MEMS技術(shù)基礎

MEMS技術(shù)的目標是通過系統(tǒng)的微型化、集成化來探索具有新原理、新功能的元件和系統(tǒng)。MEMS技術(shù)是一種典型的多學科交叉的前沿性研究領(lǐng)域，幾乎涉及到自然及工程科學的所有領(lǐng)域，如電子技術(shù)、機械技術(shù)、物理學、化學、生物醫(yī)學、材料科學、能源科學等。其研究內(nèi)容一般可以歸納為以下三個基本方面：

1.MEMS理論基礎：

在當前MEMS所能達到的尺度下，宏觀世界基本的物理規(guī)律仍然起作用，但由于尺寸縮小帶來的影響(Scaling Effects)，許多物理現(xiàn)象與宏觀世界有很大區(qū)別，因此許多原來的理論基礎都會發(fā)生變化，如力的尺寸效應、微結(jié)構(gòu)的表面效應、微觀摩擦機理等，因此有必要對微動力學、微流體力學、微熱力學、微摩擦學、微光學和微結(jié)構(gòu)學進行深入的研究。這一方面的研究雖然受到重視，但難度較大，往往需要多學科的學者進行基礎研究。

2.MEMS技術(shù)基礎：

MEMS的技術(shù)基礎可以分為以下幾個方面：(1)設計與仿真技術(shù);(2)材料與加工技術(shù)(3)封裝與裝配技術(shù);(4)測量與測試技術(shù);(5)集成與系統(tǒng)技術(shù)等。

3.MEMS應用研究：

人們不僅要開發(fā)各種制造MEMS的技術(shù)，更重要的是如何將MEMS技術(shù)與航空航天、信息通信、生物化學、醫(yī)療、自動控制、消費電子以及兵器等應用領(lǐng)域相結(jié)合，制作出符合各領(lǐng)域要求的微傳感器、微執(zhí)行器、微結(jié)構(gòu)等MEMS器件與系統(tǒng)。

4 MEMS及其應用

MEMS技術(shù)是采用微制造技術(shù)，在一個公共硅片基礎上整合了傳感器、機械元件、致動器(actuator)與電子元件。MEMS通常會被看作是一種系統(tǒng)單晶片(SoC)，它讓智能型產(chǎn)品得以開發(fā)，并得以進入很多的次級市場，為包括汽車、保健、手機、生物技術(shù)、消費性產(chǎn)品等各領(lǐng)域提供解決方案。根據(jù)電子產(chǎn)業(yè)市場研究與信息網(wǎng)路的資料，MEMS的平均年增長率高于20%,并預計在2010年超過100億美元。MEMS技術(shù)已被認為是下個世紀最有前途的技術(shù)之一。

MEMS有很多應用，并被越來越多的產(chǎn)品所接納。MEMS的一些常見應用領(lǐng)域包括汽車、生物技術(shù)與醫(yī)療，以及消費電子產(chǎn)品。MEMS還用于大量聲波雙工器(BulkAcousTIcWaveduplexer)與濾波器、麥克風、MEMS自動聚焦致動器、壓力感測器、MEMS微微型投影儀，甚至MEMS陀螺儀。

MEMS的公司

從全球看，MEMS產(chǎn)品是由一些美國和亞洲公司開發(fā)的，包括意法半導體(ST)、AnalogDevices公司(ADI)、惠普公司(HP)、德州儀器公司(TI)，以及Memsic公司。下文將介紹各個制造商及其主要MEMS產(chǎn)品的現(xiàn)況。

意法半導體公司是最大的MEMS制造商之一，提供單軸和多軸陀螺儀的廣泛選擇，各種滿量程區(qū)間，適用于數(shù)位相機和數(shù)位錄像機的影像穩(wěn)定，以及提高游戲應用中的用戶體驗。ST公司還提供3軸陀螺儀，能精確地測量沿三個正交軸的角速度。另外，STM還用下一代微電機聲學器件擴展了自己的產(chǎn)品組合。創(chuàng)新的MEMS麥克風采用了Omron的傳感器技術(shù)，能夠大幅地提高聲音質(zhì)量，有出色的可靠性、健壯性，同時對現(xiàn)有/新興音頻應用都有很好的成本效益，如手機、無線設備以及手持游戲機等。關(guān)鍵是，MEMS麥克風可以做得比最小的駐極體電容式麥克風(electretscondensermicrophone)還要小，而對溫度變化、機械振動和電磁干擾更不敏感。

