意法半導(dǎo)體掀起MEMS消費(fèi)電子化新浪潮

2009年溫家寶總理在視察中科院無錫微納傳感網(wǎng)工程技術(shù)研發(fā)中心時(shí)提出“感知中國，大力建設(shè)物聯(lián)網(wǎng)”的號(hào)召，將傳感器技術(shù)首次推上了舉國關(guān)注的焦點(diǎn)位置。傳感器，作為傳感網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)感知層面的關(guān)鍵電子器件，是建設(shè)所有智能網(wǎng)絡(luò)的第一關(guān)。推動(dòng)傳感器技術(shù)的創(chuàng)新和應(yīng)用，其重要意義絕不亞于目前大熱的云計(jì)算和物聯(lián)網(wǎng)。

事實(shí)上，很多具有領(lǐng)先意識(shí)的半導(dǎo)體廠商很早就認(rèn)識(shí)到傳感器技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用的重要前景，并投入大量資源致力于新技術(shù)的開發(fā)和創(chuàng)新設(shè)計(jì)?，F(xiàn)在的傳感器技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到一個(gè)新的階段。集成化、智能化、平臺(tái)化的發(fā)展理念令傳感器脫離了過去的陳舊印象，傳感器成為系統(tǒng)中蘊(yùn)藏大智慧的關(guān)鍵器件。而傳感器的應(yīng)用創(chuàng)新則更加引人注目。許多時(shí)尚潮流的熱門應(yīng)用，如智能手機(jī)觸摸屏體驗(yàn)，便攜式遠(yuǎn)程醫(yī)療設(shè)備，汽車安全智能系統(tǒng)，游戲娛樂產(chǎn)品等，這些至酷至美，實(shí)用貼心的生活體驗(yàn)，都離不開傳感器的貢獻(xiàn)。

意法半導(dǎo)體(ST)公司是MEMS傳感器技術(shù)和應(yīng)用創(chuàng)新的先行者。據(jù)IHS iSuppi公司2011年的統(tǒng)計(jì)報(bào)告顯示，ST是全球第一大消費(fèi)電子和便攜設(shè)備芯片供應(yīng)商，MEMS傳感器出貨量已突破20億大關(guān)。

MEMS消費(fèi)電子化浪潮

原本在工業(yè)應(yīng)用廣泛的MEMS傳感器技術(shù)，經(jīng)過傳感器技術(shù)專家的創(chuàng)新，現(xiàn)在可以用來實(shí)現(xiàn)很多新鮮有趣又實(shí)用、符合未來發(fā)展需求的嶄新應(yīng)用，掀起了MEMS消費(fèi)電子應(yīng)用的新浪潮。

便攜設(shè)備中的數(shù)據(jù)保護(hù)是MEMS傳感器的一種應(yīng)用。當(dāng)出現(xiàn)自由墜落或者其它異常運(yùn)動(dòng)時(shí)，MEMS加速計(jì)將立即通知系統(tǒng)終止全部的硬盤驅(qū)動(dòng)器（HDD）讀寫操作，并將磁頭固定到安全位置。意法半導(dǎo)體的加速計(jì)還經(jīng)常集成在洗衣機(jī)或烘干機(jī)等家電設(shè)備中，充當(dāng)振動(dòng)檢測(cè)器，用于穩(wěn)定失衡的負(fù)荷，防止機(jī)器出現(xiàn)過量的磨損而發(fā)生故障。

MEMS陀螺儀，也稱角運(yùn)動(dòng)傳感器，可以輔助加速計(jì)，使游戲機(jī)和遙控器的人機(jī)界面變得更加炫酷。這些陀螺儀還能消除晃動(dòng)對(duì)數(shù)字?jǐn)z像機(jī)或數(shù)碼相機(jī)畫質(zhì)的影響，提高圖像或相片的清晰度，并可使汽車導(dǎo)航增加航位推算和地圖匹配功能。由于GPS衛(wèi)星信號(hào)無法覆蓋每一個(gè)角落，例如，在建筑物內(nèi)或高樓林立的城區(qū)通常沒有衛(wèi)星信號(hào)，在這種情況下，航位推算系統(tǒng)通過監(jiān)測(cè)運(yùn)動(dòng)、行程和海拔，修正數(shù)字羅盤讀數(shù)，繼續(xù)為用戶提供準(zhǔn)確的導(dǎo)航信息。

