微電機系統(tǒng)(Micro electromechanical Systems，MEMS)是將微電子和機械結合在一起的一種技術，它的出現(xiàn)已有幾十年，但其真正發(fā)展是從二十世紀九十年代開始。而最近幾年間，MEMS的發(fā)展可用“迅猛”來形容。市場調研公司Yole Developpement的研究報告指出，2012年全球MEMS市場規(guī)模將達115億美元，相比2011年的增長幅度約為12.7%。此外，Yole Developpement預測，未來六年MEMS市場都將保持穩(wěn)定、持續(xù)的增長，市場需求量平均年復合增長率達20%，平均年收益增長率達13%(見圖1)。
圖1，2011-2017MEMS市場預測(來源：Yole Developpment)。
面對如此蓬勃發(fā)展且潛力巨大的市場，半導體業(yè)內的各路廠商推出了那些新的技術以搶得市場先機?目前MEMS技術發(fā)展遇到了哪些瓶頸和挑戰(zhàn)?哪些應用領域將會是接下來的發(fā)展熱點?通過訪問走在MEMS領域前列的幾家國際廠商，本文將對上述問題一一解答。
六、九、十軸，各廠商爭打組合拳
MEMS涉及的產品領域極其豐富，從大家所熟知的加速度計、陀螺儀、地磁傳感器等慣性傳感器到微流量器件，從MEMS光學器件到無線器件。在MEMS市場整體增長的背后，各個領域的發(fā)展情況卻不盡相同。根據(jù)Yole Developpement的研究報告，未來分立慣性傳感器市場增長將放緩，取而代之的是組合型的傳感器產品。組合型的傳感器是一個新興的市場，這一市場在2011年的規(guī)模約為1億美元，而到2017年該市場預計達17億美元。在這劇增數(shù)字的背后，快速增長的平板電腦和智能手機等消費類產品自然功不可沒。
為了保持在消費電子設備上的領先位置，意法半導體推出了一系列的組合型傳感器產品。LSM330就是一款擁有可自定義運動識別功能的微型六軸傳感器模塊，該模塊整合一個三軸陀螺儀、一個三軸加速度計和兩個嵌入式有限狀態(tài)機，這兩個可編程電路可在模塊內部實現(xiàn)自定義運動識別功能。LSM303D則是集成了加速度計和磁傳感器，在功耗和分辨率等方面都有很大的提升，并且和意法半導體的加速度傳感器保持了同樣的封裝，僅為3mm*3mm。值得一提的是，另一款今年推出的新產品LSM333D在一個封裝內整合一個三軸加速度計、一個三軸陀螺儀和一個三軸磁力計，達到9自由度(DOF)慣性感應功能。
組合型傳感器產品的優(yōu)勢是顯而易見的，最重要的一點是提高系統(tǒng)的集成度，這對于不斷追求低功耗、小體積的消費電子產品有著更深刻的意義。在此，我們必須提及另一家專注于消費電子領域的公司InvenSense。該公司近期發(fā)布的一款集成了三軸加速度計和三軸陀螺儀的六軸組合傳感器尺寸僅為3mm*3mm;在1.8V供電電壓下，工作模式下的功耗低至6.1mW，可以說刷新了組合型傳感器體積和功耗的新紀錄。InvenSense市場營銷副總裁Ali Foughi指出，相比競爭對手，這款產品型號為MPU-6500的動作感測追蹤傳感器體積減少了33%、功耗更是降低了將近60% 。在九軸方面，InvenSense目前擁有的產品是MPU-9150，該產品整合了兩個芯片：一個是集成了三軸陀螺儀和三軸加速器的MPU-6050，內建可處理復雜九軸運動感測融合算法的數(shù)字運動感測處理器(DMP);另一個 是三軸數(shù)字電子羅盤AK8975。
當各大廠商積極應戰(zhàn)六軸、備戰(zhàn)九軸之際，十軸傳感器也開始走入人們的視線。所謂“十軸”，即在原先九軸的基礎上再增加一個壓力傳感器。目前我們所使用的慣性導航一般局限于平面導航，而如果引入壓力傳感器則可通過感知大氣壓力的變化增加導航的精確度。
