MEMS技术:现状与未来趋势

2008-04-09 15:03:46来源: 电子技术应用

  在美国Globalpress Summit 2007期间,有多组讨论会,MEMS技术就是非常引人注目的一个。

  技术市场  

  主持人Jim Walker:Gartner  

  就定义而言,MEMS(微机电系统)是感知、计算和执行的融合。它也是一种制造技术。它本身并不是某种产品。它为什么重要?从根本上说,MEMS把电子和机械特性结合了起来。它可以同时执行物理、化学、生物等方面的功能,因为它能同时发生化学反应和电作用。它实质上是终极的片上系统,是科学和技术的终极融合,而且生物也可以与之兼容。  

  从MEMS市场的角度来看,2005年MEMS原材料的市场规模是3.85亿美元,这些是与MEMS产品和半导体产品直接相关的。到2010年会翻一番,CAGR(年复合增长率)可以达到15%。2005年器件的市场规模是53亿美元,在2010年可以达到100亿美元。更重要的是,希望大家看看MEMS系统,它将是采用了MEMS产品的最终电子产品,到2010年,其规模将达到950亿美元。  

  如今,MEMS的应用对象都是最常见的东西。TI的DLP是一种MOEMS(微光机电系统),还有喷墨打印头,这是MEMS的两个最大的应用领域。但是,当前还有相当一些应用,其历史甚至比这两种产品更长,其中大多数是在汽车方面,例如气囊传感器及相应的执行器,燃油系统中所采用的气压传感器氧气传感器。在车身上也有MEMS,如GPS、麦克风,这些领域是未来几年中将取得巨大增长的领域。在声学方面,有公司在经营相应的业务,包括用于手机的麦克风,手机中的防冲击装置中的动作检测和执行等功能。  

  最后一种是生物医学传感器,可以植入人体。这也将是未来会获得巨大增长的领域。你可以在这里看到一些昔日的设想变成了现实,有DNA分析仪和光开关,他们是5年前所实现的,现在不那么引起人们兴趣了。MEMS是科学和技术的聚合体,汇集了各方面的学科,如化学、通信、医疗、影音、光学、电子、机械,合成为终极的片上系统,如MOEMS。

  

  惯导应用  

  Honeywell - Earl Benser,先进技术事业部航空航天组微系统先进传感小组主任

  我将简要介绍一下我们在将MEMS变为实际产品的过程中进行的活动和实现的转变。Honeywell在MEMS技术的开发和产品化方面有着悠久的历史,从1970年代末期就开始了,当时是从质量流量传感器入手的,主要针对家庭和建筑的境控制。另外的一个成功的领域是用于非冷却红外成像的红外探测器,其规模仅次于流量传感器。我们向这一领域的多家制造商发放了许可证。除此之外,我们还有种类多样的MEMS器件系列,主要针对传感应用。最近,我们的主要活动都集中在MEMS技术在惯性器件的应用上。我们已经开发,而且现在航空航天产品中部署了这些技术,具体来说就是惯性测量系统和惯性基准系统。MEMS的加速度计和陀螺正在替代非MEMS的器件。这种替代使得产品的坚固性得以提高,而在功耗、尺寸、成本等方面得以降低,这些产品尺寸小、价格相对低廉,能提供优良的性能,可以与其他导航系统实现深度集成,这推动了在新产品中的应用。  

  我们正在用MEMS技术取代惯性产品系列中的成员。传统上,惯性基准和惯性测量单元所使用的传感器总是回转质量陀螺仪等,Honeywell在70年代末和80年代初开发激光陀螺,现在这种技术在航空航天类产品市场上占据了统治地位。现在我们用MEMS陀螺来取代部分的环形激光陀螺,这正如我们前面所说的那样,减小了尺寸和重量,提高了坚固性和性能,而且价格更低。对客户及其产品来说是一种非常有吸引力的技术。

  

  通信与医疗

  Olympus - George Yokoi, MEMS传感器与应用部高管  

  我过去是半导体工程师,现在转向日本Olympus公司的MEMS和NEMS技术方面的创新开发、许可证发放、调研、采购和孵化工作。今天我要介绍那些通信与医疗有关的MEMS技术。  

  除了通信、无线技术外,我们还研发显示器、摄录机、扫描仪以及人机接口,以实现随时、随地为任何人服务的无线通信、处理等功能。可以设想一下,未来在桑那浴室,裸体的人们可以在手上带个手环,再置入一些装置,然后就可以实现通信了。  

  Olympus同样提供医疗方面的技术,以前提供的是包括只能提供观察结果的内窥镜在内的几种技术,现在则提供集成了多种仪器的药物释放系统(Drug Delivery System, DDS)。最近,我们向市场发布了新的胶囊式内窥镜。在欧洲,我们已经在去年将产品交付到医生手中。现在我们正在等待美国的FDA和日本政府批准在两国国内的使用许可。我们将展示这个胶囊式内窥镜中的MEMS技术,包括封装和材料。它内部没有电池,所以我们从外部通过电磁手段提供能量。其内部有CCD和LED照明、捕捉图像的传感器、图像处理系统,它可以将信息传送到外部的终端上。

  

