MEMS遇見傳感器，改變生活就此開始

　　2013年MEMS傳感器市場(chǎng)的需求依然十分旺盛，這既有傳統(tǒng)汽車和消費(fèi)類市場(chǎng)的需求，也有新興的工業(yè)、醫(yī)療、通信、測(cè)井、軍工類的需求。室內(nèi)導(dǎo)航應(yīng)用會(huì)是促進(jìn)新型MEMS氣壓計(jì)在2013起量的一個(gè)驅(qū)動(dòng)因素;而隨著人們對(duì)錄音、視頻通話等的質(zhì)量要求越來越高，高信噪比的MEMS麥克風(fēng)會(huì)用在越來越多的手機(jī)或平板電腦中，甚至是對(duì)麥克風(fēng)要求極高的助聽器中，隨著高溫MEMS器件通過越來越多的客戶驗(yàn)證，在測(cè)井等極端工作領(lǐng)域，也會(huì)看到越來越多的MEMS產(chǎn)品，比如用于傾角和振動(dòng)監(jiān)測(cè)的加速度計(jì)，用于轉(zhuǎn)速檢測(cè)的陀螺儀等。而物聯(lián)網(wǎng)和家庭醫(yī)療會(huì)是繼汽車和消費(fèi)類應(yīng)用領(lǐng)域后，又一個(gè)殺手級(jí)的應(yīng)用，其潛在的市場(chǎng)和增長(zhǎng)趨勢(shì)會(huì)像今天的智能手機(jī)一樣。但目前該市場(chǎng)還缺乏統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)和客戶的認(rèn)知度，預(yù)計(jì)還需要2年左右的時(shí)間才會(huì)起量。

　　意法半導(dǎo)體大中華暨南亞區(qū)MEMS 和傳感器產(chǎn)品市場(chǎng)經(jīng)理Vincent Xu介紹，位于MEMS技術(shù)發(fā)展最前沿的意法半導(dǎo)體已經(jīng)開始在一個(gè)封裝內(nèi)整合多個(gè)傳感器：加速計(jì)、陀螺儀、地磁計(jì)、壓力傳感器，這個(gè)多路傳感器一體化解決方案可大幅提升各種應(yīng)用設(shè)備的功能性和性能。iNEMO是這種發(fā)展趨勢(shì)的一個(gè)典型實(shí)例。在這些多傳感器產(chǎn)品內(nèi)，集成傳感器可實(shí)現(xiàn)自主和自動(dòng)系統(tǒng)，監(jiān)測(cè)特定的條件，并根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果執(zhí)行相應(yīng)的操作，用戶無需干預(yù)或只需稍加介入。此外，‘智能傳感器’整合MEMS器件和處理功能，無需主處理器介入，獨(dú)立運(yùn)行傳感器算法，從而能夠降低系統(tǒng)級(jí)功耗，這對(duì)耗電量極大的手持設(shè)備非常重要。

　　ST具有重大突破意義的Lab-on-Chip芯片同樣也利用了硅的電氣特性和熱特性，這個(gè)解決方案用成本低廉的一次性便攜工具取代了成本昂貴、耗時(shí)的固定地點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室分析過程。意法半導(dǎo)體的In-Check產(chǎn)品平臺(tái)是業(yè)內(nèi)首款通過精確控制熱量來擴(kuò)增DNA并進(jìn)行微矩陣檢測(cè)的基因芯片。因?yàn)楣璧臒崽匦苑浅３錾?，?zhǔn)許在同一芯片上實(shí)現(xiàn)電子溫度控制，所以Lab-on-Chip芯片能夠?qū)NA樣本進(jìn)行精確的加熱和冷卻處理，DNA分析結(jié)果的精確度可與價(jià)值數(shù)萬(wàn)美元的實(shí)驗(yàn)室媲美。與傳統(tǒng)的診斷系統(tǒng)相比，MEMS因?yàn)橥庑涡?，耗電量少，只需很少的試劑，所以更能?jié)省成本。

