《電子技術應用》
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MEMS技術:現狀與未來趨勢

2008-01-28
作者:admin

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

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技術市場

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主持人Jim WalkerGartner

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就定義而言,MEMS(微機電系統)是感知、計算和執行的融合。它也是一種制造技術。它本身并不是某種產品。它為什么重要?從根 本上說,MEMS把電子和機械特性結合了起來。它可以同時執行物理、化學、生物等方面的" title="面的">面的功能,因為它能同時發生化學反應和電作用。它實質上是終極的片上系統" title="片上系統">片上系統,是科學和技術的終極融合,而且生物也可以與之兼容。

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

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如今,MEMS的應用對象都是最常見的東西。TIDLP是一種MOEMS(微光機電系統),還有噴墨打印頭,這是MEMS的兩個最大的應用領域。但是,當前還有相當一些應用,其歷史甚至比這兩種產品更長,其中大多數是在汽車方面,例如氣囊傳感器及相應的執行器,燃油系統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,這些領域是未來幾年中將取得巨大增長的領域。在聲學方面,有公司在經營相應的業務,包括用于手機的麥克風,手機中的防沖擊裝置中的動作檢測和執行等功能。

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最后一種是生物醫學傳感器,可以植入人體。這也將是未來會獲得巨大增長的領域。你可以在這里看到一些昔日的設想變成了現實,有DNA分析儀和光開關,他們是5年前所實現的,現在不那么引起人們興趣了。MEMS是科學和技術的聚合體,匯集了各方面的學科,如化學、通信、醫療、影音、光學、電子、機械,合成為終極的片上系統,如MOEMS

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慣導應用

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Honeywell - Earl Benser,先進技術事業部航空航天組微系統" title="微系統">微系統先進傳感小組主任

我將簡要介紹一下我們在將MEMS變為實際產品的過程中進行的活動和實現的轉變。HoneywellMEMS技術的開發和產品化方面有著悠久的歷史,從1970年代末期就開始了,當時是從質量流量傳感器入手的,主要針對家庭和建筑的環境控制。另外的一個成功的領域是用于非冷卻紅外成像的紅外探測器,其規模僅次于流量傳感器。我們向這一領域的多家制造商發放了許可證。除此之外,我們還有種類多樣的MEMS器件系列,主要針對傳感應用。最近,我們的主要活動都集中在MEMS技術在慣性器件的應用上。我們已經開發,而且現在航空航天產品中部署了這些技術,具體來說就是慣性測量系統和慣性基準系統。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,這些產品尺寸小、價格相對低廉,能提供優良的性能,可以與其他導航系統實現深度集成,這推動了在新產品中的應用。

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我們正在用MEMS技術取代慣性產品系列中的成員。傳統上,慣性基準和慣性測量單元所使用的傳感器總是回轉質量陀螺儀等,Honeywell70年代末和80年代初開發激光陀螺,現在這種技術在航空航天類產品市場上占據了統治地位。現在我們用MEMS陀螺來取代部分的環形激光陀螺,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。對客戶及其產品來說是一種非常有吸引力的技術。

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通信與醫療

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Olympus - George Yokoi, MEMS傳感器與應用部高管

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?我過去是半導體工程師,現在轉向日本Olympus公司的MEMSNEMS技術方面的創新開發、許可證發放、調研、采購和孵化工作。今天我要介紹那些通信與醫療有關的MEMS技術。

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除了通信、無線技術外,我們還研發顯示器、攝錄機、掃描儀以及人機接口,以實現隨時、隨地為任何人服務的無線通信、處理等功能。可以設想一下,未來在桑那浴室,裸體的人們可以在手上帶個手環,再置入一些裝置,然后就可以實現通信了。

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

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時鐘

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Silicon Clocks - Andrew McCraith, 創始人

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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。客戶購買產品,而技術的意義就到此為止。Silicon Clocks提供基于創新性的MEMSIC技術的時基解決方案。

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公司成立到現在有幾年的時間。技術團隊既包括MEMS技術人員,也包括時間基準的調理技術方面的老手,他們已經提供了上億的時鐘產品。我們把這兩種背景結合起來,得到了利用MEMS技術的時鐘產品。

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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別?時鐘產品方面的公司有數十至上百家。到目前為止,傳統的技術是石英晶體" title="石英晶體">石英晶體。廠商們形成了兩個陣營,第一類廠商生產振蕩器。他們實際上生產石英晶體模塊,提供雙芯片方案,瞄準低端消費類市場,提供最簡單的時鐘信號功能,例如數碼相機、手機、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 LabsCypress。這些產品的價值更高,特色更為鮮明,也更為復雜。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雙芯片模塊,并瞄準低端市場。

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

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另一個要問的問題是:MEMS時鐘技術何時能得到大發展?我們認為,MEMS時鐘技術將像其他技術那樣經歷3個階段。第一個階段是僅僅實現獨立的MEMS結構,只是從學術上展示MEMS技術的可行性。過去在技術上當然存在限制,特別是在相噪聲和穩定性方面,獨立的結構可以解決這些問題。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問題,但為客戶提供MEMS的全部優點——它們在外表上與現有的產品是一樣的,只是內臟更換了。真正的創新是單芯片" title="單芯片">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結構,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。最初可能有人采用MEMS模塊,而最終,正如慣性器件和麥克風一樣,實現了單芯片集成后,市場才會充分采用MEMS技術。

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開發工具

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SoftMEMS - Mary Ann Maher博士,創始人

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

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

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MEMS的市場和方案已經隨著MEMS設計師的需求變化而發生了變化。在早期的微系統開放方面,最常見的問題是:我們到底能不能做出這樣的產品來。最早的產品是由專業知識深厚的微系統專家開發出來的,其過程非常復雜,而且上市時間長。現在,我們很高興地看到已經出現了許多MEMS產品。設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,提出統計類工具來提高MEMS的產品率。客戶也在考察成本分析工具,因為如果我們能降低產品的成本,就能進入新的市場。客戶在進入新的市場領域時還需要對自己已有的設計進行復用。

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人們也會考察自己應該采用何種技術。于是我們就提供了技術評估工具。最后,人們在根本還沒有開發出產品前,就希望對其進行優化了。

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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、機械、熱、磁、光等。MEMS的設計也相應要求團隊合作。團隊里需要電、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。在許多領域,產品和方法都已經相當成熟,但另一些領域則還處于研究階段。與EDA不同的一點是,不像數字設計那樣有原理原型。最后,我們的封裝是對外界開放的,要幫助人們為MEMS設計出好的封裝的確是一個挑戰。

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系統設計師們必須能用上現成的MEMS部件。所以,我們必須幫助開發出那些不僅能幫助系統設計者評價這些IP,而且還能將其集成到這一系統中,并融入設計上已有的基礎環境中。而這一基礎環境往往來自于EDA行業。我們的工具的作用就是幫助客戶生產軟IP,它們在尺寸和性能上都可以擴展,以植入系統中。
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