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走进MEMS，探寻技术发展与市场导向 |
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作者： 来源：电子工程专辑 |
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微电机系统(Micro electromechanical Systems，MEMS)是将微电子和机械结合在一起的一种技术，它的出现已有几十年，但其真正发展是从二十世纪九十年代开始。而最近几年间，MEMS的发展可用“迅猛”来形容。市场调研公司Yole Developpement的研究报告指出，2012年全球MEMS市场规模将达115亿美元，相比2011年的增长幅度约为12.7%。此外，Yole Developpement预测，未来六年MEMS市场都将保持稳定、持续的增长，市场需求量平均年复合增长率达20%，平均年收益增长率达13%(见图1)。 
图1，2011-2017MEMS市场预测(来源：Yole Developpment)
面对如此蓬勃发展且潜力巨大的市场，半导体业内的各路厂商推出了那些新的技术以抢得市场先机？目前MEMS技术发展遇到了哪些瓶颈和挑战？哪些应用领域将会是接下来的发展热点？通过访问走在MEMS领域前列的几家国际厂商，本文将对上述问题一一解答。
六、九、十轴，各厂商争打组合拳
MEMS涉及的产品领域极其丰富，从大家所熟知的加速度计、陀螺仪、地磁传感器等惯性传感器到微流量器件，从MEMS光学器件到无线器件。在MEMS市场整体增长的背后，各个领域的发展情况却不尽相同。根据Yole Developpement的研究报告，未来分立惯性传感器市场增长将放缓，取而代之的是组合型的传感器产品。组合型的传感器是一个新兴的市场，这一市场在2011年的规模约为1亿美元，而到2017年该市场预计达17亿美元。在这剧增数字的背后，快速增长的平板电脑和智能手机等消费类产品自然功不可没。
为了保持在消费电子设备上的领先位置，意法半导体推出了一系列的组合型传感器产品。LSM330就是一款拥有可自定义运动识别功能的微型六轴传感器模块，该模块整合一个三轴陀螺仪、一个三轴加速度计和两个嵌入式有限状态机，这两个可编程电路可在模块内部实现自定义运动识别功能。LSM303D则是集成了加速度计和磁传感器，在功耗和分辨率等方面都有很大的提升，并且和意法半导体的加速度传感器保持了同样的封装，仅为3mm*3mm。值得一提的是，另一款今年推出的新产品LSM333D在一个封装内整合一个三轴加速度计、一个三轴陀螺仪和一个三轴磁力计，达到9自由度(DOF)惯性感应功能。
组合型传感器产品的优势是显而易见的，最重要的一点是提高系统的集成度，这对于不断追求低功耗、小体积的消费电子产品有着更深刻的意义。在此，我们必须提及另一家专注于消费电子领域的公司InvenSense。该公司近期发布的一款集成了三轴加速度计和三轴陀螺仪的六轴组合传感器尺寸仅为3mm*3mm；在1.8V供电电压下，工作模式下的功耗低至6.1mW，可以说刷新了组合型传感器体积和功耗的新纪录。InvenSense市场营销副总裁Ali Foughi指出，相比竞争对手，这款产品型号为MPU-6500的动作感测追踪传感器体积减少了33%、功耗更是降低了将近60% 。在九轴方面，InvenSense目前拥有的产品是MPU-9150，该产品整合了两个芯片：一个是集成了三轴陀螺仪和三轴加速器的MPU-6050，内建可处理复杂九轴运动感测融合算法的数字运动感测处理器(DMP)；另一个 是三轴数字电子罗盘AK8975。