　　意法半導(dǎo)體還在醫(yī)療保健領(lǐng)域成功地應(yīng)用微射流MEMS技術(shù)，例如，可以安裝在一次性敷貼內(nèi)的微型胰島素注射泵。意法半導(dǎo)體與Debiotech公司合作開發(fā)的胰島素注射泵能夠精確模擬胰腺分泌過程，向人體持續(xù)輸注胰島素，同時(shí)還能檢測(cè)注射泵可能存在的故障，為病患提供深一層的保護(hù)?；贛EMS的Jewel Pump采用大規(guī)模半導(dǎo)體制造技術(shù)，成本比現(xiàn)有的解決方案更容易讓病患接受，同時(shí)，其可靠性和精確度是其它解決方案無法比擬的。

　　意法半導(dǎo)體的MEMS壓力傳感器還是另一項(xiàng)創(chuàng)新應(yīng)用的核心技術(shù)：能夠24小時(shí)檢測(cè)和觀察眼壓變化的智能隱形眼鏡。作為意法半導(dǎo)體與Sensimed的合作開發(fā)成果，這個(gè)獨(dú)一無二的輔助診斷工具有助于專家提前發(fā)現(xiàn)青光眼，通過同步治療方法與病患的內(nèi)部生物鐘能夠使治療效果最大化。

　　工藝技術(shù)挑戰(zhàn)

　　MEMS產(chǎn)品從開發(fā)設(shè)計(jì)到批量生產(chǎn)，對(duì)制造和工藝提出了很高的要求，這包括光刻、外延、薄膜淀積、氧化、擴(kuò)散、注入、濺射、蒸鍍、刻蝕、劃片和封裝等。最大的挑戰(zhàn)是如何保證量產(chǎn)中的良品率。雜質(zhì)粘滯、氧化物殘留、殘余應(yīng)力等影響，都會(huì)造成機(jī)械傳感器失效。ADI微機(jī)械產(chǎn)品線高級(jí)應(yīng)用工程師趙延輝介紹，ADI已通過改進(jìn)機(jī)械結(jié)構(gòu)和制造流程，保證了產(chǎn)品的良品率，并在這個(gè)過程中積累了大量的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。對(duì)于體積更小，功耗更低、噪聲更小、封裝更小、溫漂更小，供電電壓更低的器件，ADI還在持續(xù)改進(jìn)制造和工藝，以滿足這些需求。特別的，與單純的ASIC器件相比，MEMS傳感器對(duì)工藝和架構(gòu)有更高的要求，因其內(nèi)部至少包含兩個(gè)die，一個(gè)機(jī)械傳感器的die，一個(gè)ASIC的die，晶圓的大小，多晶硅的厚度，對(duì)機(jī)械傳感器的壓力控制，die與die之間的位置關(guān)系等，都對(duì)器件的整體性能有影響。而隨著ADI對(duì)每一個(gè)細(xì)節(jié)的關(guān)注和改善，會(huì)持續(xù)改進(jìn)MEMS傳感器的精度，進(jìn)而會(huì)使得MEMS傳感器在高精度傾角測(cè)量、工業(yè)機(jī)械振動(dòng)檢測(cè)、地震監(jiān)測(cè)、高精度慣導(dǎo)中獲得廣泛的應(yīng)用。