ADI公司同時提供類比與數(shù)位型的全向MEMS麥克風。最近，ADI與英飛凌科技公司商定共同發(fā)展下一代的汽車氣囊安全系統(tǒng)。這個ADI-英飛凌合作計劃將確保兩家公司相應產(chǎn)品發(fā)展藍圖的協(xié)調(diào)一致，以及各自傳感器與芯片組的互通性。這個合作也將加速先進氣囊系統(tǒng)的發(fā)展，為安全系統(tǒng)供應商和OEM商提供一個完整的設計平臺，從而實現(xiàn)一種可靠、具成本效益和易于使用的先進氣囊方案。

惠普公司最近推出一種慣性探測技術(shù)(inertialsensingtechnology)，能夠用來開發(fā)可當作高階傳感器使用的數(shù)位MEMS加速度計。HP預計該技術(shù)將使芯片的靈敏度比今天市場上的批量產(chǎn)品提高1000倍。這種傳感器是以該公司已率先商業(yè)應用在其打印機墨盒的MEMS技術(shù)為基礎。

另外，TI公司擁有的數(shù)位光處理器(digitallightProcessor,DLP)技術(shù)為有光處理與光轉(zhuǎn)向需求的創(chuàng)新應用提供了開發(fā)平臺和芯片組。該公司的MEMS技術(shù)為光轉(zhuǎn)向應用提供了可靠的單元件類比鏡(singleelementanalogmirror)，其高反射的MEMS表面最大為9平方毫米，簡化了對驅(qū)動的需求，因此TI的AnalogMirrors成為柔性系統(tǒng)設計的一個理想選擇。TI的AnalogMirrors可以用于精確定位和控制激光束，同時最大限度地減少光功率的損耗，支持各種光束旋轉(zhuǎn)應用，如影像與顯示、光網(wǎng)路、自由空間光學、物體探測以及激光印刷等。

另一家著名企業(yè)Memsic公司則是推出了多種高性能加速度計。由于美國國家高速公路交通安全局(NHTSA)要求，到2012年時，美國市場上的所有汽車、卡車和大巴士都要安裝車輛穩(wěn)定控制系統(tǒng)(VehicleStabilityControl,VSC)，歐盟確認它也將實施類似的要求，數(shù)百萬個Memsic加速度傳感器已經(jīng)被部署在帶有VSC的汽車和卡車上?，F(xiàn)在，致力于滿足政府VSC要求的工程團隊可以采用經(jīng)過完全的汽車和道路認證、兼容于串列周邊界面(SPI)的傳感器技術(shù)，設計出下一代的VSC系統(tǒng)。

市場展望

顯然地，MEMS已在我們今天日常生活中的各種應用中扎下根基。其普及的主要動力來自于成本低與體積小，從而能夠做出更小、更輕和更廉價的最終產(chǎn)品。但在MEMS前方并非一片光明。一項挑戰(zhàn)是封裝問題，因為MEMS器件的多樣性以及每個要暴露的不同環(huán)境。封裝加上測試，很容易就會將成本增加一倍。在不影響產(chǎn)品性能的情況下，研究出標準化和更廉價的封裝已成為MEMS設計的主要關(guān)注目標。在今天的地球上，MEMS制造商投入了大量研發(fā)力量，試圖加強自己在封裝制程中的地位，為各種新設備開發(fā)新的專用封裝。當前長足的進步與工程進展讓我們對MEMS或SoC有更新的理解。對設計工程師而言，這確實是富于挑戰(zhàn)且令人興奮的時代!

