MEMS技術(shù)

MEMS本質(zhì)上是一種把微型機(jī)械組件(如傳感器、制動(dòng)器等)與電子電路集成在同一顆芯片上的半導(dǎo)體技術(shù)。一般芯片只是利用了硅半導(dǎo)體的電氣特性，而 MEMS 則利用了芯片的電氣和機(jī)械兩種特性。

三維微電子機(jī)械系統(tǒng)(3D-MEMS)，是將硅加工成三維結(jié)構(gòu)，其封裝和觸點(diǎn)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(cè)量三個(gè)互相垂直方向的加速度。例如為承受強(qiáng)烈震動(dòng)的加速度傳感器和高分辨率的高度計(jì)提供合適的機(jī)械阻尼。這類傳感器的功率消耗非常低，這使它們?cè)陔姵仳?qū)動(dòng)設(shè)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(yùn)動(dòng)或傾斜會(huì)引起活動(dòng)硅結(jié)構(gòu)的少量位移，造成活動(dòng)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(yùn)動(dòng)成比例的校準(zhǔn)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(shì)，消耗電流更低。

MEMS與CMOS制程技術(shù)的整合，已成功帶動(dòng)組件產(chǎn)品在消費(fèi)電子應(yīng)用綻放光芒，包括Intel、Samsung、TI、TSMC等半導(dǎo)體領(lǐng)導(dǎo)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(jìn)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(jìn)一步整合模擬RF、數(shù)字Logic、Memory、Sensor、混合訊號(hào)、MEMS等各種組件，且此整合性組件不但可縮短訊號(hào)傳輸距離、減少電力損耗，也能大幅增加訊號(hào)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(dá)到最高的芯片容量。

隨著MEMS技術(shù)在消費(fèi)電子應(yīng)用的快速崛起，及半導(dǎo)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(shì)，因此可望在未來掀起另一波技術(shù)應(yīng)用革命，并為CMOS MEMS的發(fā)展帶來更大商機(jī)。

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(dòng)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(yù)計(jì)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(jìn)300mm的12寸廠生產(chǎn)，以便做最佳化的產(chǎn)能利用。

MEMS：對(duì)消費(fèi)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(jìn)，價(jià)格往往也會(huì)出現(xiàn)飆升，所以這就導(dǎo)致一個(gè)問題：制造商不得不面對(duì)相互矛盾的要求——在讓產(chǎn)品功能超群的同時(shí)降低其成本。

解決這一難題的方法之一是采用微機(jī)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(gè)芯片上。MEMS對(duì)消費(fèi)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(shí)現(xiàn)尺寸和重量的減小。事實(shí)上，大多數(shù)消費(fèi)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(yīng)用，但據(jù)調(diào)查公司估計(jì)：“MEMS消費(fèi)類電子產(chǎn)品的銷售額將在2005年前達(dá)到15億美元”。

手持式設(shè)備制造商正在逐漸意識(shí)到MEMS的價(jià)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(shí)現(xiàn)的成本削減幅度之大，將影響整個(gè)消費(fèi)類電子世界，而不僅是高端裝置。

圖1 人跑步/走路時(shí)的側(cè)向z軸運(yùn)動(dòng)

跟上發(fā)展步伐

正在日益流行的MEMS應(yīng)用是步程計(jì)，它用于測(cè)量人行走時(shí)的速度或距離。將在z軸方向上的機(jī)械平移運(yùn)動(dòng)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(gè)峰值檢測(cè)器電路，該電路隨后在每個(gè)脈沖作用下觸發(fā)一次計(jì)數(shù)。精心設(shè)計(jì)峰值檢測(cè)算法則能根據(jù)所選用的加速度計(jì)情況來獲得最優(yōu)的測(cè)量效果。

如果步程計(jì)安裝到被測(cè)人的足部，當(dāng)該人跑步時(shí)，則步程計(jì)就會(huì)定期受到極大的沖擊作用。如果產(chǎn)品使用加速度計(jì)的話，如此之高的沖擊指標(biāo)會(huì)大大限制產(chǎn)品的性能。例如，有些加速度計(jì)設(shè)計(jì)在過載超過一定程度時(shí)會(huì)出現(xiàn)被稱作“粘死”的現(xiàn)象，加速度計(jì)在受到很大沖擊時(shí)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(jì)以熱敏感原理來檢測(cè)加速度，因此沒有其它加速度計(jì)在大負(fù)載情況下出現(xiàn)的問題，如粘死，這是因?yàn)樗鼈兏揪蜎]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(dǎo)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(jī)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(dǎo)。采用GPS系統(tǒng)時(shí)，信號(hào)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(jì)，就可以由能推算出行駛(走)距離的導(dǎo)航解算方法來彌補(bǔ)信號(hào)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(jì)也非常有用。加速度計(jì)可以跟蹤偏離重力方向零位基準(zhǔn)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(qiáng)烈的沖擊。目前的加速度計(jì)在很多情況下尚不能承受惡劣環(huán)境下所存在的強(qiáng)沖擊影響。MEMSIC公司所設(shè)計(jì)的新產(chǎn)品則實(shí)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(jì)的沖擊過載耐受范圍是500g~2000g，常常會(huì)失效，因?yàn)槠骷o法在更加惡劣的環(huán)境中保持完好無損。