MEMS技术将迎来系统级挑战

　　微机电系统(MEMS)技术有望给各个年龄层的个人、各种产业乃至我们整个社会带来更加深远的影响。这种技术正从器件级转向器件内外部都需要新兴技术的系统级平台。

　　这两个领域的成功将实现用于智能传感和情境感知的新平台，从而使消费电子、生物医疗、工业、环境、通信、安全、运输市场以及基础设施监测和金融应用受益良多。

　　MEMS器件制造商必须应对传统业务模式偏离的局面(传统上，MEMS IC制造商为OEM制造器件，OEM将这些器件封装成终产品)。他们必须专注于客户的具体需求、终产品的使用环境和使用方式，以及如何使产品更易于操作。对于要求低成本的市场(如消费电子市场)，关键在于更高的集成度，即以具有成本效益的方式合并CMOS和MEMS。

　　这些观点在两场近期举行的MEMS大会，即MEMS技术峰会和MEMS管理者大会上的演讲中，得到了证实。

　　按照会议的冠名，MEMS技术峰会汇集了MEMS产业群体的“名流”。此会议还肩负着回顾过去25年来MEMS技术的进步以及展望未来的双重目的。此外，它还是MEMS产业先锋Nova Sensor公司成立25周年的纪念会，创始团队的成员组织了此活动。美国微机电系统产业协会(MIG)是MEMS管理者大会的赞助单位。

　　“芯片外部的考量涉及系统工程设计的本质。芯片是系统真正的使能者。但是，它需要热管理和互连策略等诸多其他功能的支持，从而创建合适客户应用的解决方案。”Roger Grace Associates总裁Roger Grace表示。

　　“这种MEMS解决方案的其他主要功能包括MEMS至系统的接口(往往是带具有嵌入式软件/算法的微控制器内核的ASIC)、电源以及网络芯片，所以这些功能都以鲁棒且具有成本效益的方式组合在一起。创建这种方法的基本原则(图1)是系统工程设计、可靠性分析、可制造性和可测试性设计以及协同设计。”Grace补充道。

图1：MEMS芯片外部的考量对于创建适合客户应用的解决方案而言正变得越来越有必要。

　　这涉及系统工程设计、可制造性和可测试性设计以及协同设计。

　　MEMS IC制造商目前也动作频频。比如，飞思卡尔半导体公司借助Xtrinsic产品组合开创了新的传感时代。这种品牌的传感器在设计时明智地结合了智能集成、逻辑和可定制软件，可实现更智能且差异化程度更高的应用。

图2：Kionix三轴KGY13陀螺仪采用5×5×0.9mm3 24引脚LGA封装，针对大众市场消费电子应用。

　　MEMS和非MEMS半导体IC制造商正在借助他们的产能和产品，全力以赴地投入到他们所认为的巨大新市场商机中。英特尔实验室(Intel’s Labs)副总裁兼总监Vida Ildereme表示，英特尔正借助嵌入式单晶片系统(silicon-on-a-chip) IC的开发，寻找嵌入式应用中的智能传感商机。该公司力图打造其在微处理器领域的领导地位，开创嵌入式应用的新功能和战略方向。

　　“MEMS和其他传感技术对消费电子、智能电网和医疗市场产品的重要性正与日俱增，”Ildereme表示，“智能传感和情境感知服务将借助数以亿计的无线连接设备，为嵌入式市场带来巨大的商机。”

图3：高通MEMS技术公司的Mirasol MEMS显示屏将于今年年初用于电子书设备中。

　　该设备可以15帧/秒的帧速率提供XGA格式。它采用干涉仪调制技术(其原理是将一个简单的真空沉积薄膜结构置于玻璃基板上)，无需背光电源。

　　即使是开创几乎所有MEMS技术的学术界，也在寻找赢利的市场机会。据美国密歇根大学教授，也是该校无线集成微系统(WIMS)工程研究中心前院长的Kensall Wise表示，这种无线设备正在推动设计用于盲区测量的自动和自主生物医学系统的发展。

