MEMS技術(shù)：現(xiàn)狀與未來趨勢

在美國Globalpress Summit 2007期間，有多組討論會，MEMS技術(shù)就是非常引人注目的一個。

技術(shù)市場

主持人Jim Walker：Gartner

就定義而言，MEMS(微機(jī)電系統(tǒng))是感知、計算和執(zhí)行的融合。它也是一種制造技術(shù)。它本身并不是某種產(chǎn)品。它為什么重要？從根 本上說，MEMS把電子和機(jī)械特性結(jié)合了起來。它可以同時執(zhí)行物理、化學(xué)、生物等方面的功能，因?yàn)樗芡瑫r發(fā)生化學(xué)反應(yīng)和電作用。它實(shí)質(zhì)上是終極的片上系統(tǒng)，是科學(xué)和技術(shù)的終極融合，而且生物也可以與之兼容。

從MEMS市場的角度來看，2005年MEMS原材料的市場規(guī)模是3.85億美元，這些是與MEMS產(chǎn)品和半導(dǎo)體產(chǎn)品直接相關(guān)的。到2010年會翻一番，CAGR(年復(fù)合增長率)可以達(dá)到15%。2005年器件的市場規(guī)模是53億美元，在2010年可以達(dá)到100億美元。更重要的是，希望大家看看MEMS系統(tǒng)，它將是采用了MEMS產(chǎn)品的最終電子產(chǎn)品，到2010年，其規(guī)模將達(dá)到950億美元。

如今，MEMS的應(yīng)用對象都是最常見的東西。TI的DLP是一種MOEMS(微光機(jī)電系統(tǒng))，還有噴墨打印頭，這是MEMS的兩個最大的應(yīng)用領(lǐng)域。但是，當(dāng)前還有相當(dāng)一些應(yīng)用，其歷史甚至比這兩種產(chǎn)品更長，其中大多數(shù)是在汽車方面，例如氣囊傳感器及相應(yīng)的執(zhí)行器，燃油系統(tǒng)中所采用的氣壓傳感器和氧氣傳感器。在車身上也有MEMS，如GPS、麥克風(fēng)，這些領(lǐng)域是未來幾年中將取得巨大增長的領(lǐng)域。在聲學(xué)方面，有公司在經(jīng)營相應(yīng)的業(yè)務(wù)，包括用于手機(jī)的麥克風(fēng)，手機(jī)中的防沖擊裝置中的動作檢測和執(zhí)行等功能。

最后一種是生物醫(yī)學(xué)傳感器，可以植入人體。這也將是未來會獲得巨大增長的領(lǐng)域。你可以在這里看到一些昔日的設(shè)想變成了現(xiàn)實(shí)，有DNA分析儀和光開關(guān)，他們是5年前所實(shí)現(xiàn)的，現(xiàn)在不那么引起人們興趣了。MEMS是科學(xué)和技術(shù)的聚合體，匯集了各方面的學(xué)科，如化學(xué)、通信、醫(yī)療、影音、光學(xué)、電子、機(jī)械，合成為終極的片上系統(tǒng)，如MOEMS。

慣導(dǎo)應(yīng)用

Honeywell - Earl Benser，先進(jìn)技術(shù)事業(yè)部航空航天組微系統(tǒng)先進(jìn)傳感小組主任
我將簡要介紹一下我們在將MEMS變?yōu)閷?shí)際產(chǎn)品的過程中進(jìn)行的活動和實(shí)現(xiàn)的轉(zhuǎn)變。Honeywell在MEMS技術(shù)的開發(fā)和產(chǎn)品化方面有著悠久的歷史，從1970年代末期就開始了，當(dāng)時是從質(zhì)量流量傳感器入手的，主要針對家庭和建筑的環(huán)境控制。另外的一個成功的領(lǐng)域是用于非冷卻紅外成像的紅外探測器，其規(guī)模僅次于流量傳感器。我們向這一領(lǐng)域的多家制造商發(fā)放了許可證。除此之外，我們還有種類多樣的MEMS器件系列，主要針對傳感應(yīng)用。最近，我們的主要活動都集中在MEMS技術(shù)在慣性器件的應(yīng)用上。我們已經(jīng)開發(fā)，而且現(xiàn)在航空航天產(chǎn)品中部署了這些技術(shù)，具體來說就是慣性測量系統(tǒng)和慣性基準(zhǔn)系統(tǒng)。MEMS的加速度計和陀螺正在替代非MEMS的器件。這種替代使得產(chǎn)品的堅固性得以提高，而在功耗、尺寸、成本等方面得以降低，這些產(chǎn)品尺寸小、價格相對低廉，能提供優(yōu)良的性能，可以與其他導(dǎo)航系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)深度集成，這推動了在新產(chǎn)品中的應(yīng)用。