MEMS磁傳感器測(cè)量地球磁場(chǎng)的強(qiáng)度和/或方向，因而能夠確定以北極為參考軸的前進(jìn)方向，增強(qiáng)便攜消費(fèi)電子產(chǎn)品的電子羅盤功能，包括方位定向、地圖/顯示屏定向、定位關(guān)聯(lián)服務(wù)和航位推測(cè)。在一個(gè)9自由度(DoF) 多傳感器模塊內(nèi)，磁傳感器可補(bǔ)充加速度計(jì)和陀螺儀的功能。

壓力傳感器可滿足應(yīng)用對(duì)全量程和高分辨率的要求：應(yīng)用實(shí)例包括手持設(shè)備的氣壓計(jì)功能和硬盤驅(qū)動(dòng)器的“飛行高度”控制功能。隨著硬盤驅(qū)動(dòng)器小型化趨勢(shì)和存儲(chǔ)容量不斷提高，磁頭與盤面之間的距離極易受到氣壓變化的負(fù)面影響。

微加工聲學(xué)器件，也稱MEMS麥克風(fēng)，可提高現(xiàn)有的和新興應(yīng)用設(shè)備的音質(zhì)、可靠性和成本效益，目標(biāo)應(yīng)用包括手機(jī)、筆記本電腦、錄像機(jī)、數(shù)碼相機(jī)以及助聽器或電子聽診器。將多個(gè)MEMS麥克風(fēng)組合成陣列可實(shí)現(xiàn)更多功能，如噪聲抑制和方向拾音。這在噪聲很大和無法控制的環(huán)境內(nèi)，對(duì)于提高聲音清晰度很有幫助，可以有效提高移動(dòng)會(huì)話和會(huì)議的音質(zhì)。

MEMS技術(shù)發(fā)展方向

在一個(gè)封裝內(nèi)整合多個(gè)傳感器：加速計(jì)、陀螺儀、地磁計(jì)、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(yīng)用設(shè)備的功能性和性能。意法半導(dǎo)體公司最具代表性的INEMO傳感器解決方案平臺(tái)，將9個(gè)自由度傳感器和32位MCU整合在一起，同時(shí)還配備多個(gè)通信接口，靈活和高性能的配置令其可為許多新興應(yīng)用提供出色的解決方案。集成傳感器可實(shí)現(xiàn)自主和自動(dòng)系統(tǒng)，監(jiān)測(cè)特定的條件，并根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果執(zhí)行相應(yīng)的操作，用戶無需干預(yù)或只需稍加介入。此外，“智能傳感器”整合MEMS器件和處理功能，無需主處理器介入，獨(dú)立運(yùn)行傳感器算法，從而能夠降低系統(tǒng)級(jí)功耗，這對(duì)耗電量極大的手持設(shè)備非常重要。

iNEMO模塊沿用先進(jìn)的濾波和預(yù)測(cè)軟件iNEMO Engine。該軟件利用精密算法整合所有傳感器的輸出數(shù)據(jù)，能夠在精度、分辨率、穩(wěn)定性和響應(yīng)時(shí)間等方面提高系統(tǒng)整體性能，大幅改進(jìn)用戶的使用體驗(yàn)。

硅微加工技術(shù)還被用于開發(fā)各種熱射流MEMS器件。意法半導(dǎo)體還為主要的噴墨打印機(jī)制造商提供噴頭芯片。打印頭芯片內(nèi)含有數(shù)百個(gè)微型通道，這些墨水通道與相應(yīng)的裝滿墨水的微型墨盒相連。同一芯片上的加熱元件與控制電路將墨水蒸發(fā)，把微小墨水氣泡噴射到打印紙上。