图4：密歇根大学无线集成微系统(WIMS)中心的这款手表大小的用于环境监测的气相色谱仪适合iPod Shuffle的尺寸。

　　它在每次分析时可在几秒到一分钟的分析时间内在每十亿分析物中检测出30到50种有机蒸气污染物。

　　巨大的消费类市场

　　近几年来，消费电子市场正以创纪录的数字使用多轴MEMS加速度计和陀螺仪，其应用范围涵盖智能手机、数码相机、笔记本和膝上型电脑、平板电脑、电视遥控、游戏机、玩具、个人导航设备和GPS设备。加速度计和陀螺仪正在向芯片中增加更多功能，同时保持更小的尺寸和更低的成本——这是消费电子市场的两个必备要求。

　　威特艾传感技术(VTI Technologies)、索尼(Sony)和松下(Panasonic)等新晋公司，正挤身Invensense、意法半导体(STMicroelectonics)和爱普生拓优科梦(Epson Toyocom)等成熟MEMS陀螺仪制造商行列。此外，博世传感技术(Bosch Sensortec)和Kionix也有望进入这一市场。

　　Invensense借助其MPU-6000系列产品，实现了集成式MEMS陀螺仪领域的突破，该系列产品在4×4×0.9mm3的裸片上集成了一个充当硬件加速度计引擎的数字运动处理器以及一个三轴陀螺仪和加速度计，可实现9轴传感器融合。

　　近被罗姆公司(Rohm Co. Ltd.)收购的Kionix公司在消费类应用MEMS惯性传感器产量上第三，该公司借助两款5×5×0.9mm3新型数字陀螺仪(双轴KGY-12和三轴KGY13 LGA封装，图5)的推出，充分发挥了其在针对消费类市场的易于使用的加速度计领域的技术优势。这些陀螺仪针对具有内置的用户可编程、定向拍打、定向震动和自由落体运动监测任务算法的具体应用。

图5：

　　图5为附属于美国佐治亚理工学院的CaridoMEMS公司的这款经过FDA批准的采用RF技术的埋植式无线压力传感器可用来治疗动脉瘤(动脉瘤是导致心力衰竭的首要原因)。该传感器通过一个只需几分钟即可完成的导管插入术插在病人心脏附近，无需任何外部电源供电。

　　“我们的工程设计人员编制是应用工程设计，对于我们而言，这些人员是在为终端用户开发应用。”Kionix公司执行官Greg Calvin表示，“我们的客户希望我们向其提供他们想要的终解决方案——可向他们提供关于器件是否在移动以及位于纵向还是横向模式的信息的寄存器。客户不希望受到原始数据处理的困扰，或者他们没有能力处理原始数据。”

　　多数MEMS陀螺仪都采用叉和梳等不均衡开环振动体工作。相反，Silicon Sensing Systems公司采用谐振频率为22kHz的3mm闭环振动环。该振动环可视为无数个采用均衡振动圆形结构的音叉。该公司宣称，这种方法可实现成本更低、功耗更低且更轻的MEMS陀螺仪。同时，Qualtre公司正在其陀螺仪中采用声体波(bulk acoustic-wave，BAW)技术，据称，这种陀螺仪的加工成本和功耗都要比其他陀螺仪低。

　　MEMS惯性管理组件(IMU)是MEMS陀螺仪的一个分支，它包含高度集成的MEMS加速度计和陀螺仪。十几年来，这些器件已被用于导航、飞行控制和稳定性功能。如今，更高的集成度促进了价格的日益降低，从而使IMU能够用于新兴的保健和工业应用中。

图6：

　　图6为一个由60个与视网膜相连的电极组成的阵列和一个MEMS视网膜泵被设计用于通过视网膜的电刺激引起视觉感知，来治疗由视网膜色素变性和老年性黄斑变性等疾病引起的失明。Second Sight的这种小型第二代产品Argus II不会引起排斥反应，植入时可以重新注满，还可进行给药编程。

　　新前景

　　惠普公司(HP)策划人Rich Duncombe近公布了其公司的一些计划，旨在为需要传感解决方案的产业和实体提供传感解决方案，并以服务的形式销售这些解决方案。这一策略从根本上背离了MEMS IC制造商为OEM制造器件而OEM将这些器件封装成终产品的传统业务模式。