　　Vincent Xu則介紹，在前工序制造技術(shù)和工藝方面，意法半導(dǎo)體發(fā)現(xiàn)并解決了在各種應(yīng)用領(lǐng)域大規(guī)模推廣高效益的MEMS器件的關(guān)鍵問題。為了加快產(chǎn)品上市時(shí)間，實(shí)現(xiàn)規(guī)模經(jīng)濟(jì)效益，核心技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化是極其重要的。作為MEMS技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化工作的領(lǐng)導(dǎo)者，意法半導(dǎo)體開發(fā)出了微致動(dòng)器和加速計(jì)芯片厚外延層(ThELMA)工藝，這個(gè)0.8微米表面微加工技術(shù)可整合薄厚不一的多晶硅層，用于實(shí)現(xiàn)MEMS器件的結(jié)構(gòu)和互連線。意法半導(dǎo)體采用加速計(jì)和陀螺儀的微加工技術(shù)，在一顆芯片內(nèi)集成線性機(jī)械單元和角速機(jī)械單元，為客戶帶來巨大的成本效益和更小的產(chǎn)品尺寸。 意法半導(dǎo)體的VENSENS工藝(VENice process for SENSors)結(jié)合 ThELMA工藝，可以在一個(gè)單晶硅芯片內(nèi)整合一個(gè)空腔，制造一個(gè)尺寸和性能優(yōu)異的壓力傳感器，使芯片變得更薄、更小，熱穩(wěn)定性和可靠性更高。

　　應(yīng)用技術(shù)挑戰(zhàn)

　　對(duì)于消費(fèi)類應(yīng)用來說，傳感器融合的主要技術(shù)難度是如何控制產(chǎn)品的尺寸，如何合理測(cè)試每個(gè)傳感器的性能，如何控制整個(gè)芯片的良品率并降低成本。對(duì)于工業(yè)、軍工、汽車、醫(yī)療等領(lǐng)域的傳感器融合來說，除了上面所列的各點(diǎn)外，還要考慮如何保證在各種工作情況下的精度、可靠性，如何利用融合的特性來實(shí)現(xiàn)傳感器之間的補(bǔ)償校正等，比如ADI的IMU系列產(chǎn)品在融合傳感器的同時(shí)，利用其內(nèi)置的處理器、溫度傳感器等對(duì)融合的傳感器系統(tǒng)做了正交校正、溫補(bǔ)校正等，并利用加速度計(jì)的測(cè)量值來補(bǔ)償陀螺儀在受到加速度影響時(shí)的輸出，這樣就使傳感器的融合實(shí)現(xiàn)了1 + 1 > 2。目前來看，消費(fèi)類產(chǎn)品還是對(duì)組合傳感器需求量最大的市場(chǎng)，尤其是智能手機(jī)和平板電腦，集成3軸加速度計(jì)和3軸陀螺儀，3軸加速度計(jì)和3軸磁力計(jì)，3軸加速度計(jì)、3軸陀螺儀和3軸磁力計(jì)的產(chǎn)品在短期內(nèi)會(huì)有較大的市場(chǎng)，未來氣壓計(jì)也會(huì)被集成進(jìn)來。

　　網(wǎng)絡(luò)化和物聯(lián)網(wǎng)的潛在市場(chǎng)巨大，它可以用來給每個(gè)人做實(shí)時(shí)的健康監(jiān)測(cè)、給你關(guān)心的動(dòng)物做狀態(tài)監(jiān)測(cè)、給你關(guān)心的財(cái)產(chǎn)做防盜監(jiān)測(cè)等，這類應(yīng)用的特點(diǎn)是每個(gè)終端的體積都非常小巧而且是電池供電的，所以芯片的體積和功耗是最關(guān)鍵的兩個(gè)指標(biāo)。隨著這方面設(shè)備的小型化設(shè)計(jì)，對(duì)于內(nèi)置器件的需求同樣是小型化高機(jī)能，傳感器及配套設(shè)施也要做到小巧精確，這是設(shè)計(jì)方面的挑戰(zhàn)。還有就是應(yīng)用方面?zhèn)鞲衅鞯奶峁┓胶褪褂梅皆诩夹g(shù)上的配合會(huì)有一定的難度。村田制作所MEMS傳感器產(chǎn)品技術(shù)部經(jīng)理Fang Tuurnala介紹，現(xiàn)在汽車電子方面有組合式傳感器的應(yīng)用，即組合式陀螺儀和加速度傳感器，日后還會(huì)加入壓力傳感器。行車過程中會(huì)有加速度傳感器在起作用，而一旦翻車后的話就會(huì)使用到陀螺儀的，加上壓力傳感器，則可應(yīng)用在胎壓的監(jiān)測(cè)上。在其他領(lǐng)域，為了智能手機(jī)的明確定位可以加壓力傳感器監(jiān)測(cè)所在位置及高度。還有，在嬰兒床上搭載傳感器可以用來監(jiān)測(cè)嬰兒心跳等等?？梢哉f，傳感器的應(yīng)用會(huì)向著智能化，小巧化以及高精度的方向不斷發(fā)展。

