MEMS技術：現狀與未來趨勢

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。

技術市場

主持人Jim Walker：Gartner

就定義而言，MEMS(微機電系統(tǒng))是感知、計算和執(zhí)行的融合。它也是一種制造技術。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(zhí)行物理、化學、生物等方面的功能，因為它能同時發(fā)生化學反應和電作用。它實質上是終極的片上系統(tǒng)，是科學和技術的終極融合，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(guī)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(tǒng)，它將是采用了MEMS產品的最終電子產品，到2010年，其規(guī)模將達到950億美元。

如今，MEMS的應用對象都是最常見的東西。TI的DLP是一種MOEMS(微光機電系統(tǒng))，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(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，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(yè)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(zhí)行等功能。

最后一種是生物醫(yī)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(yī)療、影音、光學、電子、機械，合成為終極的片上系統(tǒng)，如MOEMS。

慣導應用

Honeywell - Earl Benser，先進技術事業(yè)部航空航天組微系統(tǒng)先進傳感小組主任
我將簡要介紹一下我們在將MEMS變?yōu)閷嶋H產品的過程中進行的活動和實現的轉變。Honeywell在MEMS技術的開發(fā)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(huán)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(guī)模僅次于流量傳感器。我們向這一領域的多家制造商發(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(fā)，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(tǒng)和慣性基準系統(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(yōu)良的性能，可以與其他導航系統(tǒng)實現深度集成，這推動了在新產品中的應用。

我們正在用MEMS技術取代慣性產品系列中的成員。傳統(tǒng)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，Honeywell在70年代末和80年代初開發(fā)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(tǒng)治地位?，F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。對客戶及其產品來說是一種非常有吸引力的技術。

通信與醫(yī)療

Olympus - George Yokoi, MEMS傳感器與應用部高管

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

除了通信、無線技術外，我們還研發(fā)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?？梢栽O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，然后就可以實現通信了。

Olympus同樣提供醫(yī)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(tǒng)(Drug Delivery System, DDS)。最近，我們向市場發(fā)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(yī)生手中?，F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。客戶購買產品，而技術的意義就到此為止。Silicon Clocks提供基于創(chuàng)新性的MEMS和IC技術的時基解決方案。

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。

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？時鐘產品方面的公司有數十至上百家。到目前為止，傳統(tǒng)的技術是石英晶體。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 Labs和Cypress。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。

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。

另一個要問的問題是：MEMS時鐘技術何時能得到大發(fā)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(wěn)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(yōu)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(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。

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。

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(tǒng)。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MEMS和IC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。

MEMS的市場和方案已經隨著MEMS設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品來。最早的產品是由專業(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(tǒng)計類工具來提高MEMS的產品率?？蛻粢苍诳疾斐杀痉治龉ぞ撸驗槿绻覀兡芙档彤a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。

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(fā)出產品前，就希望對其進行優(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?yōu)镸EMS設計出好的封裝的確是一個挑戰(zhàn)。

系統(tǒng)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(fā)出那些不僅能幫助系統(tǒng)設計者評價這些IP，而且還能將其集成到這一系統(tǒng)中，并融入設計上已有的基礎環(huán)境中。而這一基礎環(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軟IP，它們在尺寸和性能上都可以擴展，以植入系統(tǒng)中。