　　虽然惠普是采用MEMS技术喷墨打印头的主要制造商，但是该公司计划利用其近开发的低功耗、低噪声和高分辨率MEMS加速度计传感器平台，与需要此类数据的客户在该平台上进行共同构建。

　　“我们已经宣布了与壳牌石油公司(Shell Oil Co.)携手开发无线传感系统的合作协议，这种无线传感系统可在壳牌石油公司勘探油井时极难进行数据采集的区域采集到极高分辨率的陆上地震数据。”Duncombe表示。

　　“我们将向任何有需求的客户提供这种‘系统’级解决方案，同时我们看到了这一举措背后巨大的市场商机。”在谈到交通系统、基础设施和能源监测领域的巨大商机时，他补充道，“即使是金融行业也可以采用这种生物识别和验证服务。”

　　环境和工业应用也可能被证明是MEMS器件的两个潜力市场。MEMS传感器与自主无线网络相结合时，将开创振动和健康监测基础设施以及铁路、桥梁、水坝、楼宇和飞机等结构的新时代。

　　模拟器件公司(ADI)近推出了首款MEMS三轴振动分析系统，可帮助工业设计人员提升系统性能、降低维护成本。ADIS16227 iSensor振动监测器在15mm3的小型封装内采用了一个MEMS加速度计和一个内置可编程处理器，可实现定向传感和频谱分析，对具体振动源进行识别和分类。

　　光学领域

　　MEMS技术的应用还涵盖显示和光学投影领域。高通MEMS技术公司(Qualcomm MEMS Technologies)的Mirasol显示屏采用干涉仪调制技术，其原理是将一个简单的真空沉积薄膜结构置于玻璃基板上。这种能以15帧/秒的速率提供XGA格式的显示屏，将用于即将在今年年初供货的电子书设备中(图3)。

　　“这种技术无需背光，因此，与市面上的其他电子书和电子阅读器相比具有低功耗，”高通工程设计副总裁Clarence Chui介绍道，“它有与Kindle电子书等产品竞争的潜力，但是其特色是运行速度更快。”

　　德州仪器(Texas Instruments)的数字光投影(DLP)技术，就是其中一个成功的MEMS光学实现方案的典范。DLP采用MEMS扫描镜，是2D和3D数码相机、投影电视、会议室投影仪和微投影仪领域的主要投影器件。

　　Microvision公司的PicoP显示引擎被广泛用于电信、汽车、消费电子和航空电子设备应用中。其关键器件双向MEMS扫描镜与小的弯曲部分相连，这使其能够纵向和横向振荡，逐个像素地捕获或重现图像。该引擎采用红色、蓝色和倍频绿色激光二极管，这些二极管与扫描镜一起在整个视场产生全彩色、鲜明和一致的显示。

　　三星公司(Samsung)也涉足嵌入式MEMS微投影业务。该公司的SPH-W9600及GT-i8520 Galaxy Beam就是两款投影手机。

　　涉足环境领域

　　密歇根大学无线集成微系统(WIMS)中心的一款新产品，是用于环境监测的手表大小的气相色谱仪。这所大学希望实现这个适合iPod Shuffle尺寸的器件商业化(图4)。

　　该产品针对环境监测应用，每次分析可在几秒到一分钟的分析时间内，在每十亿分析物中检测出30到50种有机蒸气污染物。这种气相色谱仪还可用于医疗保健和国防应用。

　　目前，Block Engineering公司正在制造用于低成本军事、商业和工业应用的微型显微光谱仪化学气体传感器。ChemPen的体积比一支钢笔还要小，预计其成本在1000美元以下。

　　该器件采用复杂的MEMS傅里叶变换红外(FTIR)技术，将采用桑迪亚国家实验室开发的MEMS Summit-V工艺制作。其软件可以通过编程来检测化学战的毒性化学品和有毒工业化学品。

　　滨松公司(Hamamatsu)已开发出一款重量仅9克的微型MEMS光谱仪头，可广泛用于12nm空间分辨率下波长在340到750 nm之间的可见光应用。C10988A尺寸为27.6×13×16.8mm3，设计用于替代存在尺寸和功耗问题的标准微型光谱仪。它整合了滨松公司的MEMS和图像传感器技术。