我們正在用MEMS技術(shù)取代慣性產(chǎn)品系列中的成員。傳統(tǒng)上，慣性基準(zhǔn)和慣性測量單元所使用的傳感器總是回轉(zhuǎn)質(zhì)量陀螺儀等，Honeywell在70年代末和80年代初開發(fā)激光陀螺，現(xiàn)在這種技術(shù)在航空航天類產(chǎn)品市場上占據(jù)了統(tǒng)治地位?，F(xiàn)在我們用MEMS陀螺來取代部分的環(huán)形激光陀螺，這正如我們前面所說的那樣，減小了尺寸和重量，提高了堅固性和性能，而且價格更低。對客戶及其產(chǎn)品來說是一種非常有吸引力的技術(shù)。

通信與醫(yī)療

Olympus - George Yokoi, MEMS傳感器與應(yīng)用部高管

 我過去是半導(dǎo)體工程師，現(xiàn)在轉(zhuǎn)向日本Olympus公司的MEMS和NEMS技術(shù)方面的創(chuàng)新開發(fā)、許可證發(fā)放、調(diào)研、采購和孵化工作。今天我要介紹那些通信與醫(yī)療有關(guān)的MEMS技術(shù)。

除了通信、無線技術(shù)外，我們還研發(fā)顯示器、攝錄機(jī)、掃描儀以及人機(jī)接口，以實(shí)現(xiàn)隨時、隨地為任何人服務(wù)的無線通信、處理等功能?？梢栽O(shè)想一下，未來在桑那浴室，裸體的人們可以在手上帶個手環(huán)，再置入一些裝置，然后就可以實(shí)現(xiàn)通信了。

Olympus同樣提供醫(yī)療方面的技術(shù)，以前提供的是包括只能提供觀察結(jié)果的內(nèi)窺鏡在內(nèi)的幾種技術(shù)，現(xiàn)在則提供集成了多種儀器的藥物釋放系統(tǒng)(Drug Delivery System, DDS)。最近，我們向市場發(fā)布了新的膠囊式內(nèi)窺鏡。在歐洲，我們已經(jīng)在去年將產(chǎn)品交付到醫(yī)生手中?，F(xiàn)在我們正在等待美國的FDA和日本政府批準(zhǔn)在兩國國內(nèi)的使用許可。我們將展示這個膠囊式內(nèi)窺鏡中的MEMS技術(shù)，包括封裝和材料。它內(nèi)部沒有電池，所以我們從外部通過電磁手段提供能量。其內(nèi)部有CCD和LED照明、捕捉圖像的傳感器、圖像處理系統(tǒng)，它可以將信息傳送到外部的終端上。

時鐘

Silicon Clocks - Andrew McCraith, 創(chuàng)始人

Silicon Clocks提供時基解決方案。正如前面所提到的那樣，MEMS只是一種技術(shù)?？蛻糍徺I產(chǎn)品，而技術(shù)的意義就到此為止。Silicon Clocks提供基于創(chuàng)新性的MEMS和IC技術(shù)的時基解決方案。

公司成立到現(xiàn)在有幾年的時間。技術(shù)團(tuán)隊(duì)既包括MEMS技術(shù)人員，也包括時間基準(zhǔn)的調(diào)理技術(shù)方面的老手，他們已經(jīng)提供了上億的時鐘產(chǎn)品。我們把這兩種背景結(jié)合起來，得到了利用MEMS技術(shù)的時鐘產(chǎn)品。

大家要問的一個問題是，這些各異公司都是什么來頭，他們究竟相互間有什么特色區(qū)別？時鐘產(chǎn)品方面的公司有數(shù)十至上百家。到目前為止，傳統(tǒng)的技術(shù)是石英晶體。廠商們形成了兩個陣營，第一類廠商生產(chǎn)振蕩器。他們實(shí)際上生產(chǎn)石英晶體模塊，提供雙芯片方案，瞄準(zhǔn)低端消費(fèi)類市場，提供最簡單的時鐘信號功能，例如數(shù)碼相機(jī)、手機(jī)、PC上用的。市場的另外一端是時鐘IC，廠商包括ICS(編者注：2006年已被IDT收購)，Silicon Labs和Cypress。這些產(chǎn)品的價值更高，特色更為鮮明，也更為復(fù)雜。MEMS大潮的確提供了一種替代方案。第一批冒出來的公司像石英振蕩器廠商那樣生產(chǎn)雙芯片模塊，并瞄準(zhǔn)低端市場。

