)行識別和分類。
光學(xué)領(lǐng)域
MEMS技術(shù)的應(yīng)用還涵蓋顯示和光學(xué)投影領(lǐng)域。高通MEMS技術(shù)公司(Qualcomm MEMS Technologies)的Mirasol顯示屏采用干涉儀調(diào)制技術(shù)，其原理是將一個簡單的真空沉積薄膜結(jié)構(gòu)置于玻璃基板上。這種能以15幀/秒的速率提供XGA格式的顯示屏，將用于即將在今年年初供貨的電子書設(shè)備中(圖3)。
“這種技術(shù)無需背光，因此，與市面上的其他電子書和電子閱讀器相比具有低功耗，”高通工程設(shè)計高級副總裁Clarence Chui介紹道，“它有與Kindle電子書等產(chǎn)品競爭的潛力，但是其特色是運(yùn)行速度更快。”
德州儀器(Texas Instruments)的數(shù)字光投影(DLP)技術(shù)，就是其中一個成功的MEMS光學(xué)實(shí)現(xiàn)方案的典范。DLP采用MEMS掃描鏡，是2D和3D數(shù)碼相機(jī)、投影電視、會議室投影儀和微投影儀領(lǐng)域的主要投影器件。
Microvision公司的PicoP顯示引擎被廣泛用于電信、汽車、消費(fèi)電子和航空電子設(shè)備應(yīng)用中。其關(guān)鍵器件雙向MEMS掃描鏡與小的彎曲部分相連，這使其能夠縱向和橫向振蕩，逐個像素地捕獲或重現(xiàn)圖像。該引擎采用紅色、藍(lán)色和倍頻綠色激光二極管，這些二極管與掃描鏡一起在整個視場產(chǎn)生全彩色、鮮明和一致的顯示。
三星公司(Samsung)也涉足嵌入式MEMS微投影業(yè)務(wù)。該公司的SPH-W9600及GT-i8520 Galaxy Beam就是兩款投影手機(jī)。
涉足環(huán)境領(lǐng)域
密歇根大學(xué)無線集成微系統(tǒng)(WIMS)中心的一款新產(chǎn)品，是用于環(huán)境監(jiān)測的手表大小的氣相色譜儀。這所大學(xué)希望實(shí)現(xiàn)這個適合iPod Shuffle尺寸的器件商業(yè)化(圖4)。
該產(chǎn)品針對環(huán)境監(jiān)測應(yīng)用，每次分析可在幾秒到一分鐘的分析時間內(nèi)，在每十億分析物中檢測出30到50種有機(jī)蒸氣污染物。這種氣相色譜儀還可用于醫(yī)療保健和國防應(yīng)用。
目前，Block Engineering公司正在制造用于低成本軍事、商業(yè)和工業(yè)應(yīng)用的微型顯微光譜儀化學(xué)氣體傳感器。ChemPen的體積比一支鋼筆還要小，預(yù)計其成本在1000美元以下。
該器件采用復(fù)雜的MEMS傅里葉變換紅外(FTIR)技術(shù)，將采用桑迪亞國家實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的MEMS Summit-V工藝制作。其軟件可以通過編程來檢測化學(xué)戰(zhàn)的毒性化學(xué)品和有毒工業(yè)化學(xué)品。
濱松公司(Hamamatsu)已開發(fā)出一款重量僅9克的微型MEMS光譜儀頭，可廣泛用于12nm空間分辨率下波長在340到750 nm之間的可見光應(yīng)用。C10988A尺寸為27.6×13×16.8mm3，設(shè)計用于替代存在尺寸和功耗問題的標(biāo)準(zhǔn)微型光譜儀。它整合了濱松公司的MEMS和圖像傳感器技術(shù)。
此外，C10988A還采用焦距極小的像差校正凹面光柵以及可獲得高衍射效率的閃耀光柵剖面。光柵對面是一個帶有750×750μm2 MEMS片上切口的專用CMOS圖像傳感器。傳感器與切口之間的距離是1mm，傳感器與光柵之間的距離是8.5mm。
