未來(lái)10年智能傳感器怎么發(fā)展？美國(guó)發(fā)布最新MEMS路線圖

此前，美國(guó)半導(dǎo)體工業(yè)協(xié)會(huì)（下文簡(jiǎn)稱“SIA”）和美國(guó)半導(dǎo)體研究聯(lián)盟（下文簡(jiǎn)稱“SRC”），聯(lián)合發(fā)布了未來(lái)10年（2023-2035）全球半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)展路線圖——微電子和先進(jìn)封裝技術(shù)路線圖（下文簡(jiǎn)稱“MAPT”）。

MAPT全文共11章，多達(dá)211頁(yè)，全面分析了未來(lái)10年全球半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的主要應(yīng)用需求，以及半導(dǎo)體各細(xì)分行業(yè)未來(lái)的技術(shù)進(jìn)步和發(fā)展路線，這些細(xì)分領(lǐng)域包括了：數(shù)字處理、高級(jí)封裝和異構(gòu)繼承、模擬和混合信號(hào)半導(dǎo)體、硅光技術(shù)和MEMS、半導(dǎo)體工藝、設(shè)計(jì)建模和測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)、半導(dǎo)體材料以及供應(yīng)鏈。

就傳感器領(lǐng)域而言，MAPT獨(dú)立章節(jié)討論了MEMS技術(shù)對(duì)傳感器/執(zhí)行器發(fā)展的影響，以及未來(lái)10年傳感器的技術(shù)發(fā)展路線。

MAPT脫胎于知名的國(guó)際半導(dǎo)體技術(shù)路線圖（下文簡(jiǎn)稱“ITRS”），ITRS由SIA聯(lián)合歐洲和亞洲半導(dǎo)體行業(yè)共同發(fā)布，為全球半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)提供技術(shù)指引，從20世紀(jì)末到2015年持續(xù)發(fā)布，隨著摩爾定律的發(fā)展到達(dá)尾聲，難以再為行業(yè)提供技術(shù)指引，ITRS在2015年發(fā)布最后一個(gè)版本后終結(jié)。而MAPT作為ITRS的后繼者，時(shí)隔8年后于近期發(fā)布。

美國(guó)作為全球半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)最先進(jìn)和發(fā)達(dá)的國(guó)家，SIA是全球最大的半導(dǎo)體工業(yè)協(xié)會(huì)，SRC則是世界級(jí)的半導(dǎo)體技術(shù)研發(fā)聯(lián)盟，MAPT路線圖對(duì)全球半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)未來(lái)技術(shù)發(fā)展具有戰(zhàn)略參考價(jià)值。

下文，我們來(lái)看一下MAPT中描述的未來(lái)10年MEMS及傳感器技術(shù)的發(fā)展建議和技術(shù)路線。

如需《Microelectronics and Advanced Packaging Technologies Roadmap》（微電子和先進(jìn)封裝技術(shù)路線圖MAPT）PDF原文檔（英文，211P），可在傳感器專(zhuān)家網(wǎng)公眾號(hào)對(duì)話框回復(fù)關(guān)鍵詞【資料下載】（不帶中括號(hào)），在資源下載頁(yè)面中查找到《SRC-MAPT-Roadmap-2023.pdf》文檔下載即可。

Part 6.光子學(xué)和MEMS（Photonics and MEMS）

以下為本部分內(nèi)容中文簡(jiǎn)要翻譯，限于譯者水平所限，部分翻譯并不準(zhǔn)確，請(qǐng)以英文原文為準(zhǔn)。同時(shí)限于文章篇幅，原文中部分光子學(xué)內(nèi)容略有省略，本文主要集中于MEMS和傳感器技術(shù)，以及傳感器上下游通信、計(jì)算、存儲(chǔ)等相關(guān)探討。

與原文對(duì)應(yīng)，文中用不同顏色標(biāo)注（趨勢(shì)）、（有前景的技術(shù)）、（關(guān)鍵發(fā)現(xiàn)）、（挑戰(zhàn)）、（需要基礎(chǔ)能力）等關(guān)鍵段落。

下面為本部分目錄：

6.1.介紹（Introduction） 6.2.面向未來(lái)10年的傳感器（Sensors for the Next Decade） 6.3.通信（Communication） 6.4.計(jì)算和存儲(chǔ)（Computing and Memory） 6.5.光子學(xué)和MEMS的新材料新工藝（New Materials and Processes for Photonics and MEMS） 6.6.最先進(jìn)的技術(shù)/產(chǎn)品示例（State of the Art / Product Examples） 6.7.當(dāng)前的技術(shù)限制（Limitations with Current Technology） 6.8.挑戰(zhàn)、未來(lái)需求和可能的解決方案（Challenges, Future Needs,and Possible solutions）

