MEMS技术

 MEMS技术基础

MEMS技术的目标是通过系统的微型化、集成化来探索具有新原理、新功能的元件和系统。MEMS技术是一种典型的多学科交叉的前沿性研究领域，几乎涉及到自然及工程科学的所有领域，如电子技术、机械技术、物理学、化学、生物医学、材料科学、能源科学等。其研究内容一般可以归纳为以下三个基本方面：

1.MEMS理论基础：

在当前MEMS所能达到的尺度下，宏观世界基本的物理规律仍然起作用，但由于尺寸缩小带来的影响(Scaling Effects)，许多物理现象与宏观世界有很大区别，因此许多原来的理论基础都会发生变化，如力的尺寸效应、微结构的表面效应、微观摩擦机理等，因此有必要对微动力学、微流体力学、微热力学、微摩擦学、微光学和微结构学进行深入的研究。这一方面的研究虽然受到重视，但难度较大，往往需要多学科的学者进行基础研究。

2.MEMS技术基础：

MEMS的技术基础可以分为以下几个方面：(1)设计与仿真技术;(2)材料与加工技术(3)封装与装配技术;(4)测量与测试技术;(5)集成与系统技术等。

3.MEMS应用研究：

人们不仅要开发各种制造MEMS的技术，更重要的是如何将MEMS技术与航空航天、信息通信、生物化学、医疗、自动控制、消费电子以及兵器等应用领域相结合，制作出符合各领域要求的微传感器、微执行器、微结构等MEMS器件与系统。

4 MEMS及其应用

MEMS技术是采用微制造技术，在一个公共硅片基础上整合了传感器、机械元件、致动器(actuator)与电子元件。MEMS通常会被看作是一种系统单晶片(SoC)，它让智能型产品得以开发，并得以进入很多的次级市场，为包括汽车、保健、手机、生物技术、消费性产品等各领域提供解决方案。根据电子产业市场研究与信息网路的资料，MEMS的平均年增长率高于20%,并预计在2010年超过100亿美元。MEMS技术已被认为是下个世纪最有前途的技术之一。

MEMS有很多应用，并被越来越多的产品所接纳。MEMS的一些常见应用领域包括汽车、生物技术与医疗，以及消费电子产品。MEMS还用于大量声波双工器(BulkAcousTIcWaveduplexer)与滤波器、麦克风、MEMS自动聚焦致动器、压力感测器、MEMS微微型投影仪，甚至MEMS陀螺仪。

MEMS的公司

从全球看，MEMS产品是由一些美国和亚洲公司开发的，包括意法半导体(ST)、AnalogDevices公司(ADI)、惠普公司(HP)、德州仪器公司(TI)，以及Memsic公司。下文将介绍各个制造商及其主要MEMS产品的现况。

意法半导体公司是最大的MEMS制造商之一，提供单轴和多轴陀螺仪的广泛选择，各种满量程区间，适用于数位相机和数位录像机的影像稳定，以及提高游戏应用中的用户体验。ST公司还提供3轴陀螺仪，能精确地测量沿三个正交轴的角速度。另外，STM还用下一代微电机声学器件扩展了自己的产品组合。创新的MEMS麦克风采用了Omron的传感器技术，能够大幅地提高声音质量，有出色的可靠性、健壮性，同时对现有/新兴音频应用都有很好的成本效益，如手机、无线设备以及手持游戏机等。关键是，MEMS麦克风可以做得比最小的驻极体电容式麦克风(electretscondensermicrophone)还要小，而对温度变化、机械振动和电磁干扰更不敏感。

ADI公司同时提供类比与数位型的全向MEMS麦克风。最近，ADI与英飞凌科技公司商定共同发展下一代的汽车气囊安全系统。这个ADI-英飞凌合作计划将确保两家公司相应产品发展蓝图的协调一致，以及各自传感器与芯片组的互通性。这个合作也将加速先进气囊系统的发展，为安全系统供应商和OEM商提供一个完整的设计平台，从而实现一种可靠、具成本效益和易于使用的先进气囊方案。