與時俱進(jìn)的醫(yī)療保健領(lǐng)域
“MEMS技術(shù)正在從商業(yè)化轉(zhuǎn)向目前的消費(fèi)電子應(yīng)用之外的個性化領(lǐng)域?！币夥ò雽?dǎo)體傳感器和高性能模擬視覺業(yè)務(wù)副總裁兼總經(jīng)理Benedetto Vegna表示。
這種個性化，將給監(jiān)測人體重要參數(shù)的人體局域網(wǎng)、監(jiān)測病人行蹤的傳感器以及實(shí)現(xiàn)患者與醫(yī)療服務(wù)供應(yīng)商進(jìn)行溝通的器件等領(lǐng)域，帶來突飛猛進(jìn)的發(fā)展。
我們已經(jīng)見證了用于生命體征監(jiān)測的便攜式家用保健設(shè)備、為獲得更好診斷和治療效果的經(jīng)過改良的人體植入器械、給藥系統(tǒng)以及流體和細(xì)胞處理裝置的大規(guī)模供貨，MEMS器件則走在這一市場的前沿。目前，MEMS傳感器正被廣泛用于病人跌倒感知、運(yùn)動和移動跟蹤、埋植式給藥和神經(jīng)刺激系統(tǒng)、呼吸監(jiān)測以及血糖和血壓監(jiān)測。[!--empirenews.page--]
MEMS先鋒Janusz Bryzek將智能手機(jī)視為實(shí)現(xiàn)采用MEMS技術(shù)的潛在醫(yī)療工具的關(guān)鍵設(shè)備。他認(rèn)為，諸如肺監(jiān)測和分析等應(yīng)用將在超聲成像領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。
密歇根大學(xué)是生物醫(yī)療應(yīng)用埋植式MEMS器件開發(fā)的領(lǐng)導(dǎo)者。這些器件包括用于聽覺和神經(jīng)檢測和仿真應(yīng)用的探針，以及用于心臟動脈植入和視覺假體眼內(nèi)植入應(yīng)用的MEMS壓力傳感器。許多新發(fā)明成果最終以產(chǎn)品的形式面市，目前正為遍布全球的診所和其他醫(yī)療機(jī)構(gòu)所使用。
植入胰腺、眼科裝置、聽覺器件和心血管裝置則即將面市。圖5是經(jīng)美國食品藥物管理局(FDA)批準(zhǔn)的采用RF技術(shù)的埋植式無線壓力傳感器，由附屬于美國佐治亞理工學(xué)院的CaridoMEMS公司提供，可用來治療動脈瘤(動脈瘤是導(dǎo)致心力衰竭的首要原因)。
這款微型無源LC諧振傳感器名為Champion，由外部電感耦合供電，無需電池。壓力發(fā)生變化時傳感器膜片彎曲，并改變LC電路的諧振頻率。
該壓力傳感器及其無線天線，通過一個只需幾分鐘即可完成的導(dǎo)管插入術(shù)插在心臟附近。該裝置監(jiān)控血壓，并將結(jié)果發(fā)送到無線掃描儀。當(dāng)數(shù)天收到的異常血壓都在理想范圍之外時，醫(yī)生會得到電話通知，以便采取進(jìn)一步行動。
根據(jù)佐治亞理工學(xué)院教授兼CardioMEMS公司創(chuàng)始人Mark Allen的報道，Champion具有前途無量的效果?！芭c目前的護(hù)理金標(biāo)準(zhǔn)相比，采用該裝置監(jiān)護(hù)的病人中住院治療的病人比例下降了38%。”他表示。
MEMS技術(shù)在用來治療視網(wǎng)膜色素變性和老年性黃斑變性等疾病的眼科植入領(lǐng)域，也開始大顯身手，南加州大學(xué)(University of Southern California)多漢尼眼科研究所為期25年的人工視網(wǎng)膜計劃可以見證這一點(diǎn)。根據(jù)Mark S. Humayun教授的報道，第二視覺醫(yī)藥產(chǎn)品公司(Second Sight Medical Products)投資的臨床試驗(yàn)取得了鼓舞人心的效果。
