MEMS前世今生:商用化缓慢前景广阔

2008-10-24 09:39:36来源: 电子工程专辑

  微机电系统(MEMS)在1954年由贝尔实验室的Charles Smith通过硅的压阻效应发明,在不到十年之前,在新泽西的同一个贝尔实验室,John Bardeen和其团队发明了晶体管 - 现代半导体时代的基础。

  尽管MEMS和半导体集成电路芯片处理过程类似,但它们的商业化却在发明后的随后的50年内千差万别,集成电路市场已经成长到超过2200亿美元,而MEMS市场据报告总量还低于100亿美元,差异是为何这么大呢?

  很多产品从发明到完全商用化需要花费时间和资源,直到1990年首款基于压阻效应的MEMS压力传感器才得以商用。在90年代初,加速传感器在轿车气囊中得以采用,与1970年代压力传感器在汽车电控引擎控制中得到采用一样,这是个非常大的胜利。

  用于气囊的加速器芯片显示了传感器和ASIC的爆发。

  众多的MEMS器件在近年来得以商用化 - 主要原因是MEMS价格下降了,我们已经看到了集成的MEMS扩音器、加速器、显示和RF器件,它们在便携式设备(如手机)和游戏机(如Wii)等设备上采用。

  每一年我们统计MEMS产业方面的14个重要的胜利,并创造了一个“MEMS商用报告卡片”,从A到D标明其重要性。

  下面是2007年报告中的重要发现,该报告通过采访全球超过50家的MEMS供应商,使用者和设备提供商得到(2008年的报告会在2009年初发布)。

  2007的报告卡级别是“B-”,但分开来看,各项级别都不一样。MEMS已经进入了工业和消费产品的各个大的领域,最终会集成到我们日常生活接触到的方方面面的产品。


产业基础架构的革新:A-

  MEMS基础架构的发展从1998年以来的C+级别达到了07年的A-级别。

  MEMS基础架构的发展与半导体工业发展的轨迹很相似,主要的厂商(实际上就是过去五年来的MEMS初创厂商)都采用了无晶圆或轻晶圆模式。

  原因是目前全球有超过60家的代工厂提供各种各样的服务,从晶圆厂(比如Asia Pacific Microsystems和Colibrys),设备厂(EVG, Suss Microtec)到封装厂(Engent, Infotonics)和软件开发工具(Microcosm, SoftMEMS)。

  有大量的资源支持MEMS开发的快速上市和降低成本的需求。

可制造和测试性的设计:B

  MEMS商用化最大的障碍是技术供应商在可制造性和可测试性方面的设计能力不足。传统来说,MEMS开发聚焦在MEMS器件上 - 如加速器、压力传感器等等 - 而不是通常与ASIC结合的整个解决方案。

  部分原因是因为MEMS设计商一般是考虑它们的MEMS器件与各种理论数据相联系,而不是与真实世界的封装或者集成相联系。ASIC一般是MEMS价格的两到三倍,而且掩模层数至少是MEMS的两到三倍,硅表面面积至少达到四到五倍。

  通常,MEMS功能可以在单片器件的表面来实现,但其功能对于设计者来说是被独立的。直到最近,才开始采用晶圆级和其他芯片堆栈策略来减少方案的体积。许多新的MEMS设计者还加入了网络功能 - 有线和无线均有 - 可以在单独的芯片上实现或者集成到ASIC中。

  最大的挑战是MEMS必须在艰苦的环境下生存。与他们的半导体同行(比如PC板)通常在良性环境下发展不同,MEMS环境恶劣,比如在车载部分,必须考虑温度、加速、振动,和EMI/RFI等其他变化。

  MEMS要在该环境生存需要依靠封装,必须具备鲁棒性且不能太贵。而且,封装不能机械的影响到MEMS器件到达到其电气特性的目标点。

  基于MEMS的解决方案有60%到70%的成本花在了封装和测试方面。因此,从MEMS设计周期的第一天起就应该考虑他与系统级设计的优化。

  在芯片设计并选择是在MEMS上还是在ASIC上面实现某些功能完成之后,再决定封装和测试策略,这样的结果可能是高价格、低可靠性的方案。

系统解决方案实例

  MEMS方案的一个全新领域是胎压检测系统(TPMS)。许多公司都在生产传感器模块,模块上有很多元器件,包括MEMS压力传感器、温度传感器、运动传感器/加速传感器和一颗集成ADC的ASIC芯片,电源管理部分,信号调理和补偿,甚至还有Tx/Rx芯片用于与车厢内人机显示介面进行发送和接收通信。

  别忘了还有软件!供应商的集成和分立方案都不同,但都是基于MEMS的解决方案。这种“系统的考虑”对于MEMS商用化的持续的成功是必须的。

到2008第四季度,可以看到一些趋势:

  研发工作可能会走下坡路因为联邦和商业组织的预算更加紧张。

  基于经济形势的暗淡对MEMS初创公司的投资将缩减。

  MEMS相关市场的预算会下降。

  好消息是,可制造&测试性设计仍然会取得进展,必须感谢MEMS在消费电子产品大规模生产中吸取的经验教训。


 

 

关键字:MEMS

编辑:梁朝斌 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/news/eda/200810/article_22671.html
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