微機電 (MEMS) 技術(shù)在電子產(chǎn)品中的地位愈來愈重要，不論是在汽車、工業(yè)、醫(yī)療或軍事上需要用到此類精密的元器件，在信息、通訊和消費性電子等大眾的市場，也可以看到快速增長的MEMS應用。

MEMS本質(zhì)上是一種把微型機械組件(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(shù)。一般芯片只是利用了硅半導體的電氣特性，而 MEMS 則利用了芯片的電氣和機械兩種特性。

三維微電子機械系統(tǒng)(3D-MEMS)，是將硅加工成三維結(jié)構(gòu)，其封裝和觸點便于安裝和裝配，用這種技術(shù)制作的傳感器具有極好的精度、極小的尺寸和極低的功耗。這種傳感器僅由一小片硅就能制作出來，并能測量三個互相垂直方向的加速度。例如為承受強烈震動的加速度傳感器和高分辨率的高度計提供合適的機械阻尼。這類傳感器的功率消耗非常低，這使它們在電池驅(qū)動設備中具有不可比擬的優(yōu)越性。

在 MEMS 傳感器芯片內(nèi)，三軸(X、Y、Z)上的運動或傾斜會引起活動硅結(jié)構(gòu)的少量位移，造成活動和固定元器件之間的電容發(fā)生變化。在同一封裝上的接口芯片把微小的電容變化轉(zhuǎn)變成與運動成比例的校準模擬電壓。通常的模擬量采樣的方式有兩種：靜電電容式和壓電電阻式。前者在低功耗方面更具優(yōu)勢，消耗電流更低。

MEMS與CMOS制程技術(shù)的整合，已成功帶動組件產(chǎn)品在消費電子應用綻放光芒，包括Intel、Samsung、TI、TSMC等半導體領(lǐng)導大廠皆看好CMOS MEMS發(fā)展，而相繼投入相關(guān)技術(shù)的研究開發(fā)。而CMOS MEMS組件能否進一步降低產(chǎn)品開發(fā)成本，3D MEMS封裝技術(shù)扮演了關(guān)鍵性的角色。

3D封裝技術(shù)除了可解決技術(shù)發(fā)展瓶頸，在異質(zhì)整合特性下，也可進一步整合模擬RF、數(shù)字Logic、Memory、Sensor、混合訊號、MEMS等各種組件，且此整合性組件不但可縮短訊號傳輸距離、減少電力損耗，也能大幅增加訊號傳遞速度。此外，由于采取3D立體堆棧方式，故在Form Factor方面，也能在固定單位體積下達到最高的芯片容量。

隨著MEMS技術(shù)在消費電子應用的快速崛起，及半導體制造接近極限，透過TSV技術(shù)整合MEMS與CMOS制程，形成IC的3D化也逐漸受到矚目。由于3D MEMS隱含了異質(zhì)整合特性，具備低成本、小尺寸、多功能、高效能等多重優(yōu)勢，因此可望在未來掀起另一波技術(shù)應用革命，并為CMOS MEMS的發(fā)展帶來更大商機。

在看好相關(guān)產(chǎn)品技術(shù)發(fā)展前景下，業(yè)界已開始加速布局CMOS MEMS+3D MEMS Packaging解決方案。由于以TSV方式將Chip堆棧成3D IC的發(fā)展備受看好，也可望帶動3D TSV Wafer出貨數(shù)的快速成長，以組件類別來區(qū)分，目前以CIS(CMOS Image Sensor)采用TSV與IC 3D化的速度最快，第二階段預計將由內(nèi)存(含F(xiàn)lash、SRAM、DRAM)扮演承接角色。3D MEMS可望在2011年興起，并在往后3年穩(wěn)定邁向商品化。

MEMS產(chǎn)品大多以150mm～200mm的8寸晶圓生產(chǎn)，在未來6年有望逐步轉(zhuǎn)進300mm的12寸廠生產(chǎn)，以便做最佳化的產(chǎn)能利用。

MEMS：對消費類電子產(chǎn)生重大影響的技術(shù)

制造商正在不斷完善手持式裝置，提供體積更小而功能更多的產(chǎn)品。但矛盾之處在于，隨著技術(shù)的改進，價格往往也會出現(xiàn)飆升，所以這就導致一個問題：制造商不得不面對相互矛盾的要求——在讓產(chǎn)品功能超群的同時降低其成本。