ADI近期推出的10自由度高精度MEMS慣性測量單元(IMU) ADIS16480就是一款加入了壓力傳感器的多軸傳感器產品，它在在單個封裝中集成了一個三軸陀螺儀、一個三軸加速度計、一個三軸磁力計、一個壓力傳感器和ADI的ADSP-BF512 Blackfin處理器。ADIS16480采用了一種擴展式卡爾曼濾波器(EKF)，可以持續(xù)融合傳感器輸入以提供高度精確的定位信息。雖然目前普通的消費電子產品可能并不需要這么強大的性能，但在某些應用方面這是非常必要的，諸如軍事和商業(yè)飛機導航、無人車輛、移動式平臺定位和工業(yè)機器人等要求實時定位但卻存在持續(xù)運動并且具有復雜、動態(tài)特點的系統(tǒng)中。
MEMS傳感器從分立不斷走向融合，正是源于人們對MEMS產品小體積、低成本的不斷追求，這恰恰也是目前各大廠商所面臨的主要挑戰(zhàn)和所致力突破的瓶頸。
意法半導體公司AMS產品部技術市場經理閆子波表示：“意法半導體在加速度傳感器、陀螺儀和地磁傳感器有著長期的技術和IP積累，但小型化仍然是當前面臨的較大挑戰(zhàn)之一。” 為解決這些問題，意法將采用多項技術來解決，比如今后的加速度計和陀螺儀可以共享一個MEMS芯片，六軸系統(tǒng)可集成到更小的封裝中，而不用像現(xiàn)在加速度和陀螺儀分別使用兩個MEMS Die，占用較大的面積。
飛思卡爾亞太區(qū)消費及工業(yè)用壓力傳感器產品應用經理郭培棟也認為當前MEMS產品發(fā)展的瓶頸在于封裝技術，封裝成本成為最大的挑戰(zhàn)。如何進一步縮小封裝尺寸，如何將多傳感器融入單一封裝之中是正面臨的重要課題。據(jù)介紹，飛思卡爾近期推出的FXO8700CQ六軸傳感器和采用了微型封裝技術的MMA865xFC，都是建立在低成本的基礎上。MMA865xFC是一款智能型、低功耗的三軸加速度計，2mm*2mm的封裝尺寸與前一代產品相比體積縮小了將近56%。
創(chuàng)新的封裝技術不僅解決了小型化的問題，在提高產品性能方面也是關鍵。以MEMS麥克風為例，市場上的產品頂部端口和底部端口在SNR上有很大差異，這種差異會顯著降低噪聲消除的效果。意法半導體 AMS產品部 技術市場經理閆子波介紹，由于意法的MEMS麥克風采用了一種新的堆疊和封裝方式，能夠保證兩者的SNR無差異，并且雙模技術把AOP從120dbs提高到140dbs，具有更寬的音域。
提到高性能，ADI微機械產品線高級應用工程師趙延輝也表示，當前很多應用對MEMS產品要求已經超過了簡單的運動檢測，而是要求其在各種極端環(huán)境下有穩(wěn)定、可靠、高精度的輸出。這就對MEMS傳感器中的機械設計、電子設計、封裝設計等都提出了很高的要求。ADI一直關注這些客戶需求，并持續(xù)引領在這些方面的設計創(chuàng)新。比如ADI的最新一代陀螺儀ADXRS64x系列，就采用了先進的四核差分傳感器設計，這使得其振動抑制特性比前一代陀螺儀ADXRS62x系列改善了一個數(shù)量級。同時，可以獲得更好的噪聲特性和零偏穩(wěn)定性。
在解決封裝、成本以及性能的挑戰(zhàn)上，InvenSense帶來了更深層次的解決方案，即Nasiri Fabrication(NF)制程平臺，這一創(chuàng)新的MEMS制造工藝可以讓大多數(shù)的問題迎刃而解。NF平臺平臺在晶圓層級將工業(yè)標準CMOS和MEMS機械結構相結合(見圖2)。通過MEMS和CMOS的直接結合(MEMS-to-CMOS)，使得產品可以采用任何標準的半導體封裝。由于這一方法減少了MEMS制程步驟、在晶圓層級進行測試，降低了后段包裝成本及測試成本。此外，傳統(tǒng)的MEMS產品通常采用非標準的MEMS制程制造，無法兼容于CMOS制程生產線。而InvenSense通過NF平臺，可使用現(xiàn)成的設備與可兼容于CMOS制程的制造流程，成為無產線MEMS公司，進一步降低了生產成本。值得一提的是，由于NF制程能夠在晶圓層級結合MEMS和CMOS，使MEMS傳感器處于完全密封的狀態(tài)，高度可靠的密封讓產品可以在惡劣環(huán)境下保持可靠的運作。