Second Sight第二代產(chǎn)品Argus II通過對視網(wǎng)膜進(jìn)行電刺激來引起視覺感知。這種與視網(wǎng)膜泵配合工作的植入裝置，包含一個由60個與視網(wǎng)膜相連的電極組成的陣列(圖6)。電極將從外部攝像頭獲取的信息傳送給視網(wǎng)膜，為植入體提供基本視線。
“借助MEMS技術(shù)，我們可以制造新型迷你眼科泵，這種眼科泵尺寸小，不會引起排斥反應(yīng)，植入時可以重新注滿，并且可進(jìn)行給藥編程。”Humayun表示。
這些應(yīng)用僅僅只是開始。MEMS技術(shù)將為所有人開創(chuàng)文明的新紀(jì)元。MEMS器件的價格已經(jīng)出現(xiàn)暴跌，它正淪為“日用品”，這已在最近舉行的MEMS管理者大會(MIG)的“enabling(實(shí)現(xiàn))”主題得到證實(shí)。這些器件將充斥各個市場板塊，使無數(shù)應(yīng)用受益，其應(yīng)用范圍超乎設(shè)計者的想像。
作者：Roger Allan
這兩個領(lǐng)域的成功將實(shí)現(xiàn)用于智能傳感和情境感知的新平臺，從而使消費(fèi)電子、生物醫(yī)療、工業(yè)、環(huán)境、通信、安全、運(yùn)輸市場以及基礎(chǔ)設(shè)施監(jiān)測和金融應(yīng)用受益良多。
MEMS器件制造商必須應(yīng)對傳統(tǒng)業(yè)務(wù)模式偏離的局面(傳統(tǒng)上，MEMS IC制造商為OEM制造器件，OEM將這些器件封裝成最終產(chǎn)品)。他們必須專注于客戶的具體需求、最終產(chǎn)品的使用環(huán)境和使用方式，以及如何使產(chǎn)品更易于操作。對于要求低成本的市場(如消費(fèi)電子市場)，關(guān)鍵在于更高的集成度，即以具有成本效益的方式合并CMOS和MEMS。
這些觀點(diǎn)在兩場近期舉行的MEMS大會，即MEMS技術(shù)峰會和MEMS管理者大會上的演講中，得到了證實(shí)。
按照會議的冠名，MEMS技術(shù)峰會匯集了MEMS產(chǎn)業(yè)群體的“名流”。此會議還肩負(fù)著回顧過去25年來MEMS技術(shù)的進(jìn)步以及展望未來的雙重目的。此外，它還是MEMS產(chǎn)業(yè)先鋒Nova Sensor公司成立25周年的紀(jì)念會，創(chuàng)始團(tuán)隊(duì)的成員組織了此活動。美國微機(jī)電系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)協(xié)會(MIG)是MEMS管理者大會的贊助單位。
“芯片外部的考量涉及系統(tǒng)工程設(shè)計的本質(zhì)。芯片是系統(tǒng)真正的使能者。但是，它需要熱管理和互連策略等諸多其他功能的支持，從而創(chuàng)建最合適客戶應(yīng)用的解決方案?！盧oger Grace Associates總裁Roger Grace表示。
“這種MEMS解決方案的其他主要功能包括MEMS至系統(tǒng)的接口(往往是帶具有嵌入式軟件/算法的微控制器內(nèi)核的ASIC)、電源以及網(wǎng)絡(luò)芯片，所以這些功能都以魯棒且具有成本效益的方式組合在一起。創(chuàng)建這種方法的基本原則(圖1)是系統(tǒng)工程設(shè)計、可靠性分析、可制造性和可測試性設(shè)計以及協(xié)同設(shè)計?！盙race補(bǔ)充道。