6.1 介紹（Introduction）

隨著晶體管 2D 尺寸縮小速度放緩和 2.5D/3D 封裝技術(shù)的成熟，采用集成光子學(xué)技術(shù)構(gòu)建、在 CMOS 晶圓廠制造并使用先進(jìn) IC 封裝技術(shù)的光收發(fā)器和互連的開(kāi)發(fā)開(kāi)始成為一項(xiàng)更關(guān)鍵的技術(shù)創(chuàng)新。（趨勢(shì)）

與數(shù)據(jù)處理（計(jì)算）和存儲(chǔ)芯片位于同一封裝中的光收發(fā)器稱為共封裝光學(xué)器件或 CPO。包含有源光子器件和相關(guān)光子電路的芯片稱為 PIC（光子集成電路）。

這些 PIC 將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)，并在封裝間以及封裝內(nèi)的計(jì)算核心和存儲(chǔ)器之間在光域中傳輸數(shù)據(jù)。CPO 最重要的技術(shù)方向是增加帶寬密度和提高能源效率，這是由計(jì)算能力和通信帶寬不斷增長(zhǎng)的需求驅(qū)動(dòng)的兩個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)。這一需求尤其受到先進(jìn)的人工智能、機(jī)器學(xué)習(xí)，對(duì)加速器和計(jì)算集群快速增長(zhǎng)和部署的影響，這些加速器和計(jì)算集群正在將互連帶寬、功效和更低延遲的界限從芯片級(jí)推向由數(shù)千個(gè) GPU、CPU 和內(nèi)存 IC 組成的大型系統(tǒng)。

雖然共封裝光器件使數(shù)據(jù)傳輸更加高效，但光學(xué)傳感器和執(zhí)行器在數(shù)據(jù)收集和操作中發(fā)揮著越來(lái)越大的作用。這些傳感器和執(zhí)行器對(duì)于電視、頭燈、投影儀和 DNA 分析芯片等產(chǎn)品至關(guān)重要。

其中許多傳感器都是采用微機(jī)電系統(tǒng) (MEMS) 技術(shù)構(gòu)建的。MEMS 器件和制造技術(shù)還用于調(diào)諧、調(diào)制或調(diào)節(jié)可調(diào)諧濾波器、激光器和光纖等光學(xué)器件的對(duì)準(zhǔn)，從而應(yīng)用于近紅外 (NIR) 材料分析掃描儀等新產(chǎn)品。此外，MEMS和PIC的結(jié)合將實(shí)現(xiàn)突破性的創(chuàng)新產(chǎn)品。

傳感器的小型化推動(dòng)了遠(yuǎn)程醫(yī)療的革命，使人們可以在偏遠(yuǎn)地區(qū)或家中進(jìn)行診斷，提供侵入性較小的手術(shù)替代方案，并實(shí)現(xiàn)可植入或可穿戴的傳感器和神經(jīng)探針。微型傳感器也促進(jìn)了數(shù)字孿生技術(shù)的普及，醫(yī)生可以通過(guò)遠(yuǎn)程模擬手段進(jìn)行手術(shù)，數(shù)字孿生技術(shù)提供更準(zhǔn)確的身體可視化，從而進(jìn)行更好的診斷。

傳感器也使智能家居、智慧城市和先進(jìn)制造設(shè)備的創(chuàng)新成為可能。新型化學(xué)傳感器可以檢測(cè)氣體，用于監(jiān)測(cè)建筑物中的污染和空氣質(zhì)量。

物聯(lián)網(wǎng)（IoT）的實(shí)現(xiàn)基于小型、低功耗傳感器的可用性。傳感器還將在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)、預(yù)測(cè)性維護(hù)、國(guó)防和航空等領(lǐng)域找到關(guān)鍵應(yīng)用。

在未來(lái)十年，手持和可穿戴設(shè)備的市場(chǎng)預(yù)計(jì)將繼續(xù)快速增長(zhǎng)。此外，人工智能驅(qū)動(dòng)的機(jī)器人和自動(dòng)駕駛汽車(chē)將得到廣泛應(yīng)用。所有這些應(yīng)用都需要具有高帶寬互連的更復(fù)雜、更可靠、成本更低的傳感器。