解決這一難題的方法之一是采用微機械加工技術(shù)，更流行的說法是MEMS，它使得制造商能將一件產(chǎn)品的所有功能集成到單個芯片上。MEMS對消費電子產(chǎn)品的終極影響不僅包括成本的降低、而且也包括在不犧牲性能的情況下實現(xiàn)尺寸和重量的減小。事實上，大多數(shù)消費類電子產(chǎn)品所用MEMS元件的性能比已經(jīng)出現(xiàn)的同類技術(shù)大有提高。雖然MEMS過去只限于汽車、工業(yè)和醫(yī)療應用，但據(jù)調(diào)查公司估計：“MEMS消費類電子產(chǎn)品的銷售額將在2005年前達到15億美元”。

手持式設備制造商正在逐漸意識到MEMS的價值以及這種技術(shù)所帶來的好處——大批量、低成本、小尺寸，而且開始轉(zhuǎn)向成功的MEMS公司，其所實現(xiàn)的成本削減幅度之大，將影響整個消費類電子世界，而不僅是高端裝置。

圖1 人跑步/走路時的側(cè)向z軸運動

跟上發(fā)展步伐

正在日益流行的MEMS應用是步程計，它用于測量人行走時的速度或距離。將在z軸方向上的機械平移運動轉(zhuǎn)換為電脈沖(圖1)是MEMS器件的作用所在。這些脈沖饋入一個峰值檢測器電路，該電路隨后在每個脈沖作用下觸發(fā)一次計數(shù)。精心設計峰值檢測算法則能根據(jù)所選用的加速度計情況來獲得最優(yōu)的測量效果。

如果步程計安裝到被測人的足部，當該人跑步時，則步程計就會定期受到極大的沖擊作用。如果產(chǎn)品使用加速度計的話，如此之高的沖擊指標會大大限制產(chǎn)品的性能。例如，有些加速度計設計在過載超過一定程度時會出現(xiàn)被稱作“粘死”的現(xiàn)象，加速度計在受到很大沖擊時將出現(xiàn)飽和，即使大過載消除后仍然保持飽和輸出。為了使其擺脫這種狀態(tài)，可能需要將電源極性顛倒過來。MEMSIC公司的加速度計以熱敏感原理來檢測加速度，因此沒有其它加速度計在大負載情況下出現(xiàn)的問題，如粘死，這是因為它們根本就沒有敏感質(zhì)量的緣故。

讓GPS更可靠

不管是在偏僻的小路上游覽還是簡單的為汽車導航，手持式全球定位系統(tǒng)(GPS)都是一件安全、方便且理想的隨身裝備。

利用GPS接收機支持的人員和車輛定位系統(tǒng)可以確定位置，而且提供路線方面的引導。采用GPS系統(tǒng)時，信號接收并非始終是100%可靠的，但是若有基于MEMS技術(shù)的加速度計，就可以由能推算出行駛(走)距離的導航解算方法來彌補信號方面的損失。此外，在修正這些系統(tǒng)所用的3軸電子羅盤的磁偏角方面，加速度計也非常有用。加速度計可以跟蹤偏離重力方向零位基準的角位移信息，獲得這些信息后，就可以修正磁偏角，這樣即使裝置不處于水平狀態(tài)，仍可以得出精確的方向讀數(shù)。

手持式GPS制造商要解決的問題之一是如何在惡劣的天氣條件下保證裝置的性能。這些系統(tǒng)在極端溫度條件下都必須可靠而且能夠耐受強烈的沖擊。目前的加速度計在很多情況下尚不能承受惡劣環(huán)境下所存在的強沖擊影響。MEMSIC公司所設計的新產(chǎn)品則實現(xiàn)了高抗沖擊性能——5萬g，因此其幾乎不可能失效。而大多數(shù)MEMS加速度計的沖擊過載耐受范圍是500g~2000g，常常會失效，因為器件無法在更加惡劣的環(huán)境中保持完好無損。