当各大厂商积极应战六轴、备战九轴之际，十轴传感器也开始走入人们的视线。所谓“十轴”，即在原先九轴的基础上再增加一个压力传感器。目前我们所使用的惯性导航一般局限于平面导航，而如果引入压力传感器则可通过感知大气压力的变化增加导航的精确度。
ADI近期推出的10自由度高精度MEMS惯性测量单元(IMU) ADIS16480就是一款加入了压力传感器的多轴传感器产品，它在在单个封装中集成了一个三轴陀螺仪、一个三轴加速度计、一个三轴磁力计、一个压力传感器和ADI的ADSP-BF512 Blackfin处理器。ADIS16480采用了一种扩展式卡尔曼滤波器(EKF)，可以持续融合传感器输入以提供高度精确的定位信息。虽然目前普通的消费电子产品可能并不需要这么强大的性能，但在某些应用方面这是非常必要的，诸如军事和商业飞机导航、无人车辆、移动式平台定位和工业机器人等要求实时定位但却存在持续运动并且具有复杂、动态特点的系统中。
小型化、低成本，封装技术是关键
MEMS传感器从分立不断走向融合，正是源于人们对MEMS产品小体积、低成本的不断追求，这恰恰也是目前各大厂商所面临的主要挑战和所致力突破的瓶颈。
意法半导体公司AMS产品部技术市场经理闫子波表示：“意法半导体在加速度传感器、陀螺仪和地磁传感器有着长期的技术和IP积累，但小型化仍然是当前面临的较大挑战之一。” 为解决这些问题，意法将采用多项技术来解决，比如今后的加速度计和陀螺仪可以共享一个MEMS芯片，六轴系统可集成到更小的封装中，而不用像现在加速度和陀螺仪分别使用两个MEMS Die，占用较大的面积。
飞思卡尔亚太区消费及工业用压力传感器产品应用经理郭培栋也认为当前MEMS产品发展的瓶颈在于封装技术，封装成本成为最大的挑战。如何进一步缩小封装尺寸，如何将多传感器融入单一封装之中是正面临的重要课题。据介绍，飞思卡尔近期推出的FXO8700CQ六轴传感器和采用了微型封装技术的MMA865xFC，都是建立在低成本的基础上。MMA865xFC是一款智能型、低功耗的三轴加速度计，2mm*2mm的封装尺寸与前一代产品相比体积缩小了将近56%。
创新的封装技术不仅解决了小型化的问题，在提高产品性能方面也是关键。以MEMS麦克风为例，市场上的产品顶部端口和底部端口在SNR上有很大差异，这种差异会显著降低噪声消除的效果。意法半导体 AMS产品部 技术市场经理闫子波介绍，由于意法的MEMS麦克风采用了一种新的堆叠和封装方式，能够保证两者的SNR无差异，并且双模技术把AOP从120dbs提高到140dbs，具有更宽的音域。
提到高性能，ADI微机械产品线高级应用工程师赵延辉也表示，当前很多应用对MEMS产品要求已经超过了简单的运动检测，而是要求其在各种极端环境下有稳定、可靠、高精度的输出。这就对MEMS传感器中的机械设计、电子设计、封装设计等都提出了很高的要求。ADI一直关注这些客户需求，并持续引领在这些方面的设计创新。比如ADI的最新一代陀螺仪ADXRS64x系列，就采用了先进的四核差分传感器设计，这使得其振动抑制特性比前一代陀螺仪ADXRS62x系列改善了一个数量级。同时，可以获得更好的噪声特性和零偏稳定性。
在解决封装、成本以及性能的挑战上，InvenSense带来了更深层次的解决方案，即Nasiri Fabrication(NF)制程平台，这一创新的MEMS制造工艺可以让大多数的问题迎刃而解。NF平台平台在晶圆层级将工业标准CMOS和MEMS机械结构相结合(见图2)。通过MEMS和CMOS的直接结合(MEMS-to-CMOS)，使得产品可以采用任何标准的半导体封装。由于这一方法减少了MEMS制程步骤、在晶圆层级进行测试，降低了后段包装成本及测试成本。此外，传统的MEMS产品通常采用非标准的MEMS制程制造，无法兼容于CMOS制程生产线。而InvenSense通过NF平台，可使用现成的设备与可兼容于CMOS制程的制造流程，成为无产线MEMS公司，进一步降低了生产成本。值得一提的是，由于NF制程能够在晶圆层级结合MEMS和CMOS，使MEMS传感器处于完全密封的状态，高度可靠的密封让产品可以在恶劣环境下保持可靠的运作。
