MEMS技術(shù)邁向消費(fèi)電子應(yīng)用

硬盤讀寫頭、微顯示器（Microdisplays）和微量噴墨頭,目前占據(jù)著70%以上的MEMS市場。而汽車電子、移動(dòng)通訊、消費(fèi)電子、以及醫(yī)療檢測等領(lǐng)域,將是MEMS技術(shù)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的新熱點(diǎn)。ST微電子MEMS事業(yè)單位前道技術(shù)和制造總監(jiān)Benedetto Vigna表示,ST的MEMS技術(shù)因具多軸響應(yīng)、分辨率高、功耗低、單封裝等特點(diǎn),在運(yùn)動(dòng)傳感器、加速計(jì)以及傾斜傳感器市場大受歡迎。

先進(jìn)封裝技術(shù)作保 MEMS更加穩(wěn)定

MEMS（Micro Electro Mechanical Systems）本質(zhì)上是一種把微型機(jī)械元件（如傳感器、制動(dòng)器等）與電子電路集成在同一顆芯片上的半導(dǎo)體技術(shù)。大多數(shù)芯片只利用了半導(dǎo)體的電氣特性,而MEMS則利用了芯片的電氣和機(jī)械兩種特性。Benedetto Vigna表示,微型化并不是MEMS的目標(biāo)和主要優(yōu)勢。在很多應(yīng)用中,MEMS技術(shù)的最重要優(yōu)勢是準(zhǔn)許制造商利用半導(dǎo)體制造技術(shù)生產(chǎn)出高可靠性的低成本傳感器、制動(dòng)器等器件。

芯片內(nèi)部布線的可靠性遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于印刷電路板上的焊接布線,而半導(dǎo)體制造工藝和封裝技術(shù)都為MEMS器件提供了安全保護(hù)。本身內(nèi)在的高可靠性對于諸如汽車系統(tǒng)和家電產(chǎn)品中,電子系統(tǒng)必須在一個(gè)機(jī)械振動(dòng)特別大的環(huán)境中工作可靠。同時(shí),批量制造使得MEMS組件的成本通常遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于高精度的龐大的機(jī)械組件,通常情況下機(jī)械組件是系統(tǒng)中成本最高的元件。因此,MEMS技術(shù)可讓很多應(yīng)用有機(jī)會(huì)實(shí)現(xiàn)更高性價(jià)比和更高可靠性。

作為MEMS技術(shù)的領(lǐng)先者,ST開發(fā)出了一個(gè)稱為THELMA（微制動(dòng)器及加速計(jì)用厚外延層）的0.8mm表面微加工技術(shù),把分別用于結(jié)構(gòu)和互連線的薄厚不一的多晶硅整合在一起。ST稱其是首家采用LGA（Land Grid Array）封裝工藝技術(shù)制造加速計(jì)的供應(yīng)商。據(jù)Benedetto Vigna介紹,ST目前已實(shí)現(xiàn)把線性和角度加速計(jì)以及陀螺儀和微處理器及存儲(chǔ)器等進(jìn)行整合封裝（SiP）,這種多合一的傳感器可以實(shí)現(xiàn)各種運(yùn)動(dòng)激活式產(chǎn)品設(shè)計(jì),而且制造成本低廉。其目標(biāo)應(yīng)用包括從手機(jī)、PDA一直到基于可有效校準(zhǔn)運(yùn)動(dòng)的直觀用戶界面的新產(chǎn)品。Benedetto Vigna透露,該制造工藝將會(huì)移入ST深圳新建工廠中。

MEMS加速計(jì)走入消費(fèi)電子應(yīng)用

MEMS加速計(jì)是微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)的一個(gè)典型代表,而ST的MEMS加速計(jì)有很多應(yīng)用,手持設(shè)備如PDA和游戲機(jī)的用戶界面是其中的一例。在這種應(yīng)用中,手持設(shè)備的傾斜變化被用于用戶界面的操作,因而不再需要鍵盤、鼠標(biāo)以及其它昂貴復(fù)雜的人機(jī)接口設(shè)備。Benedetto Vigna解釋,如果芯片發(fā)生運(yùn)動(dòng),加速計(jì)內(nèi)的微型硅懸臂就會(huì)做出相對固定的硅結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)。這種相對運(yùn)動(dòng)會(huì)引起電路電氣特性（電容）發(fā)生可以測量到的變化,該變化可用于計(jì)算芯片的實(shí)際運(yùn)動(dòng)距離,并提供以模擬電壓或數(shù)字信號表示的芯片運(yùn)動(dòng)信息。