6.2 面向未來(lái)10年的傳感器（Sensors for the Next Decade）

智能手機(jī)的成功在很大程度上是由成本、尺寸、性能和網(wǎng)絡(luò)寬帶驅(qū)動(dòng)的。穩(wěn)健的傳感器設(shè)計(jì)對(duì)手機(jī)的GPS、陀螺儀、加速度計(jì)、壓力傳感器、磁力計(jì)、光學(xué)圖像傳感器、麥克風(fēng)和指紋傳感器的成功至關(guān)重要。

在過(guò)去的五年里，傳感器的靈敏度和精度提高了十倍，而在這段時(shí)間里，功率、成本和尺寸減少到原來(lái)的五分之一。（趨勢(shì)）這些趨勢(shì)預(yù)計(jì)將持續(xù)下去。

物理模型和人工智能在設(shè)計(jì)工具中的融合使得基于 MEMS 的產(chǎn)品設(shè)計(jì)變得更好。這些傳感器的集成可以無(wú)縫執(zhí)行導(dǎo)航航位推算、穩(wěn)定性控制、碰撞檢測(cè)、自適應(yīng)照明、圖像穩(wěn)定和牽引力控制等活動(dòng)。更好的傳感器性能意味著更高的信噪比 (SNR)、更高的動(dòng)態(tài)范圍和亞毫瓦級(jí)功耗。

具有附加功能的傳感器同樣被需要。例如，需要比硅更小帶隙的硅摻雜集成元件，在短波紅外（SWIR）下工作，才能實(shí)現(xiàn)人眼安全的高分辨率遠(yuǎn)程激光雷達(dá)（光探測(cè)和測(cè)距）。此外，還希望將這些傳感器封裝在超小型封裝中。靈活封裝是對(duì)可穿戴設(shè)備和醫(yī)療應(yīng)用非常重要的另一個(gè)新興領(lǐng)域。（有前景的技術(shù)）

接近傳感器的計(jì)算和智能處理對(duì)能效和延遲至關(guān)重要，而硬件和軟件協(xié)同優(yōu)化是協(xié)作的重要載體。TinyML（www.TinyML.org）是傳感器和致動(dòng)器另一個(gè)快速增長(zhǎng)的熱點(diǎn)領(lǐng)域。該領(lǐng)域包括硬件、算法和軟件，無(wú)論是近端設(shè)備還是邊緣設(shè)備。例如，它可能位于物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)管理和計(jì)算機(jī)解決方案邊緣的傳感器上。通常，消耗約1mW的功率，對(duì)傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行機(jī)器學(xué)習(xí)推斷是在本地進(jìn)行的。

隨著TinyML在未來(lái)十年內(nèi)通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)的擴(kuò)散而增長(zhǎng)（有前景的技術(shù)），熱點(diǎn)領(lǐng)域?qū)ǖ凸膯拘央娐?；非易失性存?chǔ)器，與使用先進(jìn)硅節(jié)點(diǎn)構(gòu)建的硅集成；以及有效利用具有毫瓦級(jí)功率預(yù)算的有限存儲(chǔ)器/計(jì)算機(jī)資源的機(jī)器學(xué)習(xí)算法。

硅光子學(xué)有望為多種應(yīng)用擴(kuò)展頻率和帶寬，從傳感和互連到通信和計(jì)算。用于健康/醫(yī)療傳感的先進(jìn)光學(xué)傳感器，包括血糖檢測(cè)、血壓和心臟病標(biāo)志物，以及用于汽車(chē)應(yīng)用的傳感器，如激光雷達(dá)，提供了重要的增長(zhǎng)機(jī)會(huì)。這些傳感器的一個(gè)重要問(wèn)題是實(shí)現(xiàn)傳感解決方案的準(zhǔn)確性和可靠性。（關(guān)鍵發(fā)現(xiàn)）

需要進(jìn)一步開(kāi)發(fā)光學(xué)相控陣和光柵，為ADAS（高級(jí)駕駛員輔助系統(tǒng)）激光雷達(dá)系統(tǒng)提供真正的固態(tài)光束轉(zhuǎn)向。固態(tài)光束轉(zhuǎn)向?qū)⒔档统杀?，提高可靠性，并縮小激光雷達(dá)掃描系統(tǒng)（有前景的技術(shù)），所有這些都是實(shí)現(xiàn)SAE 3級(jí)及以上自動(dòng)駕駛汽車(chē)大規(guī)模生產(chǎn)所必需的。