圖1：MEMS芯片外部的考量對于創(chuàng)建最適合客戶應(yīng)用的解決方案而言正變得越來越有必要。這涉及系統(tǒng)工程設(shè)計、可制造性和可測試性設(shè)計以及協(xié)同設(shè)計。
MEMS IC制造商目前也動作頻頻。比如，飛思卡爾半導(dǎo)體公司借助Xtrinsic產(chǎn)品組合開創(chuàng)了新的傳感時代。這種品牌的傳感器在設(shè)計時明智地結(jié)合了智能集成、邏輯和可定制軟件，可實(shí)現(xiàn)更智能且差異化程度更高的應(yīng)用。
圖2：Kionix三軸KGY13陀螺儀采用5×5×0.9mm3 24引腳LGA封裝，針對大眾市場消費(fèi)電子應(yīng)用。
MEMS和非MEMS半導(dǎo)體IC制造商正在借助他們的產(chǎn)能和產(chǎn)品，全力以赴地投入到他們所認(rèn)為的巨大新市場商機(jī)中。英特爾實(shí)驗(yàn)室(Intel’s Labs)副總裁兼總監(jiān)Vida Ildereme表示，英特爾正借助嵌入式單晶片系統(tǒng)(silicon-on-a-chip) IC的開發(fā)，尋找嵌入式應(yīng)用中的智能傳感商機(jī)。該公司力圖打造其在微處理器領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)地位，開創(chuàng)嵌入式應(yīng)用的新功能和戰(zhàn)略方向。
“MEMS和其他傳感技術(shù)對消費(fèi)電子、智能電網(wǎng)和醫(yī)療市場產(chǎn)品的重要性正與日俱增，”Ildereme表示，“智能傳感和情境感知服務(wù)將借助數(shù)以億計的無線連接設(shè)備，為嵌入式市場帶來巨大的商機(jī)?！?br>
圖3：高通MEMS技術(shù)公司的Mirasol MEMS顯示屏將于今年年初用于電子書設(shè)備中，該設(shè)備可以15幀/秒的幀速率提供XGA格式。它采用干涉儀調(diào)制技術(shù)(其原理是將一個簡單的真空沉積薄膜結(jié)構(gòu)置于玻璃基板上)，無需背光電源。
即使是開創(chuàng)幾乎所有MEMS技術(shù)的學(xué)術(shù)界，也在尋找贏利的市場機(jī)會。據(jù)美國密歇根大學(xué)教授，也是該校無線集成微系統(tǒng)(WIMS)工程研究中心前院長的Kensall Wise表示，這種無線設(shè)備正在推動設(shè)計用于盲區(qū)測量的自動和自主生物醫(yī)學(xué)系統(tǒng)的發(fā)展。
圖4：密歇根大學(xué)無線集成微系統(tǒng)(WIMS)中心的這款手表大小的用于環(huán)境監(jiān)測的氣相色譜儀適合iPod Shuffle的尺寸。它在每次分析時可在幾秒到一分鐘的分析時間內(nèi)在每十億分析物中檢測出30到50種有機(jī)蒸氣污染物。
巨大的消費(fèi)類市場
最近幾年來，消費(fèi)電子市場正以創(chuàng)紀(jì)錄的數(shù)字使用多軸MEMS加速度計和陀螺儀，其應(yīng)用范圍涵蓋智能手機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、筆記本和膝上型電腦、平板電腦、電視遙控、游戲機(jī)、玩具、個人導(dǎo)航設(shè)備和GPS設(shè)備。加速度計和陀螺儀正在向芯片中增加更多功能，同時保持更小的尺寸和更低的成本——這是消費(fèi)電子市場的兩個必備要求。