惠普公司最近推出一种惯性探测技术(inertialsensingtechnology)，能够用来开发可当作高阶传感器使用的数位MEMS加速度计。HP预计该技术将使芯片的灵敏度比今天市场上的批量产品提高1000倍。这种传感器是以该公司已率先商业应用在其打印机墨盒的MEMS技术为基础。

另外，TI公司拥有的数位光处理器(digitallightProcessor,DLP)技术为有光处理与光转向需求的创新应用提供了开发平台和芯片组。该公司的MEMS技术为光转向应用提供了可靠的单元件类比镜(singleelementanalogmirror)，其高反射的MEMS表面最大为9平方毫米，简化了对驱动的需求，因此TI的AnalogMirrors成为柔性系统设计的一个理想选择。TI的AnalogMirrors可以用于精确定位和控制激光束，同时最大限度地减少光功率的损耗，支持各种光束旋转应用，如影像与显示、光网路、自由空间光学、物体探测以及激光印刷等。

另一家着名企业Memsic公司则是推出了多种高性能加速度计。由于美国国家高速公路交通安全局(NHTSA)要求，到2012年时，美国市场上的所有汽车、卡车和大巴士都要安装车辆稳定控制系统(VehicleStabilityControl,VSC)，欧盟确认它也将实施类似的要求，数百万个Memsic加速度传感器已经被部署在带有VSC的汽车和卡车上。现在，致力于满足政府VSC要求的工程团队可以采用经过完全的汽车和道路认证、兼容于串列周边界面(SPI)的传感器技术，设计出下一代的VSC系统。

市场展望

显然地，MEMS已在我们今天日常生活中的各种应用中扎下根基。其普及的主要动力来自于成本低与体积小，从而能够做出更小、更轻和更廉价的最终产品。但在MEMS前方并非一片光明。一项挑战是封装问题，因为MEMS器件的多样性以及每个要暴露的不同环境。封装加上测试，很容易就会将成本增加一倍。在不影响产品性能的情况下，研究出标准化和更廉价的封装已成为MEMS设计的主要关注目标。在今天的地球上，MEMS制造商投入了大量研发力量，试图加强自己在封装制程中的地位，为各种新设备开发新的专用封装。当前长足的进步与工程进展让我们对MEMS或SoC有更新的理解。对设计工程师而言，这确实是富于挑战且令人兴奋的时代!

微机电 (MEMS) 技术在电子产品中的地位愈来愈重要，不论是在汽车、工业、医疗或军事上需要用到此类精密的元器件，在信息、通讯和消费性电子等大众的市场，也可以看到快速增长的MEMS应用。

MEMS本质上是一种把微型机械组件(如传感器、制动器等)与电子电路集成在同一颗芯片上的半导体技术。一般芯片只是利用了硅半导体的电气特性，而 MEMS 则利用了芯片的电气和机械两种特性。

三维微电子机械系统(3D-MEMS)，是将硅加工成三维结构，其封装和触点便于安装和装配，用这种技术制作的传感器具有极好的精度、极小的尺寸和极低的功耗。这种传感器仅由一小片硅就能制作出来，并能测量三个互相垂直方向的加速度。例如为承受强烈震动的加速度传感器和高分辨率的高度计提供合适的机械阻尼。这类传感器的功率消耗非常低，这使它们在电池驱动设备中具有不可比拟的优越性。

在 MEMS 传感器芯片内，三轴(X、Y、Z)上的运动或倾斜会引起活动硅结构的少量位移，造成活动和固定元器件之间的电容发生变化。在同一封装上的接口芯片把微小的电容变化转变成与运动成比例的校准模拟电压。通常的模拟量采样的方式有两种：静电电容式和压电电阻式。前者在低功耗方面更具优势，消耗电流更低。

MEMS与CMOS制程技术的整合，已成功带动组件产品在消费电子应用绽放光芒，包括Intel、Samsung、TI、TSMC等半导体领导大厂皆看好CMOS MEMS发展，而相继投入相关技术的研究开发。而CMOS MEMS组件能否进一步降低产品开发成本，3D MEMS封装技术扮演了关键性的角色。