ST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(yàn)室分析過程。意法半導(dǎo)體的In-Check™產(chǎn)品平臺(tái)是業(yè)內(nèi)首款通過精確控制熱量來擴(kuò)增DNA并進(jìn)行微矩陣檢測(cè)的基因芯片。因?yàn)楣璧臒崽匦苑浅３錾?，?zhǔn)許在同一芯片上實(shí)現(xiàn)電子溫度控制，所以Lab-on-Chip芯片能夠?qū)NA樣本進(jìn)行精確的加熱和冷卻處理，其精確度可與價(jià)值數(shù)萬美元的實(shí)驗(yàn)室媲美。與傳統(tǒng)的診斷系統(tǒng)相比，MEMS因?yàn)橥庑涡。碾娏可?，只需很少的試劑，所以更能?jié)省成本。

在醫(yī)療保健領(lǐng)域也可以應(yīng)用微射流MEMS技術(shù)，例如，可以安裝在一次性敷貼內(nèi)的微型胰島素注射泵。意法半導(dǎo)體與Debiotech公司合作開發(fā)的胰島素注射泵能夠精確模擬胰腺分泌過程，向人體持續(xù)輸注胰島素，同時(shí)還能檢測(cè)注射泵可能存在的故障，為病患提供深一層的保護(hù)。基于MEMS的Jewel Pump采用大規(guī)模半導(dǎo)體制造技術(shù)，成本比現(xiàn)有的解決方案更容易讓病患接受，同時(shí)，其可靠性和精確度也很出色。

意法半導(dǎo)體的MEMS壓力傳感器還是另一項(xiàng)創(chuàng)新應(yīng)用的核心技術(shù)：能夠24小時(shí)檢測(cè)和觀察眼壓變化的智能隱形眼鏡。作為意法半導(dǎo)體與Sensimed的合作開發(fā)成果，這個(gè)創(chuàng)新的輔助診斷工具有助于專家提前發(fā)現(xiàn)青光眼，通過同步治療方法與病患的內(nèi)部生物鐘能夠使治療效果最大化。

MEMS制造技術(shù)

2006年，意法半導(dǎo)體在意大利Agrate地區(qū)建立了一條MEMS器件專用200mm (8英寸)晶圓生產(chǎn)線，成為世界首個(gè)擁有MEMS專用生產(chǎn)線的大型半導(dǎo)體公司。這一舉動(dòng)大幅降低了產(chǎn)品的單位成本，并加快了現(xiàn)有應(yīng)用領(lǐng)域擴(kuò)大和新市場(chǎng)開發(fā)。

意法半導(dǎo)體在其位于馬爾他Kirkop的最先進(jìn)的后工序制造廠進(jìn)行MEMS器件的封裝測(cè)試，該工廠日產(chǎn)能超過100萬顆MEMS芯片。整合一個(gè)微加工傳感器和一個(gè)邏輯裸片的復(fù)雜器件需要嚴(yán)格且復(fù)雜的封裝解決方案，以降低MEMS芯片受機(jī)械振動(dòng)和環(huán)境因素的影響。

在前工序制造技術(shù)和工藝方面，意法半導(dǎo)體發(fā)現(xiàn)并解決了在各種應(yīng)用領(lǐng)域大規(guī)模推廣高效益的MEMS器件的關(guān)鍵問題。為了加快產(chǎn)品上市時(shí)間，實(shí)現(xiàn)規(guī)模經(jīng)濟(jì)效益，核心技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化是極其重要的。意法半導(dǎo)體開發(fā)出了微致動(dòng)器和加速計(jì)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(xiàn)MEMS器件的結(jié)構(gòu)和互連線。

意法半導(dǎo)體的VENSENS工藝(VENice process for SENSors)結(jié)合 ThELMA工藝，可以在一個(gè)單晶硅芯片內(nèi)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(wěn)定性和可靠性更高。

MEMS向內(nèi)置多傳感器的智能器件發(fā)展

體內(nèi)體外的MEMS前沿應(yīng)用