為游戲應用提供更佳的控制能力

在改善電子游戲的體驗方面，MEMS加速度計還能提供運動和傾斜檢測。這些游戲可以在多種平臺上運行——包括Microsoft Xbox、Sony的Playstation、Nintendo GameCube等游戲機和Nintendo GameBoy、Palm或Pocket PC PDA等手持式裝置，以及其它膝上型和桌上型電腦，改善控制盤和操縱桿的傾斜及運動敏感功能。

該功能讓用戶沉浸在游戲之中，體驗其中的樂趣。特別是玩飛行模擬類游戲時，用戶需要讓游戲控制盤或者操縱桿傾斜來使飛機轉(zhuǎn)彎——無論是操控螺旋槳式飛機還是噴氣式戰(zhàn)斗機，大多數(shù)用戶在完成大斜度轉(zhuǎn)彎時都會出現(xiàn)整個身體都傾斜的現(xiàn)象，這讓他們產(chǎn)生更為身臨其境的感覺。

像Nintendo公司的Gameboy等手持式裝置，都提供了一種靠傾斜、搖擺來控制的游戲“Kirby傾斜和翻轉(zhuǎn)”。在游戲中，球形主人公Kirby要根據(jù)不斷滾擺的浮空平臺傾斜情況來滾轉(zhuǎn)，搖動Gameboy可以幫助Kirby跳到下一個浮空平臺。在采用MotionSense公司軟、硬件的掌上型或便攜式PC PDA裝置中，也可以添加與此類似的迷宮游戲。

體育比賽類游戲也可以利用MEMS加速度計帶來的好處。裝備了MEMS加速度計及陀螺的棒球棍或者高爾夫球棍可以提供全部旋轉(zhuǎn)信息，用來精確的復現(xiàn)出擊球的動作。

結(jié)語

隨著MEMS價值得到證明，越來越多的消費類電子產(chǎn)品制造商采用這項技術(shù)。蜂窩式器件的制造商也已經(jīng)象游戲業(yè)一樣意識到了它的重要性，特別是開發(fā)無線產(chǎn)品的廠商。隨著手持式市場繼續(xù)獲得爆炸性增長，低成本將成為其成功的推動因素，而該增長可以通過MEMS技術(shù)的利用來獲得。

iPhone4 MEMS傳感器技術(shù)分析

近陣子由于iPhone 4走紅，許多媒體紛紛宣揚iPhone將引爆傳感器題材商機，在報導描述中也用上了熱門的技術(shù)名詞：微機電系統(tǒng)(MEMS)，期望使題材能更熱。

文章用上MEMS傳感器的稱呼，使許多人以為iPhone 4內(nèi)所用的傳感器全是用MEMS技術(shù)實現(xiàn)的，特別是許多蘋果粉絲，閱讀這類文章后也跟著在自己的部落格上宣揚這類題材，反而使歪述更為擴張。因此筆者期望藉此文說明一些傳感器技術(shù)，期望能讓已擴散的歪述有點約束。

微機電系統(tǒng)(MEMS)概述

在正式說明前，先讓我們了解何謂MEMS?關(guān)于此還必須先說明何謂IC?IC(Integrated Circuit)臺灣譯為集成電路，就是把電子組件(如電阻、電容、二極管、晶體管等)以及由組件構(gòu)成的電路，不斷縮小其長寬尺寸與整體體積，功效仍舊相同，生產(chǎn)成本卻可以大幅降低。

更簡單說，就是把電子電路微型化，不斷微縮，但成本更低，且能讓電路更復雜精密，此亦是近年來俗稱的芯片。

好，IC、芯片就是電子組件、電路的微型化，但我們能否把機械組件、機械結(jié)構(gòu)也微型化，功效依然相同成本卻大幅降低。是的，此即稱為微機械，與IC微電子概念相同。

進一步的，若把微電子與微機械結(jié)合在一起，就成了微機電，微電子與微機械結(jié)合的系統(tǒng)，就稱為微機電系統(tǒng)(MEMS)。

iPhone 4的傳感器技術(shù)

進入正題，iPhone 4到底用上了哪些傳感器呢?