3D封装技术除了可解决技术发展瓶颈，在异质整合特性下，也可进一步整合模拟RF、数字Logic、Memory、Sensor、混合讯号、MEMS等各种组件，且此整合性组件不但可缩短讯号传输距离、减少电力损耗，也能大幅增加讯号传递速度。此外，由于采取3D立体堆栈方式，故在Form Factor方面，也能在固定单位体积下达到最高的芯片容量。

随着MEMS技术在消费电子应用的快速崛起，及半导体制造接近极限，透过TSV技术整合MEMS与CMOS制程，形成IC的3D化也逐渐受到瞩目。由于3D MEMS隐含了异质整合特性，具备低成本、小尺寸、多功能、高效能等多重优势，因此可望在未来掀起另一波技术应用革命，并为CMOS MEMS的发展带来更大商机。

在看好相关产品技术发展前景下，业界已开始加速布局CMOS MEMS+3D MEMS Packaging解决方案。由于以TSV方式将Chip堆栈成3D IC的发展备受看好，也可望带动3D TSV Wafer出货数的快速成长，以组件类别来区分，目前以CIS(CMOS Image Sensor)采用TSV与IC 3D化的速度最快，第二阶段预计将由内存(含Flash、SRAM、DRAM)扮演承接角色。3D MEMS可望在2011年兴起，并在往后3年稳定迈向商品化。

MEMS产品大多以150mm～200mm的8寸晶圆生产，在未来6年有望逐步转进300mm的12寸厂生产，以便做最佳化的产能利用。

MEMS：对消费类电子产生重大影响的技术

制造商正在不断完善手持式装置，提供体积更小而功能更多的产品。但矛盾之处在于，随着技术的改进，价格往往也会出现飙升，所以这就导致一个问题：制造商不得不面对相互矛盾的要求——在让产品功能超群的同时降低其成本。

解决这一难题的方法之一是采用微机械加工技术，更流行的说法是MEMS，它使得制造商能将一件产品的所有功能集成到单个芯片上。MEMS对消费电子产品的终极影响不仅包括成本的降低、而且也包括在不牺牲性能的情况下实现尺寸和重量的减小。事实上，大多数消费类电子产品所用MEMS元件的性能比已经出现的同类技术大有提高。虽然MEMS过去只限于汽车、工业和医疗应用，但据调查公司估计：“MEMS消费类电子产品的销售额将在2005年前达到15亿美元”。

手持式设备制造商正在逐渐意识到MEMS的价值以及这种技术所带来的好处——大批量、低成本、小尺寸，而且开始转向成功的MEMS公司，其所实现的成本削减幅度之大，将影响整个消费类电子世界，而不仅是高端装置。

图1 人跑步/走路时的侧向z轴运动

跟上发展步伐

正在日益流行的MEMS应用是步程计，它用于测量人行走时的速度或距离。将在z轴方向上的机械平移运动转换为电脉冲(图1)是MEMS器件的作用所在。这些脉冲馈入一个峰值检测器电路，该电路随后在每个脉冲作用下触发一次计数。精心设计峰值检测算法则能根据所选用的加速度计情况来获得最优的测量效果。

如果步程计安装到被测人的足部，当该人跑步时，则步程计就会定期受到极大的冲击作用。如果产品使用加速度计的话，如此之高的冲击指标会大大限制产品的性能。例如，有些加速度计设计在过载超过一定程度时会出现被称作“粘死”的现象，加速度计在受到很大冲击时将出现饱和，即使大过载消除后仍然保持饱和输出。为了使其摆脱这种状态，可能需要将电源极性颠倒过来。MEMSIC公司的加速度计以热敏感原理来检测加速度，因此没有其它加速度计在大负载情况下出现的问题，如粘死，这是因为它们根本就没有敏感质量的缘故。