量產(chǎn)車(chē)輛中的ADAS激光雷達(dá)系統(tǒng)也需要將發(fā)射器與OPA（光學(xué)相控陣）/光柵元件和檢測(cè)器與點(diǎn)云處理進(jìn)行芯片級(jí)集成。這些元件的集成可以通過(guò)元件的共同設(shè)計(jì)和晶圓級(jí)混合鍵合或類(lèi)似方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。

傳感器數(shù)據(jù)通常是可信的，因此使用它的系統(tǒng)通常不需要進(jìn)一步的安全檢查。因此，利用傳感器設(shè)計(jì)來(lái)解釋的某些物理現(xiàn)象會(huì)導(dǎo)致不希望的行動(dòng)。

例如，只需播放嵌入不易聽(tīng)到的聲音的 YouTube 視頻，就可以欺騙智能手機(jī)上的 MEMS 加速度計(jì)來(lái)測(cè)量步數(shù)。使用這種方法甚至可以進(jìn)行信息交流。例如，通過(guò)窗戶照射激光，犯罪者可以將命令注入語(yǔ)音控制系統(tǒng)。因此，集成MEMS器件的安全性是一個(gè)需要解決的挑戰(zhàn)，以防止惡意的數(shù)據(jù)篡改。MEMS可能是安全解決方案的一部分，因?yàn)镸EMS設(shè)備可以作為物理安全機(jī)制的一部分來(lái)保護(hù)電路免受篡改。

傳感器制造和設(shè)計(jì)的趨勢(shì)包括（趨勢(shì)）：

?用基于CMOS-MEMS的諧振器取代晶體振蕩器，以實(shí)現(xiàn)新的架構(gòu)、改進(jìn)的性能和去除芯片外無(wú)源器件

?在手持超聲波等應(yīng)用中使用壓電MEMS傳感器和致動(dòng)器，以及改進(jìn)和小型化的揚(yáng)聲器和麥克風(fēng)。

?全套技術(shù)，可以使用新的低成本材料和制造技術(shù)，大批量提供更便宜的傳感器，同時(shí)為關(guān)鍵任務(wù)（如GPS導(dǎo)航）創(chuàng)建高精度的傳感器。

?服裝和織物中的傳感器創(chuàng)造了新的需求，與手機(jī)、戒指、身體貼片和手表傳感器競(jìng)爭(zhēng)。這里的許多創(chuàng)新也有軍事用途?；诳椢锏膫鞲衅髡谕苿?dòng)對(duì)互連、可靠性和耐用性的新要求。

?MEMS推動(dòng)了量子計(jì)算的進(jìn)步，因?yàn)镸EMS結(jié)構(gòu)用于使量子比特能夠與外界通信。

與許多電子產(chǎn)品不同，傳感器采用多種制造工藝制造，這些制造工藝通常特定于應(yīng)用或傳感器類(lèi)型。根據(jù)傳感器的不同，它可能需要是開(kāi)放的，以感知其環(huán)境，同時(shí)也受到保護(hù)，免受不必要的環(huán)境影響， 有些傳感器更適合密封包裝。滿足特定傳感器架構(gòu)獨(dú)特封裝需求的關(guān)鍵因素包括采用不同制造技術(shù)制造的傳感器的封裝，以及柔性基板上柔性和剛性傳感器的組合。 一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)是，對(duì)于某些應(yīng)用，傳感器封裝解決方案的標(biāo)準(zhǔn)化正在開(kāi)始出現(xiàn)，這使得供應(yīng)鏈更加高效。

傳感器與相關(guān)電子設(shè)備的集成可以通過(guò)多種方式實(shí)現(xiàn)。傳感器可以通過(guò)特殊的兼容工藝構(gòu)建在與電子器件相同的芯片上，也可以作為后處理在 CMOS 頂部/底部創(chuàng)建，或者作為為單獨(dú)的芯片。

MEMS也可以由CMOS堆疊構(gòu)建，一些研究人員甚至使用finfet結(jié)構(gòu)作為傳感元件的基礎(chǔ)。分離芯片或后處理允許使用先進(jìn)的CMOS節(jié)點(diǎn)和優(yōu)化的MEMS工藝。這些不同的集成策略對(duì)封裝、材料選擇、制造和組裝都有影響。在可預(yù)見(jiàn)的未來(lái)，這些策略中的每一項(xiàng)都將有一個(gè)利基市場(chǎng)。