威特艾傳感技術(shù)(VTI Technologies)、索尼(Sony)和松下(Panasonic)等新晉公司，正擠身Invensense、意法半導(dǎo)體(STMicroelectonics)和愛普生拓優(yōu)科夢(Epson Toyocom)等成熟MEMS陀螺儀制造商行列。此外，博世傳感技術(shù)(Bosch Sensortec)和Kionix也有望進(jìn)入這一市場。
Invensense借助其MPU-6000系列產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)了集成式MEMS陀螺儀領(lǐng)域的突破，該系列產(chǎn)品在4×4×0.9mm3的裸片上集成了一個充當(dāng)硬件加速度計引擎的數(shù)字運(yùn)動處理器以及一個三軸陀螺儀和加速度計，可實(shí)現(xiàn)9軸傳感器融合。
最近被羅姆公司(Rohm Co. Ltd.)收購的Kionix公司在消費(fèi)類應(yīng)用MEMS慣性傳感器產(chǎn)量上排名第三，該公司借助兩款5×5×0.9mm3新型數(shù)字陀螺儀(雙軸KGY-12和三軸KGY13 LGA封裝，圖5)的推出，充分發(fā)揮了其在針對消費(fèi)類市場的易于使用的加速度計領(lǐng)域的專業(yè)技術(shù)優(yōu)勢。這些陀螺儀針對具有內(nèi)置的用戶可編程、定向拍打、定向震動和自由落體運(yùn)動監(jiān)測任務(wù)算法的具體應(yīng)用。
圖5：附屬于美國佐治亞理工學(xué)院的CaridoMEMS公司的這款經(jīng)過FDA批準(zhǔn)的采用RF技術(shù)的埋植式無線壓力傳感器可用來治療動脈瘤(動脈瘤是導(dǎo)致心力衰竭的首要原因)。該傳感器通過一個只需幾分鐘即可完成的導(dǎo)管插入術(shù)插在病人心臟附近，無需任何外部電源供電。
“我們最大的工程設(shè)計人員編制是應(yīng)用工程設(shè)計，對于我們而言，這些人員是在為終端用戶開發(fā)應(yīng)用。”Kionix公司首席執(zhí)行官Greg Calvin表示，“我們的客戶希望我們向其提供他們想要的最終解決方案——可向他們提供關(guān)于器件是否在移動以及位于縱向還是橫向模式的信息的寄存器?？蛻舨幌Ｍ艿皆紨?shù)據(jù)處理的困擾，或者他們沒有能力處理原始數(shù)據(jù)?！盵!--empirenews.page--]
多數(shù)MEMS陀螺儀都采用叉和梳等不均衡開環(huán)振動體工作。相反，Silicon Sensing Systems公司采用諧振頻率為22kHz的3mm閉環(huán)振動環(huán)。該振動環(huán)可視為無數(shù)個采用均衡振動圓形結(jié)構(gòu)的音叉。該公司宣稱，這種方法可實(shí)現(xiàn)成本更低、功耗更低且更輕的MEMS陀螺儀。同時，Qualtre公司正在其陀螺儀中采用聲體波(bulk acoustic-wave，BAW)技術(shù)，據(jù)稱，這種陀螺儀的加工成本和功耗都要比其他陀螺儀低。
MEMS慣性管理組件(IMU)是MEMS陀螺儀的一個分支，它包含高度集成的MEMS加速度計和陀螺儀。十幾年來，這些器件已被用于導(dǎo)航、飛行控制和穩(wěn)定性功能。如今，更高的集成度促進(jìn)了價格的日益降低，從而使IMU能夠用于新興的保健和工業(yè)應(yīng)用中。
圖6：一個由60個與視網(wǎng)膜相連的電極組成的陣列和一個MEMS視網(wǎng)膜泵被設(shè)計用于通過視網(wǎng)膜的電刺激引起視覺感知，來治療由視網(wǎng)膜色素變性和老年性黃斑變性等疾病引起的失明。Second Sight的這種小型第二代產(chǎn)品Argus II不會引起排斥反應(yīng)，植入時可以重新注滿，還可進(jìn)行給藥編程。
新前景