让GPS更可靠

不管是在偏僻的小路上游览还是简单的为汽车导航，手持式全球定位系统(GPS)都是一件安全、方便且理想的随身装备。

利用GPS接收机支持的人员和车辆定位系统可以确定位置，而且提供路线方面的引导。采用GPS系统时，信号接收并非始终是100%可靠的，但是若有基于MEMS技术的加速度计，就可以由能推算出行驶(走)距离的导航解算方法来弥补信号方面的损失。此外，在修正这些系统所用的3轴电子罗盘的磁偏角方面，加速度计也非常有用。加速度计可以跟踪偏离重力方向零位基准的角位移信息，获得这些信息后，就可以修正磁偏角，这样即使装置不处于水平状态，仍可以得出精确的方向读数。

手持式GPS制造商要解决的问题之一是如何在恶劣的天气条件下保证装置的性能。这些系统在极端温度条件下都必须可靠而且能够耐受强烈的冲击。目前的加速度计在很多情况下尚不能承受恶劣环境下所存在的强冲击影响。MEMSIC公司所设计的新产品则实现了高抗冲击性能——5万g，因此其几乎不可能失效。而大多数MEMS加速度计的冲击过载耐受范围是500g~2000g，常常会失效，因为器件无法在更加恶劣的环境中保持完好无损。

为游戏应用提供更佳的控制能力

在改善电子游戏的体验方面，MEMS加速度计还能提供运动和倾斜检测。这些游戏可以在多种平台上运行——包括Microsoft Xbox、Sony的Playstation、Nintendo GameCube等游戏机和Nintendo GameBoy、Palm或Pocket PC PDA等手持式装置，以及其它膝上型和桌上型电脑，改善控制盘和操纵杆的倾斜及运动敏感功能。

该功能让用户沉浸在游戏之中，体验其中的乐趣。特别是玩飞行模拟类游戏时，用户需要让游戏控制盘或者操纵杆倾斜来使飞机转弯——无论是操控螺旋桨式飞机还是喷气式战斗机，大多数用户在完成大斜度转弯时都会出现整个身体都倾斜的现象，这让他们产生更为身临其境的感觉。

像Nintendo公司的Gameboy等手持式装置，都提供了一种靠倾斜、摇摆来控制的游戏“Kirby倾斜和翻转”。在游戏中，球形主人公Kirby要根据不断滚摆的浮空平台倾斜情况来滚转，摇动Gameboy可以帮助Kirby跳到下一个浮空平台。在采用MotionSense公司软、硬件的掌上型或便携式PC PDA装置中，也可以添加与此类似的迷宫游戏。

体育比赛类游戏也可以利用MEMS加速度计带来的好处。装备了MEMS加速度计及陀螺的棒球棍或者高尔夫球棍可以提供全部旋转信息，用来精确的复现出击球的动作。

结语

随着MEMS价值得到证明，越来越多的消费类电子产品制造商采用这项技术。蜂窝式器件的制造商也已经象游戏业一样意识到了它的重要性，特别是开发无线产品的厂商。随着手持式市场继续获得爆炸性增长，低成本将成为其成功的推动因素，而该增长可以通过MEMS技术的利用来获得。

iPhone4 MEMS传感器技术分析

近阵子由于iPhone 4走红，许多媒体纷纷宣扬iPhone将引爆传感器题材商机，在报导描述中也用上了热门的技术名词：微机电系统(MEMS)，期望使题材能更热。

文章用上MEMS传感器的称呼，使许多人以为iPhone 4内所用的传感器全是用MEMS技术实现的，特别是许多苹果粉丝，阅读这类文章后也跟着在自己的部落格上宣扬这类题材，反而使歪述更为扩张。因此笔者期望藉此文说明一些传感器技术，期望能让已扩散的歪述有点约束。

微机电系统(MEMS)概述

在正式说明前，先让我们了解何谓MEMS?关于此还必须先说明何谓IC?IC(Integrated Circuit)台湾译为集成电路，就是把电子组件(如电阻、电容、二极管、晶体管等)以及由组件构成的电路，不断缩小其长宽尺寸与整体体积，功效仍旧相同，生产成本却可以大幅降低。

更简单说，就是把电子电路微型化，不断微缩，但成本更低，且能让电路更复杂精密，此亦是近年来俗称的芯片。

好，IC、芯片就是电子组件、电路的微型化，但我们能否把机械组件、机械结构也微型化，功效依然相同成本却大幅降低。是的，此即称为微机械，与IC微电子概念相同。

进一步的，若把微电子与微机械结合在一起，就成了微机电，微电子与微机械结合的系统，就称为微机电系统(MEMS)。

iPhone 4的传感器技术

进入正题，iPhone 4到底用上了哪些传感器呢?