集成和功率/面積效率方面，在光-電-光轉(zhuǎn)換和接口仍然面臨挑戰(zhàn)。（挑戰(zhàn)）必須解決這些挑戰(zhàn)以擴(kuò)大該技術(shù)的應(yīng)用。

6.3 通信（Communication）

在MEMS領(lǐng)域，光開(kāi)關(guān)正在取代OEO開(kāi)關(guān)（趨勢(shì)）。基于MEMS的可調(diào)諧濾波器和電容器、RF開(kāi)關(guān)和上述MEMS諧振器允許新的架構(gòu)和更高級(jí)別的集成，從而減少占用面積并簡(jiǎn)化封裝。這些高級(jí)組件正在開(kāi)啟通信電路和系統(tǒng)設(shè)計(jì)創(chuàng)新的全新時(shí)代。使用MEMS也可以提高通信組件的可調(diào)諧性、對(duì)準(zhǔn)和校準(zhǔn)。

6.4 計(jì)算和存儲(chǔ)（Computing and Memory）

基于MEMS的產(chǎn)品需要更多的板載計(jì)算來(lái)生產(chǎn)更智能的傳感器。MEMS 制造商不滿足于僅提供原始傳感器數(shù)據(jù)輸出，還“向食物鏈上游移動(dòng)”。如今，典型的 MEMS 傳感器可提供智能操作或其他處理數(shù)據(jù)。這是智能邊緣處理趨勢(shì)的一部分。計(jì)算與傳感相結(jié)合的架構(gòu)正在迅速變化，影響著 CMOS-MEMS 集成和先進(jìn)封裝。

6.5 光子學(xué)和MEMS的新材料新工藝（New Materials and Processes for Photonics and MEMS）

為了實(shí)現(xiàn)更高的性能和更高的集成密度，創(chuàng)新的半導(dǎo)體工藝平臺(tái)包括 SOI/Ge 基光子學(xué)；通過(guò)外延生長(zhǎng)、晶圓/芯片鍵合或光源、調(diào)制器和探測(cè)器的腔內(nèi)激光附著，將 III-V 族材料集成在硅晶圓上；以及基于除等離子體分散效應(yīng)之外的物理效應(yīng)的有源器件（等離子體、石墨烯）。

用于混合集成的鈮酸鋰和鈦酸鋇薄膜是高頻調(diào)制的推動(dòng)者，而利用 3D 打印用于激光封裝互連的光子引線鍵合是其他需要進(jìn)一步研究的領(lǐng)域。高帶寬、低傳輸損耗和低功率的光學(xué)芯片到芯片互連也需要在基板/PCB中的嵌入式波導(dǎo)方面取得進(jìn)展。重要的是要確保低成本、高可靠性的材料光電記錄包在長(zhǎng)時(shí)間和寬溫度范圍內(nèi)保持穩(wěn)定的性能，同時(shí)保持低熱滯后和低損耗特性，因此需要較低的總能耗。

對(duì)于某些需要兼容CMOS 工藝同時(shí)提高慣性傳感器性能，以及 RF 濾波器功率處理能力的傳感器和執(zhí)行器，需要探索鎢或其他高原子質(zhì)量金屬等新材料以減少占用面積。（有前景的技術(shù)）

基于氮化鋁的 CMOS 兼容工藝平臺(tái)也正在探索中，具有更高力密度和線性度的新型壓電和相變存儲(chǔ)傳感器也正在研究中，這些用于傳感器和執(zhí)行器的新型材料將反過(guò)來(lái)引發(fā)需要溫度和濕度控制的包裝材料和技術(shù)的創(chuàng)新。

慣性傳感器的兩個(gè)重要材料驅(qū)動(dòng)因素是防止機(jī)械設(shè)備粘附在基板上的能力（需要基礎(chǔ)能力），以及具有良好CTE匹配的材料組，以防止不必要的彎曲和應(yīng)力，尤其是來(lái)自包裝的彎曲和應(yīng)力。

這些傳感器還需要改進(jìn)的低成本吸氣劑材料以及耐磨、防粘連、防腐蝕和電荷消除涂層。對(duì)于化學(xué)傳感器，材料要求是促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)以可重復(fù)且穩(wěn)定的方式進(jìn)行。對(duì)聲學(xué)傳感器/致動(dòng)器材料（例如麥克風(fēng)/揚(yáng)聲器）的一些需求是促進(jìn)受控運(yùn)動(dòng)以產(chǎn)生、移動(dòng)和檢測(cè)聲音。

