ST擘划无线MEMS开发蓝图

作者：蔡培德
在微机电系统(MEMS)的开发道路上，意法半导体公司(STMicroelectronics)正致力于推动一种全新的系统级封装(SiP)技术，宣称将能使其在2013年年底前开发出无线MEMS元件，并在2014年看到进一步整合气体感测器的MEMS环境。

ST近几年来一直在为该公司数位方面的业务努力奋斗，而其于MEMS方面的业务已经展现了巨大的成功了，2011年达到约9亿美元的年营业额，加上着重于惯性与薄膜MEMS的产品开发，正将该公司推向MEMS市场的主导地位。

这种新的系统级封装MEMS开发方式，可说是ST得以迈向成功的原因之一，ST公司执行副总裁兼类比、MEMS与感测器事业群总经理Benedetto Vigna表示。这种系统级封装方式为附加元件采取了不同的制造制程技术，让ST得以开发出整合机械式晶片、类比讯号调节与校正等功能的智慧化MEMS元件，甚至还可加入数位介面晶片与微处理器。接下来，ST打算再进一步加入RF收发器。

“这就是我们打算实现以及正在努力进行的目标，”Vigna说，“我们现正寻找可在人体以及家庭环境下实现的应用。目前已经有明显的应用案例了，因此，我们正紧锣密鼓地开发这项专案。”

那么这种无线感测器节点也适用于医疗领域吗？Vigna解释，目前这项新技术更适用于不需先经过多年临床实验后授权使用的健身与保健应用。此外，他补充说，像胎压监测系统也会是无线MEMS元件的另一项关键应用，不过ST目前还未进入这一市场。

ST量产的MEMS元件主要针对采用电容式动作感测的加速度计与陀螺仪，以及基于动态薄膜的环境感测器，如压力计和麦克风。

添加RF

ST使用两款晶片来实现MEMS功能：一款用于MEMS元素，另一款则用于类比讯号的放大、校正与调节。此外，还有第三颗晶片，为MEMS元件提供密封功能。

这种密封方式透过采用玻璃熔融或金属与金属接合的方式，为MEMS的可移动元件加以密封封装。Vigna指出，这种方式或许不像采用CMOS晶圆正面密封MEMS的方式那么精致讲究，但却提供更低成本以及更高的良率。

Vigna坦承，ST一直在思考采用CMOS晶圆来密封MEMS元件的各种可能性。“我们已经做一些实验了，但至今仍没有什么进展。”

而采用系统级封装方式同样可让MEMS换能器实现量产，接着再与不同的类比IC搭配作业，开发出各种不同的MEMS产品，甚至也能执行客户特定设计，Vigna说。

如今市场上已有许多添加数位内容的MEMS元件，但Vigna再次强调，能为每一款不同元件选择最佳制程才更有意义。因此，让机械式MEMS元件采用MEMS专用的1微米制程，类比调节晶片最好采用130nm CMOS制程，而内建微处理器与记忆体的数位IC或许可以采用90nm CMOS制程。

“第四种元素或许可以采用像SPIRIT-1晶片吧！”Vigna表示。SPIRIT-1是ST最近开发的90奈米低功耗无线晶片。这款RF晶片专门针对可编程资料率在1-500kbps的1GHz以下应用而设计。Vigna补充说，ST可能会采用同样的CMOS制程中整合数位与RF，维持其3款主动晶片加上密封封装的组装方式。

Vigna说，ST将会在2013年年底前于市场上推出这种无线MEMS，该公司目前已经开始销售MEMS结合射频收发器的电路板级产品，同时也正与客户合作开发家用以及人体穿载式的各种应用。

第五元素

接下来，ST还将为其MEMS开发道路上加进第五元素──这种整合气体感测器的MEMS元件可望在2014年问世。

这种气体感测器与湿度感测器与ST基于薄膜的环境感测器系列可说是绝佳组合。Virgina解释说，因为这种气体感测器就跟压力感测器与麦克风一样，实际上都必须在空气中进行物理连接。

Vigna预期，ST将先在2013年时开发出在单一封装中整合压力、温度与湿度感测器的产品，稍候再加入各种不同种类的气体感测器。“这种气体感测器将以另一款晶片或可能是感测层的形式添加，以便与湿度感测器整合。客户期望未来可侦测的气体包括甲烷(CH4)、一氧化碳(CO)；沼气与一氧化氮。”

最后，Vigna并总结道，正是由于采用了这种系统级封装方法，使得ST在实现最低成本、最大弹性度以及最佳上市时程方面，逐渐取得了长足的进展。


图1：在这款3mm x 3mm的MEMS元件组装中，底部包含了一个完整的低功耗微控制器，中间是MEMS动作侦测器，上面则是ASIC讯号调节辅助晶片。

图片来源：意法半导体


图2：ST在MEMS动作感测器市场取得主导地位后，现正致力于以全新SiP制程技术开发无

线MEMS元件，未来也将朝向气体感测器MEMS开发道路迈进。


图3：ST公司执行副总裁兼类比、MEMS与感测器事业群总经理Benedetto Vigna