　　整合傳感器系統(tǒng)，也是未來應(yīng)用趨勢(shì)對(duì)傳感器技術(shù)提出的挑戰(zhàn)。對(duì)于自由落體檢測(cè)、屏幕旋轉(zhuǎn)、計(jì)步器、傾斜角度測(cè)量和運(yùn)動(dòng)檢測(cè)等應(yīng)用任務(wù)，僅一個(gè)加速度計(jì)即可勝任。然而，對(duì)于定位服務(wù)(LBS)、增強(qiáng)型運(yùn)動(dòng)控制游戲、行人航位推測(cè)導(dǎo)航、機(jī)器人平衡、空中鼠標(biāo)、人體跟蹤、無人飛行器等先進(jìn)應(yīng)用，要想在測(cè)量精度、分辨率、穩(wěn)定性和響應(yīng)時(shí)間等方面取得更高的系統(tǒng)級(jí)性能，就需要把MEMS傳感器整合在一起，這個(gè)概念利用各種傳感器提供的不同的具有互補(bǔ)性的信息，運(yùn)用智能技術(shù)整合這些信息，達(dá)到優(yōu)化系統(tǒng)性能的目的，實(shí)現(xiàn)令人震撼的新應(yīng)用。

傳感器的智能化和多功能化將成為傳感器發(fā)展的重要方向。和傳統(tǒng)的傳感器相比，智能化傳感器具有以下優(yōu)點(diǎn)：
(1)具有邏輯判斷、統(tǒng)計(jì)處理功能?？蓪?duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、統(tǒng)計(jì)和修正，還可進(jìn)行線性、非線性、溫度、噪聲、響應(yīng)時(shí)間、交叉感應(yīng)以及緩慢漂移等的誤差補(bǔ)償，提高了測(cè)量準(zhǔn)確度。
(2)具有自診斷、自校準(zhǔn)功能?？稍诮油娫磿r(shí)進(jìn)行開機(jī)自檢，可在工作中進(jìn)行運(yùn)行自檢，并可實(shí)時(shí)自行診斷測(cè)試以確定哪一組件有故障，提高了工作可靠性。
(3)具有自適應(yīng)、自調(diào)整功能。可根據(jù)待測(cè)物理量的數(shù)值大小及變化情況自動(dòng)選擇檢測(cè)量程和測(cè)量方式，提高了檢測(cè)適用性。
(4)具有組態(tài)功能?？蓪?shí)現(xiàn)多傳感器、多參數(shù)的復(fù)合測(cè)量，擴(kuò)大了檢測(cè)與使用范圍。
(5)具有記憶、存儲(chǔ)功能。可進(jìn)行檢測(cè)數(shù)據(jù)的隨時(shí)存取，加快了信息的處理速度。
(6)具有數(shù)據(jù)通訊功能。智能化傳感器具有數(shù)據(jù)通訊接口，能與計(jì)算機(jī)直接聯(lián)機(jī)，相互交換信息，提高了信息處理的質(zhì)量。計(jì)算機(jī)軟件在智能傳感器中起著舉足輕重的作用。由于“電腦”的加入，智能傳感器可通過各種軟件對(duì)信息檢測(cè)過程進(jìn)行管理和調(diào)節(jié)，使之工作在最佳狀態(tài)，從而增強(qiáng)了傳感器的功能，提升了傳感器的性能。此外，利用計(jì)算機(jī)軟件能夠?qū)崿F(xiàn)硬件難以實(shí)現(xiàn)的功能，因?yàn)橐攒浖娌糠钟布山档蛡鞲衅鞯闹谱麟y度。