ST的LIS3L02三軸加速計(jì)榮獲EDN的2003年度創(chuàng)新獎(jiǎng),該產(chǎn)品是世界上第一個(gè)能夠檢測三種方向運(yùn)動(dòng)的集成電路,為家電、汽車系統(tǒng)和手持終端等設(shè)備開創(chuàng)了新的應(yīng)用機(jī)會(huì)。

ST的線性加速計(jì)長久以來被用于汽車安全系統(tǒng),檢測重力加速度,在正確的時(shí)機(jī)以適當(dāng)?shù)牧α看蜷_安全氣囊。MEMS還被用于導(dǎo)航推算系統(tǒng)中,在沒有GPS信號的情況下,通過計(jì)算車輛的運(yùn)動(dòng)和行程,并校正數(shù)字羅盤的讀數(shù),MEMS可替代建筑物和城市內(nèi)的GPS信號導(dǎo)航。ST的加速計(jì)還可集成在洗衣機(jī)等家電產(chǎn)品中充當(dāng)振動(dòng)檢測器,當(dāng)機(jī)器內(nèi)的負(fù)荷失衡時(shí),檢測器會(huì)通知用戶,防止機(jī)器在出現(xiàn)故障前被過早的磨損。

ST半導(dǎo)體加工技術(shù)還被成功地用于開發(fā)各種MEMS熱射流器件。ST長期為HP提供加熱式噴墨打印頭。打印頭芯片內(nèi)含有數(shù)百個(gè)微型通道,這些墨水通道與相應(yīng)的裝滿墨水的微型墨盒相連。制造在同一芯片上的加熱元件與控制電路將墨水蒸發(fā),然后把微小的墨水氣泡噴射到打印紙上。而ST與Agilent合作開發(fā)的光開關(guān)矩陣產(chǎn)品是MEMS熱射流產(chǎn)品的另一個(gè)創(chuàng)新應(yīng)用的代表。這個(gè)創(chuàng)新的光子開關(guān)平臺(tái),利用一個(gè)快速地溫度變化周期在透明的液體薄膜上產(chǎn)生（去除）微小氣泡,以便在光通道內(nèi)反射光束實(shí)現(xiàn)開關(guān)的目的。

在醫(yī)療衛(wèi)生行業(yè)創(chuàng)新過程中,代表ST創(chuàng)新能力的單片實(shí)驗(yàn)室解決方案,用成本低廉的一次性工具取代了既昂貴又耗時(shí)的實(shí)驗(yàn)室分析方法。2004年ST推出了市場上第一個(gè)生物芯片In-Check產(chǎn)品平臺(tái),通過精確控制加熱過程對微量的DNA樣品進(jìn)行擴(kuò)增。由于片上實(shí)驗(yàn)室反應(yīng)時(shí)間很短、分析過程更加精確并可以自動(dòng)調(diào)節(jié),相較于傳統(tǒng)診斷系統(tǒng),MEMS的小外形、低耗電、微量試劑大大節(jié)省了成本。

Benedetto Vigna表示,隨著全球半導(dǎo)體工業(yè)繼續(xù)將研發(fā)力量集中于主流的CMOS技術(shù),能夠駕馭硅的機(jī)械和光學(xué)特性將會(huì)成為領(lǐng)先供應(yīng)商一個(gè)日益重要的差異化因素。ST不僅在利用硅的電氣特性方面居世界領(lǐng)先水平,還是同時(shí)開發(fā)硅的電氣、機(jī)械和光學(xué)特性的先驅(qū)和領(lǐng)導(dǎo)者。