惠普公司(HP)策劃人Rich Duncombe最近公布了其公司的一些計劃，旨在為需要傳感解決方案的產(chǎn)業(yè)和實(shí)體提供傳感解決方案，并以服務(wù)的形式銷售這些解決方案。這一策略從根本上背離了MEMS IC制造商為OEM制造器件而OEM將這些器件封裝成最終產(chǎn)品的傳統(tǒng)業(yè)務(wù)模式。
雖然惠普是采用MEMS技術(shù)噴墨打印頭的主要制造商，但是該公司計劃利用其最近開發(fā)的低功耗、低噪聲和高分辨率MEMS加速度計傳感器平臺，與需要此類數(shù)據(jù)的客戶在該平臺上進(jìn)行共同構(gòu)建。
“我們已經(jīng)宣布了與殼牌石油公司(Shell Oil Co.)攜手開發(fā)無線傳感系統(tǒng)的合作協(xié)議，這種無線傳感系統(tǒng)可在殼牌石油公司勘探油井時極難進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的區(qū)域采集到極高分辨率的陸上地震數(shù)據(jù)。”Duncombe表示。
“我們將向任何有需求的客戶提供這種‘系統(tǒng)’級解決方案，同時我們看到了這一舉措背后巨大的市場商機(jī)?！痹谡劦浇煌ㄏ到y(tǒng)、基礎(chǔ)設(shè)施和能源監(jiān)測領(lǐng)域的巨大商機(jī)時，他補(bǔ)充道，“即使是金融行業(yè)也可以采用這種生物識別和驗(yàn)證服務(wù)?！?br>
環(huán)境和工業(yè)應(yīng)用也可能被證明是MEMS器件最大的兩個潛力市場。MEMS傳感器與自主無線網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合時，將開創(chuàng)振動和健康監(jiān)測基礎(chǔ)設(shè)施以及鐵路、橋梁、水壩、樓宇和飛機(jī)等結(jié)構(gòu)的新時代。
模擬器件公司(ADI)最近推出了首款MEMS三軸振動分析系統(tǒng)，可幫助工業(yè)設(shè)計人員提升系統(tǒng)性能、降低維護(hù)成本。ADIS16227 iSensor振動監(jiān)測器在15mm3的小型封裝內(nèi)采用了一個MEMS加速度計和一個內(nèi)置可編程處理器，可實(shí)現(xiàn)定向傳感和頻譜分析，對具體振動源進(jìn)行識別和分類。
光學(xué)領(lǐng)域
MEMS技術(shù)的應(yīng)用還涵蓋顯示和光學(xué)投影領(lǐng)域。高通MEMS技術(shù)公司(Qualcomm MEMS Technologies)的Mirasol顯示屏采用干涉儀調(diào)制技術(shù)，其原理是將一個簡單的真空沉積薄膜結(jié)構(gòu)置于玻璃基板上。這種能以15幀/秒的速率提供XGA格式的顯示屏，將用于即將在今年年初供貨的電子書設(shè)備中(圖3)。
“這種技術(shù)無需背光，因此，與市面上的其他電子書和電子閱讀器相比具有低功耗，”高通工程設(shè)計高級副總裁Clarence Chui介紹道，“它有與Kindle電子書等產(chǎn)品競爭的潛力，但是其特色是運(yùn)行速度更快。”
德州儀器(Texas Instruments)的數(shù)字光投影(DLP)技術(shù)，就是其中一個成功的MEMS光學(xué)實(shí)現(xiàn)方案的典范。DLP采用MEMS掃描鏡，是2D和3D數(shù)碼相機(jī)、投影電視、會議室投影儀和微投影儀領(lǐng)域的主要投影器件。