　　此外，C10988A还采用焦距极小的像差校正凹面光栅以及可获得高衍射效率的闪耀光栅剖面。光栅对面是一个带有750×750μm2 MEMS片上切口的专用CMOS图像传感器。传感器与切口之间的距离是1mm，传感器与光栅之间的距离是8.5mm。

　　与时俱进的医疗保健领域

　　“MEMS技术正在从商业化转向目前的消费电子应用之外的个性化领域。”意法半导体传感器和高性能模拟视觉业务副总裁兼总经理Benedetto Vegna表示。

　　这种个性化，将给监测人体重要参数的人体局域网、监测病人行踪的传感器以及实现患者与医疗服务供应商进行沟通的器件等领域，带来突飞猛进的发展。

　　我们已经见证了用于生命体征监测的便携式家用保健设备、为获得更好诊断和治疗效果的经过改良的人体植入器械、给药系统以及流体和细胞处理装置的大规模供货，MEMS器件则走在这一市场的前沿。目前，MEMS传感器正被广泛用于病人跌倒感知、运动和移动跟踪、埋植式给药和神经刺激系统、呼吸监测以及血糖和血压监测。

　　MEMS先锋Janusz Bryzek将智能手机视为实现采用MEMS技术的潜在医疗工具的关键设备。他认为，诸如肺监测和分析等应用将在超声成像领域发挥重要作用。

　　密歇根大学是生物医疗应用埋植式MEMS器件开发的。这些器件包括用于听觉和神经检测和仿真应用的探针，以及用于心脏动脉植入和视觉假体眼内植入应用的MEMS压力传感器。许多新发明成果终以产品的形式面市，目前正为遍布的诊所和其他医疗机构所使用。

　　植入胰腺、眼科装置、听觉器件和心血管装置则即将面市。图5是经美国食品药物管理局(FDA)批准的采用RF技术的埋植式无线压力传感器，由附属于美国佐治亚理工学院的CaridoMEMS公司提供，可用来治疗动脉瘤(动脉瘤是导致心力衰竭的首要原因)。

　　这款微型无源LC谐振传感器名为Champion，由外部电感耦合供电，无需电池。压力发生变化时传感器膜片弯曲，并改变LC电路的谐振频率。

　　该压力传感器及其无线天线，通过一个只需几分钟即可完成的导管插入术插在心脏附近。该装置监控血压，并将结果发送到无线扫描仪。当数天收到的异常血压都在理想范围之外时，医生会得到电话通知，以便采取进一步行动。

　　根据佐治亚理工学院教授兼CardioMEMS公司创始人Mark Allen的报道，Champion具有前途无量的效果。“与目前的护理金标准相比，采用该装置监护的病人中住院治疗的病人比例下降了38%。”他表示。

　　MEMS技术在用来治疗视网膜色素变性和老年性黄斑变性等疾病的眼科植入领域，也开始大显身手，南加州大学(University of Southern California)多汉尼眼科研究所为期25年的人工视网膜计划可以见证这一点。根据Mark S. Humayun教授的报道，第二视觉医药产品公司(Second Sight Medical Products)投资的临床试验取得了鼓舞人心的效果。

　　Second Sight第二代产品Argus II通过对视网膜进行电刺激来引起视觉感知。这种与视网膜泵配合工作的植入装置，包含一个由60个与视网膜相连的电极组成的阵列(图6)。电极将从外部摄像头获取的信息传送给视网膜，为植入体提供基本视线。

　　“借助MEMS技术，我们可以制造新型迷你眼科泵，这种眼科泵尺寸小，不会引起排斥反应，植入时可以重新注满，并且可进行给药编程。”Humayun表示。

　　这些应用仅仅只是开始。MEMS技术将为所有人开创文明的新纪元。MEMS器件的价格已经出现暴跌，它正沦为“日用品”，这已在近举行的MEMS管理者大会(MIG)的“enabling(实现)”主题得到证实。这些器件将充斥各个市场板块，使无数应用受益，其应用范围超乎设计者的想像。