Silicon Clocks是如今唯一一家生產(chǎn)單芯片MEMS時鐘解決方案，瞄準(zhǔn)高端市場的公司。

另一個要問的問題是：MEMS時鐘技術(shù)何時能得到大發(fā)展？我們認(rèn)為，MEMS時鐘技術(shù)將像其他技術(shù)那樣經(jīng)歷3個階段。第一個階段是僅僅實(shí)現(xiàn)獨(dú)立的MEMS結(jié)構(gòu)，只是從學(xué)術(shù)上展示MEMS技術(shù)的可行性。過去在技術(shù)上當(dāng)然存在限制，特別是在相噪聲和穩(wěn)定性方面，獨(dú)立的結(jié)構(gòu)可以解決這些問題。下一個階段是開放集成的解決方案，如雙芯片模塊，這種方案可以解決簡單的技術(shù)問題，但為客戶提供MEMS的全部優(yōu)點(diǎn)——它們在外表上與現(xiàn)有的產(chǎn)品是一樣的，只是內(nèi)臟更換了。真正的創(chuàng)新是單芯片的解決方案，它可以帶給你雙芯片方案所不能提供的新能力，特別是功耗、可靠性、尺寸和新功能。采用單芯片方案后，可以制作多個MEMS結(jié)構(gòu)，從而提供多種的時基和冗余性。你還可以把多塊芯片集成為單芯片。此時，我們就會看到市場廣泛采用MEMS技術(shù)。最初可能有人采用MEMS模塊，而最終，正如慣性器件和麥克風(fēng)一樣，實(shí)現(xiàn)了單芯片集成后，市場才會充分采用MEMS技術(shù)。

開發(fā)工具

SoftMEMS - Mary Ann Maher博士,創(chuàng)始人

我們公司的使命是在向那些計劃在系統(tǒng)中采用MEMS器件的設(shè)計師們提供解決方案。方式是提供設(shè)計工具和流程，并為工程師提供服務(wù)和培訓(xùn)。

正如前面提到過的那樣，MEMS是電路上的機(jī)械部件，是機(jī)電合一的系統(tǒng)。所以，我們通過與主要的EDA方案供應(yīng)商的合作，以及與主要的MDA(Mechanical Design Automation，機(jī)械設(shè)計自動化)供應(yīng)商的合作，來提供CAD平臺。我們也與MEMS和IC制造商合作，但是主要是通過提供設(shè)計套裝和實(shí)驗(yàn)室的方法，來讓我們的客戶能更為有效地利用這些Fab的服務(wù)。

MEMS的市場和方案已經(jīng)隨著MEMS設(shè)計師的需求變化而發(fā)生了變化。在早期的微系統(tǒng)開放方面，最常見的問題是：我們到底能不能做出這樣的產(chǎn)品來。最早的產(chǎn)品是由專業(yè)知識深厚的微系統(tǒng)專家開發(fā)出來的，其過程非常復(fù)雜，而且上市時間長?，F(xiàn)在，我們很高興地看到已經(jīng)出現(xiàn)了許多MEMS產(chǎn)品。設(shè)計者在不斷提出各種各樣的問題，于是我們提供了不同的CAD工具。譬如，廠商總是希望提高成品率，提出統(tǒng)計類工具來提高M(jìn)EMS的產(chǎn)品率。客戶也在考察成本分析工具，因?yàn)槿绻覀兡芙档彤a(chǎn)品的成本，就能進(jìn)入新的市場?？蛻粼谶M(jìn)入新的市場領(lǐng)域時還需要對自己已有的設(shè)計進(jìn)行復(fù)用。

人們也會考察自己應(yīng)該采用何種技術(shù)。于是我們就提供了技術(shù)評估工具。最后，人們在根本還沒有開發(fā)出產(chǎn)品前，就希望對其進(jìn)行優(yōu)化了。

SoftMEMS的工具必須照顧到MEMS方面的特殊需求，而這些需求與EDA工具不同。MEMS涉及不同的能量域，有電、機(jī)械、熱、磁、光等。MEMS的設(shè)計也相應(yīng)要求團(tuán)隊(duì)合作。團(tuán)隊(duì)里需要電、生物、封裝、測試、材料等方面的工程師合作，他們還將共用軟件工具。在許多領(lǐng)域，產(chǎn)品和方法都已經(jīng)相當(dāng)成熟，但另一些領(lǐng)域則還處于研究階段。與EDA不同的一點(diǎn)是，不像數(shù)字設(shè)計那樣有原理原型。最后，我們的封裝是對外界開放的，要幫助人們?yōu)镸EMS設(shè)計出好的封裝的確是一個挑戰(zhàn)。

系統(tǒng)設(shè)計師們必須能用上現(xiàn)成的MEMS部件。所以，我們必須幫助開發(fā)出那些不僅能幫助系統(tǒng)設(shè)計者評價這些IP，而且還能將其集成到這一系統(tǒng)中，并融入設(shè)計上已有的基礎(chǔ)環(huán)境中。而這一基礎(chǔ)環(huán)境往往來自于EDA行業(yè)。我們的工具的作用就是幫助客戶生產(chǎn)軟IP，它們在尺寸和性能上都可以擴(kuò)展，以植入系統(tǒng)中。