1) 影像传感器

简单说就是相机镜头，由于只牵涉到微光学与微电子，没有机械成份在里头，即便加入马达、机械驱动的镜头，这类的机械零件也过大，不到「微」的地步，所以此属于光电半导体，属于光学、光电传感器。

2) 亮度传感器

外界并不清楚iPhone 4用何种方式感应环境光亮度，而最简单的实现方式是用一个光敏电阻，或者，iPhone 4直接用影像传感器充当亮度侦测，也是可行。无论如此，此亦不带机械成份，属于光电类传感器，甚至可能不是微型的，只是一般光学、光电传感器。

3) 磁阻传感器

简单讲就是感测地磁，这样讲还是太学名，感应地磁就是指南针原理，将这种地磁感应电子化、数字化，就称为数字指南针(Digital Compass)。老实说，数字指南针技术比较偏玩具性，因为用来感测地磁的磁阻传感器，很容易受环境影响(如高压电塔旁、马达旁)，必须时时校正才有用。

磁阻传感器目前没有被视为热门的MEMS组件，有些MEMS组件会追加整合磁阻感测能力(如ADI的产品，且目标应用是鱼雷用途)，但一般而言磁阻传感器尚无迫切微型化的迹象。

4) 近接传感器

近接传感器的实现技术非常多种，可以是红外线(例如便利商店的自动门、男生公共厕所的自动冲水器)、可以是超音波、雷射等，太多太多。同样的，Apple没讲，我们只能乱猜或尽可能网搜，不过，近接传感器也没有迫切微型化的需要，不在热门MEMS组件之列。

5) 声波传感器

学名声波传感器，俗名麦克风。是的，iPhone 4 为了强化声音质量，使用2组麦克风与相关运算来达到降噪(降低噪音)的效果，这种技术称为数组麦克风(Array MIC)，事实上早在Apple实行之前，2004年Wintel就已经在PC上提出过，差别是Apple用于手机，Wintel用于PC。

麦克风需要微型化吗?是的，需要，相当需要，且使用一个以上的麦克风，麦克风的体积缩小需求就更迫切，麦克风也牵涉到机械(声波会使微型机械振动)，并将机械振动转换成电子信号，因此微型化的麦克风，是个不折不扣的MEMS传感器。

6) 加速度传感器

俗称加速规、G-Sensor，可以感应物体的加速度性。事实上加速度传感器的实现方式也是许多种，MEMS只是手法之一，用MEMS实现加速度传感器确实是目前的趋势。

加速度传感器一般有「X、Y两轴」与「X、Y、Z三轴」两种，两轴多用于车、船等平面移动为多，三轴多用于飞弹、飞机等飞行物。而不用多说，Wii遥控器也是用三轴，iPhone可以感应实体翻转而自动对应翻转画面，也是靠这个传感器。

7) 角加速度传感器

更简单讲就是陀螺仪，陀螺仪实现技术有机械式与光学(红外线、雷射)式，第六项的加速度传感器比较能感测平移性，但对于物体有个轴心，进行角度性的移动，则其感应效果不如陀螺仪好，所以许多应用多半是混何使用加速度传感器与陀螺仪，而今iPhone 4也从善如流。不过，iPhone 4确实是率先使用陀螺仪的手机。

结语

说了这么多，真的称得上MEMS传感器的，其实只有麦克风、加速度传感器、陀螺仪等三个，其他的传感器多是夸大延伸，不是不用微型化，就是根本没用及机械技术。

不过，从整个iPhone发展历程来看，iPhone的简约感、流畅使用体验等大体已定调，短期内难有更高作为，因此也开始走入一般产业的纯规格、功效竞赛，iPhone 4及后续机种能否靠高规格、先进传感器而持续走红，恐有待时间观察与验证了。