Microvision公司的PicoP顯示引擎被廣泛用于電信、汽車、消費(fèi)電子和航空電子設(shè)備應(yīng)用中。其關(guān)鍵器件雙向MEMS掃描鏡與小的彎曲部分相連，這使其能夠縱向和橫向振蕩，逐個像素地捕獲或重現(xiàn)圖像。該引擎采用紅色、藍(lán)色和倍頻綠色激光二極管，這些二極管與掃描鏡一起在整個視場產(chǎn)生全彩色、鮮明和一致的顯示。
三星公司(Samsung)也涉足嵌入式MEMS微投影業(yè)務(wù)。該公司的SPH-W9600及GT-i8520 Galaxy Beam就是兩款投影手機(jī)。
涉足環(huán)境領(lǐng)域
密歇根大學(xué)無線集成微系統(tǒng)(WIMS)中心的一款新產(chǎn)品，是用于環(huán)境監(jiān)測的手表大小的氣相色譜儀。這所大學(xué)希望實(shí)現(xiàn)這個適合iPod Shuffle尺寸的器件商業(yè)化(圖4)。
該產(chǎn)品針對環(huán)境監(jiān)測應(yīng)用，每次分析可在幾秒到一分鐘的分析時間內(nèi)，在每十億分析物中檢測出30到50種有機(jī)蒸氣污染物。這種氣相色譜儀還可用于醫(yī)療保健和國防應(yīng)用。
目前，Block Engineering公司正在制造用于低成本軍事、商業(yè)和工業(yè)應(yīng)用的微型顯微光譜儀化學(xué)氣體傳感器。ChemPen的體積比一支鋼筆還要小，預(yù)計其成本在1000美元以下。
該器件采用復(fù)雜的MEMS傅里葉變換紅外(FTIR)技術(shù)，將采用桑迪亞國家實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的MEMS Summit-V工藝制作。其軟件可以通過編程來檢測化學(xué)戰(zhàn)的毒性化學(xué)品和有毒工業(yè)化學(xué)品。
濱松公司(Hamamatsu)已開發(fā)出一款重量僅9克的微型MEMS光譜儀頭，可廣泛用于12nm空間分辨率下波長在340到750 nm之間的可見光應(yīng)用。C10988A尺寸為27.6×13×16.8mm3，設(shè)計用于替代存在尺寸和功耗問題的標(biāo)準(zhǔn)微型光譜儀。它整合了濱松公司的MEMS和圖像傳感器技術(shù)。
此外，C10988A還采用焦距極小的像差校正凹面光柵以及可獲得高衍射效率的閃耀光柵剖面。光柵對面是一個帶有750×750μm2 MEMS片上切口的專用CMOS圖像傳感器。傳感器與切口之間的距離是1mm，傳感器與光柵之間的距離是8.5mm。
與時俱進(jìn)的醫(yī)療保健領(lǐng)域
“MEMS技術(shù)正在從商業(yè)化轉(zhuǎn)向目前的消費(fèi)電子應(yīng)用之外的個性化領(lǐng)域?！币夥ò雽?dǎo)體傳感器和高性能模擬視覺業(yè)務(wù)副總裁兼總經(jīng)理Benedetto Vegna表示。
這種個性化，將給監(jiān)測人體重要參數(shù)的人體局域網(wǎng)、監(jiān)測病人行蹤的傳感器以及實(shí)現(xiàn)患者與醫(yī)療服務(wù)供應(yīng)商進(jìn)行溝通的器件等領(lǐng)域，帶來突飛猛進(jìn)的發(fā)展。
我們已經(jīng)見證了用于生命體征監(jiān)測的便攜式家用保健設(shè)備、為獲得更好診斷和治療效果的經(jīng)過改良的人體植入器械、給藥系統(tǒng)以及流體和細(xì)胞處理裝置的大規(guī)模供貨，MEMS器件則走在這一市場的前沿。目前，MEMS傳感器正被廣泛用于病人跌倒感知、運(yùn)動和移動跟蹤、埋植式給藥和神經(jīng)刺激系統(tǒng)、呼吸監(jiān)測以及血糖和血壓監(jiān)測。[!--empirenews.page--]