图2，传统MEMS制造和Nasiri Fabrication平台的比较
消费、汽车应用稳增长，医疗电子潜力大
在MEMS技术不断发展的背后，市场的导向起了极其关键的作用，智能手机、平板电脑等便携设备近年来带领MEMS腾飞就是很好的证明。在未来几百亿美元的庞大MEMS市场中，了解哪些领域稳步发展、哪些领域蕴藏潜力是非常必要的。此外，就算同一领域，需求也在不断变化着。
在首当其冲的消费电子领域就有几个新的变化。意法半导体AMS产品部技术市场经理闫子波指出，“手机和平板电脑的互联网化、英特尔推出的超级本等，这些变化推动着多种应用。”目前在笔记本电脑中的运动传感器只有加速度计一种，用于防止笔记本电脑跌落时硬盘受损，而随着英特尔超级本的出现，陀螺仪和地磁感应器也将被引入其中，用于实现室内导航与增强实现功能。根据市场调研公司的预测，在超级本的应用方面，包括加速度计、陀螺仪和地磁感应器在内的运动传感器销售额到2016年将达到1.17亿美元，而在2012年这个数字仅为830万美元，年复合增长率达94%。
除了传感器，另一股MEMS产品在消费电子中的地位不可小觑，那就是声表面波(SAW)和体声波(BAW)产品。MEMS元件的表面声波技术被广泛应用在手机中的射频滤波器和双工器，非常适合于1.9GHz的2G手机；而体声波则可用于1.5GHz的4G LTE智能手机上。从低成本的GSM手机到多频带LTE智能手机，这个市场的架构是非常分散的，但有些组件是十分重要的，例如滤波器和双工器。凭借SAW和BAW技术，TriQuint曾异军突起，成为增长最快的MEMS制造商。而随着智能手机不断普及，这将成为SAW和BAW市场的强大推动力，MEMS在这一领域的增长将显而易见。
其实，早在在MEMS大量应用于消费电子之前，汽车电子是其最主要的应用领域。每台汽车会有四十到上百个传感器，汽车智慧化的发展趋势也将促进汽车市场对传感器的需求。其应用方向和市场需求包括车辆的防抱死系统(ABS)、电子车身稳定程序(ESP)、电控悬挂(ECS)、电动手刹(EPB)、斜坡起动辅助(HAS)、胎压监控(EPMS)、引擎防抖、车辆倾角计量和车内心跳检测等等。其中电子车身稳定程序ESP得到众MEMS厂商的高度关注，因为其主动防滑功能要求更多的传感器和先进的处理系统，所以将带动汽车电子MEMS应用市场的需求。
在传统的汽车电子和消费电子迎来MEMS需求的稳步增长外，随着人口老龄化，各种远距离监护和高精度治疗设备将越来越多地被引入，未来增长最快的应用市场将来源于医疗电子。ADI微机械产品线高级应用工程师赵延辉表示，由于 MEMS具有微型的特点，可以代替器官植入、微量检测，主要的发展方向是血管内手术和颅内手术以及细胞手术。
除去以上三个领域，在工业领域中，MEMS也有很大的应用。小体积、低成本的MEMS传感器越来越多的用在各种机械振动监测上，这可以用来监测马达、轴承等的振动、从而实现预见性维护；利用MEMS加速度计实现的倾角仪也被广泛用在各种工业测量设备上；还有遥控直升机的伺服系统、两轮车的平衡系统、天线稳定平台等。
本文小结
随着技术的不断进步，MEMS正从各个方面走进我们的生活，其势必成为整个半导体产业的热点。在这一领域，有些厂商已经取得很大的成就，有些后来居上，而还有一些正在不断的摸索。不管怎样，如此巨大的市场未来将为走入这一领域的厂商创造出越来越多的机会。谁把握了市场的导向、谁走在了技术的前列，谁就将赢得最终的市场。
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(11/2/2012) |
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