圖2，傳統(tǒng)MEMS制造和Nasiri Fabrication平臺的比較。
消費、汽車應用穩(wěn)增長，醫(yī)療電子潛力大
在MEMS技術不斷發(fā)展的背后，市場的導向起了極其關鍵的作用，智能手機、平板電腦等便攜設備近年來帶領MEMS騰飛就是很好的證明。在未來幾百億美元的龐大MEMS市場中，了解哪些領域穩(wěn)步發(fā)展、哪些領域蘊藏潛力是非常必要的。此外，就算同一領域，需求也在不斷變化著。
在首當其沖的消費電子領域就有幾個新的變化。意法半導體AMS產品部技術市場經理閆子波指出，“手機和平板電腦的互聯(lián)網化、英特爾推出的超級本等，這些變化推動著多種應用。”目前在筆記本電腦中的運動傳感器只有加速度計一種，用于防止筆記本電腦跌落時硬盤受損，而隨著英特爾超級本的出現(xiàn)，陀螺儀和地磁感應器也將被引入其中，用于實現(xiàn)室內導航與增強實現(xiàn)功能。根據(jù)市場調研公司的預測，在超級本的應用方面，包括加速度計、陀螺儀和地磁感應器在內的運動傳感器銷售額到2016年將達到1.17億美元，而在2012年這個數(shù)字僅為830萬美元，年復合增長率達94%。
除了傳感器，另一股MEMS產品在消費電子中的地位不可小覷，那就是聲表面波(SAW)和體聲波(BAW)產品。MEMS元件的表面聲波技術被廣泛應用在手機中的射頻濾波器和雙工器，非常適合于1.9GHz的2G手機;而體聲波則可用于1.5GHz的4G LTE智能手機上。從低成本的GSM手機到多頻帶LTE智能手機，這個市場的架構是非常分散的，但有些組件是十分重要的，例如濾波器和雙工器。憑借SAW和BAW技術，TriQuint曾異軍突起，成為增長最快的MEMS制造商。而隨著智能手機不斷普及，這將成為SAW和BAW市場的強大推動力，MEMS在這一領域的增長將顯而易見。
其實，早在在MEMS大量應用于消費電子之前，汽車電子是其最主要的應用領域。每臺汽車會有四十到上百個傳感器，汽車智慧化的發(fā)展趨勢也將促進汽車市場對傳感器的需求。其應用方向和市場需求包括車輛的防抱死系統(tǒng)(ABS)、電子車身穩(wěn)定程序(ESP)、電控懸掛(ECS)、電動手剎(EPB)、斜坡起動輔助(HAS)、胎壓監(jiān)控(EPMS)、引擎防抖、車輛傾角計量和車內心跳檢測等等。其中電子車身穩(wěn)定程序ESP得到眾MEMS廠商的高度關注，因為其主動防滑功能要求更多的傳感器和先進的處理系統(tǒng)，所以將帶動汽車電子MEMS應用市場的需求。
在傳統(tǒng)的汽車電子和消費電子迎來MEMS需求的穩(wěn)步增長外，隨著人口老齡化，各種遠距離監(jiān)護和高精度治療設備將越來越多地被引入，未來增長最快的應用市場將來源于醫(yī)療電子。ADI微機械產品線高級應用工程師趙延輝表示，由于 MEMS具有微型的特點，可以代替器官植入、微量檢測，主要的發(fā)展方向是血管內手術和顱內手術以及細胞手術。
除去以上三個領域，在工業(yè)領域中，MEMS也有很大的應用。小體積、低成本的MEMS傳感器越來越多的用在各種機械振動監(jiān)測上，這可以用來監(jiān)測馬達、軸承等的振動、從而實現(xiàn)預見性維護;利用MEMS加速度計實現(xiàn)的傾角儀也被廣泛用在各種工業(yè)測量設備上;還有遙控直升機的伺服系統(tǒng)、兩輪車的平衡系統(tǒng)、天線穩(wěn)定平臺等。
本文小結
隨著技術的不斷進步，MEMS正從各個方面走進我們的生活，其勢必成為整個半導體產業(yè)的熱點。在這一領域，有些廠商已經取得很大的成就，有些后來居上，而還有一些正在不斷的摸索。不管怎樣，如此巨大的市場未來將為走入這一領域的廠商創(chuàng)造出越來越多的機會。誰把握了市場的導向、誰走在了技術的前列，誰就將贏得最終的市場。
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