1) 影像傳感器

簡單說就是相機鏡頭，由于只牽涉到微光學與微電子，沒有機械成份在里頭，即便加入馬達、機械驅(qū)動的鏡頭，這類的機械零件也過大，不到「微」的地步，所以此屬于光電半導體，屬于光學、光電傳感器。

2) 亮度傳感器

外界并不清楚iPhone 4用何種方式感應環(huán)境光亮度，而最簡單的實現(xiàn)方式是用一個光敏電阻，或者，iPhone 4直接用影像傳感器充當亮度偵測，也是可行。無論如此，此亦不帶機械成份，屬于光電類傳感器，甚至可能不是微型的，只是一般光學、光電傳感器。

3) 磁阻傳感器

簡單講就是感測地磁，這樣講還是太學名，感應地磁就是指南針原理，將這種地磁感應電子化、數(shù)字化，就稱為數(shù)字指南針(Digital Compass)。老實說，數(shù)字指南針技術(shù)比較偏玩具性，因為用來感測地磁的磁阻傳感器，很容易受環(huán)境影響(如高壓電塔旁、馬達旁)，必須時時校正才有用。

磁阻傳感器目前沒有被視為熱門的MEMS組件，有些MEMS組件會追加整合磁阻感測能力(如ADI的產(chǎn)品，且目標應用是魚雷用途)，但一般而言磁阻傳感器尚無迫切微型化的跡象。

4) 近接傳感器

近接傳感器的實現(xiàn)技術(shù)非常多種，可以是紅外線(例如便利商店的自動門、男生公共廁所的自動沖水器)、可以是超音波、雷射等，太多太多。同樣的，Apple沒講，我們只能亂猜或盡可能網(wǎng)搜，不過，近接傳感器也沒有迫切微型化的需要，不在熱門MEMS組件之列。

5) 聲波傳感器

學名聲波傳感器，俗名麥克風。是的，iPhone 4 為了強化聲音質(zhì)量，使用2組麥克風與相關(guān)運算來達到降噪(降低噪音)的效果，這種技術(shù)稱為數(shù)組麥克風(Array MIC)，事實上早在Apple實行之前，2004年Wintel就已經(jīng)在PC上提出過，差別是Apple用于手機，Wintel用于PC。

麥克風需要微型化嗎?是的，需要，相當需要，且使用一個以上的麥克風，麥克風的體積縮小需求就更迫切，麥克風也牽涉到機械(聲波會使微型機械振動)，并將機械振動轉(zhuǎn)換成電子信號，因此微型化的麥克風，是個不折不扣的MEMS傳感器。

6) 加速度傳感器

俗稱加速規(guī)、G-Sensor，可以感應物體的加速度性。事實上加速度傳感器的實現(xiàn)方式也是許多種，MEMS只是手法之一，用MEMS實現(xiàn)加速度傳感器確實是目前的趨勢。

加速度傳感器一般有「X、Y兩軸」與「X、Y、Z三軸」兩種，兩軸多用于車、船等平面移動為多，三軸多用于飛彈、飛機等飛行物。而不用多說，Wii遙控器也是用三軸，iPhone可以感應實體翻轉(zhuǎn)而自動對應翻轉(zhuǎn)畫面，也是靠這個傳感器。

7) 角加速度傳感器

更簡單講就是陀螺儀，陀螺儀實現(xiàn)技術(shù)有機械式與光學(紅外線、雷射)式，第六項的加速度傳感器比較能感測平移性，但對于物體有個軸心，進行角度性的移動，則其感應效果不如陀螺儀好，所以許多應用多半是混何使用加速度傳感器與陀螺儀，而今iPhone 4也從善如流。不過，iPhone 4確實是率先使用陀螺儀的手機。

結(jié)語

說了這么多，真的稱得上MEMS傳感器的，其實只有麥克風、加速度傳感器、陀螺儀等三個，其他的傳感器多是夸大延伸，不是不用微型化，就是根本沒用及機械技術(shù)。

不過，從整個iPhone發(fā)展歷程來看，iPhone的簡約感、流暢使用體驗等大體已定調(diào)，短期內(nèi)難有更高作為，因此也開始走入一般產(chǎn)業(yè)的純規(guī)格、功效競賽，iPhone 4及后續(xù)機種能否靠高規(guī)格、先進傳感器而持續(xù)走紅，恐有待時間觀察與驗證了。