MEMS先鋒Janusz Bryzek將智能手機(jī)視為實(shí)現(xiàn)采用MEMS技術(shù)的潛在醫(yī)療工具的關(guān)鍵設(shè)備。他認(rèn)為，諸如肺監(jiān)測和分析等應(yīng)用將在超聲成像領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。
密歇根大學(xué)是生物醫(yī)療應(yīng)用埋植式MEMS器件開發(fā)的領(lǐng)導(dǎo)者。這些器件包括用于聽覺和神經(jīng)檢測和仿真應(yīng)用的探針，以及用于心臟動脈植入和視覺假體眼內(nèi)植入應(yīng)用的MEMS壓力傳感器。許多新發(fā)明成果最終以產(chǎn)品的形式面市，目前正為遍布全球的診所和其他醫(yī)療機(jī)構(gòu)所使用。
植入胰腺、眼科裝置、聽覺器件和心血管裝置則即將面市。圖5是經(jīng)美國食品藥物管理局(FDA)批準(zhǔn)的采用RF技術(shù)的埋植式無線壓力傳感器，由附屬于美國佐治亞理工學(xué)院的CaridoMEMS公司提供，可用來治療動脈瘤(動脈瘤是導(dǎo)致心力衰竭的首要原因)。
這款微型無源LC諧振傳感器名為Champion，由外部電感耦合供電，無需電池。壓力發(fā)生變化時傳感器膜片彎曲，并改變LC電路的諧振頻率。
該壓力傳感器及其無線天線，通過一個只需幾分鐘即可完成的導(dǎo)管插入術(shù)插在心臟附近。該裝置監(jiān)控血壓，并將結(jié)果發(fā)送到無線掃描儀。當(dāng)數(shù)天收到的異常血壓都在理想范圍之外時，醫(yī)生會得到電話通知，以便采取進(jìn)一步行動。
根據(jù)佐治亞理工學(xué)院教授兼CardioMEMS公司創(chuàng)始人Mark Allen的報道，Champion具有前途無量的效果?！芭c目前的護(hù)理金標(biāo)準(zhǔn)相比，采用該裝置監(jiān)護(hù)的病人中住院治療的病人比例下降了38%。”他表示。
MEMS技術(shù)在用來治療視網(wǎng)膜色素變性和老年性黃斑變性等疾病的眼科植入領(lǐng)域，也開始大顯身手，南加州大學(xué)(University of Southern California)多漢尼眼科研究所為期25年的人工視網(wǎng)膜計劃可以見證這一點(diǎn)。根據(jù)Mark S. Humayun教授的報道，第二視覺醫(yī)藥產(chǎn)品公司(Second Sight Medical Products)投資的臨床試驗(yàn)取得了鼓舞人心的效果。
Second Sight第二代產(chǎn)品Argus II通過對視網(wǎng)膜進(jìn)行電刺激來引起視覺感知。這種與視網(wǎng)膜泵配合工作的植入裝置，包含一個由60個與視網(wǎng)膜相連的電極組成的陣列(圖6)。電極將從外部攝像頭獲取的信息傳送給視網(wǎng)膜，為植入體提供基本視線。
“借助MEMS技術(shù)，我們可以制造新型迷你眼科泵，這種眼科泵尺寸小，不會引起排斥反應(yīng)，植入時可以重新注滿，并且可進(jìn)行給藥編程。”Humayun表示。
這些應(yīng)用僅僅只是開始。MEMS技術(shù)將為所有人開創(chuàng)文明的新紀(jì)元。MEMS器件的價格已經(jīng)出現(xiàn)暴跌，它正淪為“日用品”，這已在最近舉行的MEMS管理者大會(MIG)的“enabling(實(shí)現(xiàn))”主題得到證實(shí)。這些器件將充斥各個市場板塊，使無數(shù)應(yīng)用受益，其應(yīng)用范圍超乎設(shè)計者的想像。
作者：Roger Allan
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