  时钟  

  Silicon Clocks - Andrew McCraith, 创始人  

  Silicon Clocks提供时基解决方案。正如前面所提到的那样,MEMS只是一种技术。客户购买产品,而技术的意义就到此为止。Silicon Clocks提供基于创新性的MEMS和IC技术的时基解决方案。  

  公司成立到现在有几年的时间。技术团队既包括MEMS技术人员,也包括时间基准的调理技术方面的老手,他们已经提供了上亿的时钟产品。我们把这两种背景结合起来,得到了利用MEMS技术的时钟产品。  

  大家要问的一个问题是,这些各异公司都是什么来头,他们究竟相互间有什么特色区别?时钟产品方面的公司有数十至上百家。到目前为止,传统的技术是石英晶体。厂商们形成了两个阵营,第一类厂商生产振荡器。他们实际上生产石英晶体模块,提供双芯片方案,瞄准低端消费类市场,提供最简单的时钟信号功能,例如数码相机、手机、PC上用的。市场的另外一端是时钟IC,厂商包括ICS(编者注:2006年已被IDT收购),Silicon Labs和Cypress。这些产品的价值更高,特色更为鲜明,也更为复杂。MEMS大潮的确提供了一种替代方案。第一批冒出来的公司像石英振荡器厂商那样生产双芯片模块,并瞄准低端市场。  

  Silicon Clocks是如今唯一一家生产单芯片MEMS时钟解决方案,瞄准高端市场的公司。  

  另一个要问的问题是:MEMS时钟技术何时能得到大发展?我们认为,MEMS时钟技术将像其他技术那样经历3个阶段。第一个阶段是仅仅实现独立的MEMS结构,只是从学术上展示MEMS技术的可行性。过去在技术上当然存在限制,特别是在相噪声和稳定性方面,独立的结构可以解决这些问题。下一个阶段是开放集成的解决方案,如双芯片模块,这种方案可以解决简单的技术问题,但为客户提供MEMS的全部优点——它们在外表上与现有的产品是一样的,只是内脏更换了。真正的创新是单芯片的解决方案,它可以带给你双芯片方案所不能提供的新能力,特别是功耗、可靠性、尺寸和新功能。采用单芯片方案后,可以制作多个MEMS结构,从而提供多种的时基和冗余性。你还可以把多块芯片集成为单芯片。此时,我们就会看到市场广泛采用MEMS技术。最初可能有人采用MEMS模块,而最终,正如惯性器件和麦克风一样,实现了单芯片集成后,市场才会充分采用MEMS技术。

  

  开发工具  

  SoftMEMS - Mary Ann Maher博士,创始人  

  我们公司的使命是在向那些计划在系统中采用MEMS器件的设计师们提供解决方案。方式是提供设计工具和流程,并为工程师提供服务和培训。  

  正如前面提到过的那样,MEMS是电路上的机械部件,是机电合一的系统。所以,我们通过与主要的EDA方案供应商的合作,以及与主要的MDA(Mechanical Design Automation,机械设计自动化)供应商的合作,来提供CAD平台。我们也与MEMS和IC制造商合作,但是主要是通过提供设计套装和实验室的方法,来让我们的客户能更为有效地利用这些Fab的服务。  

  MEMS的市场和方案已经随着MEMS设计师的需求变化而发生了变化。在早期的微系统开放方面,最常见的问题是:我们到底能不能做出这样的产品来。最早的产品是由专业知识深厚的微系统专家开发出来的,其过程非常复杂,而且上市时间长。现在,我们很高兴地看到已经出现了许多MEMS产品。设计者在不断提出各种各样的问题,于是我们提供了不同的CAD工具。譬如,厂商总是希望提高成品率,提出统计类工具来提高MEMS的产品率。客户也在考察成本分析工具,因为如果我们能降低产品的成本,就能进入新的市场。客户在进入新的市场领域时还需要对自己已有的设计进行复用。  

    

  人们也会考察自己应该采用何种技术。于是我们就提供了技术评估工具。最后,人们在根本还没有开发出产品前,就希望对其进行优化了。  

  SoftMEMS的工具必须照顾到MEMS方面的特殊需求,而这些需求与EDA工具不同。MEMS涉及不同的能量域,有电、机械、热、磁、光等。MEMS的设计也相应要求团队合作。团队里需要电、生物、封装、测试、材料等方面的工程师合作,他们还将共用软件工具。在许多领域,产品和方法都已经相当成熟,但另一些领域则还处于研究阶段。与EDA不同的一点是,不像数字设计那样有原理原型。最后,我们的封装是对外界开放的,要帮助人们为MEMS设计出好的封装的确是一个挑战。  

  系统设计师们必须能用上现成的MEMS部件。所以,我们必须帮助开发出那些不仅能帮助系统设计者评价这些IP,而且还能将其集成到这一系统中,并融入设计上已有的基础环境中。而这一基础环境往往来自于EDA行业。我们的工具的作用就是帮助客户生产软IP,它们在尺寸和性能上都可以扩展,以植入系统中。

 

关键字:MEMS器件  MEMS技术  氧气传感器  微光机电系统  药物释放系统  惯性测量  

编辑:ssb 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/MEMS/2008/0409/article_12.html
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