由于器件必須承受大量的循環(huán)運(yùn)動(dòng)，MEMS 材料的一個(gè)關(guān)鍵特征是它們可預(yù)測(cè)變形但不會(huì)疲勞。備受推崇的光學(xué)傳感器/執(zhí)行器材料包括那些能夠形成平坦、反射表面、不易變形并具有適當(dāng)光學(xué)特性的材料。在 RF MEMS 開(kāi)關(guān)中，可靠接觸材料的開(kāi)發(fā)仍然很重要。

有幾種新興的下一代材料適用于光子學(xué)和 MEMS 應(yīng)用，應(yīng)該考慮批量生產(chǎn)。需要進(jìn)行前體表征工作，將這些材料集成到半導(dǎo)體制造中，并開(kāi)發(fā)自動(dòng)化前端制造設(shè)備來(lái)應(yīng)用或去除這些材料。下面的表 6.1 列出了一些示例。

表6.1：用于光子學(xué)和微機(jī)電系統(tǒng)/傳感的新材料（可上下滑動(dòng)查看）

6.6 最先進(jìn)的技術(shù)/產(chǎn)品示例（State of the Art / Product Examples） 將光子學(xué)引入 IC 封裝的努力已經(jīng)開(kāi)始。近年來(lái)，一些初步產(chǎn)品展示了從獨(dú)立收發(fā)器到 CPO 或?qū)?CPO 設(shè)計(jì)的光學(xué)引擎的轉(zhuǎn)變。 這些早期CPO產(chǎn)品的示例如圖6.1和6.2所示。圖6.1顯示了Ranovus Odin光學(xué)收發(fā)器，工作速度為896Gbps，與AMD/Xilinx的Versal FPGA集成在同一封裝基板上。它在 2022 年光纖通信 (OFC) 會(huì)議上進(jìn)行了演示。

▲圖6.1，AMD Xilinx Versal ACAP 與 Ranovus 的 Odin 模擬驅(qū)動(dòng) CPO 2.0 共同封裝 圖6.2描述了Ayar Labs的TeraPHY光學(xué)收發(fā)器與數(shù)據(jù)處理IC集成，TeraPHY 以 8-λ WDM（波分復(fù)用）方式運(yùn)行，并由 8-λ 光源 SuperNova 支持。

▲圖6.2，Ayar Labs 的 TeraPHY 光收發(fā)器和 SuperNova 激光源 最先進(jìn)的 MEMS 產(chǎn)品將多個(gè)傳感器與電子設(shè)備相結(jié)合，提供高水平輸出，并由板載低功耗電子設(shè)備進(jìn)行處理，這些電子設(shè)備通常結(jié)合 AI 和高級(jí)校準(zhǔn)。Bosch、ST、Invensense、Analog Devices、Texas Instruments 等公司的產(chǎn)品均附帶可插入系統(tǒng)的 API。 新興的 MEMS 產(chǎn)品融合了傳感器/執(zhí)行器制造技術(shù)、材料和設(shè)計(jì)方面的進(jìn)步。新興產(chǎn)品的一些例子是： ?基于MEMS的揚(yáng)聲器 ?可感知多種物種的化學(xué)傳感器 ?用于手持式成像儀器的超聲波陣列 ?可與CMOS集成的BAW器件

圖 6.3 給出了最先進(jìn)的 MEMS 產(chǎn)品的示例。它展示了 eXo Imaging 低電壓 pMUT 陣列芯片：Exo Silicon。 Exo Silicon將壓電晶體的卓越性能與硅的經(jīng)濟(jì)性相結(jié)合。每個(gè)芯片包含 4096 個(gè)獨(dú)立控制的 pMUT，具有大帶寬、無(wú)與倫比的靈敏度，并能夠提供高達(dá)150度的超寬視場(chǎng)。Exo 的芯片架構(gòu)可快速提升成像質(zhì)量，并提供實(shí)時(shí) AI 功能，可以分析每一幀以指導(dǎo)用戶立即給出解決方案。 展望未來(lái)，pMUT 技術(shù)有望實(shí)現(xiàn)強(qiáng)大的 3D成像，并有可能實(shí)現(xiàn)4D成像。護(hù)理人員將能夠更好地觀察患者，從而更快地做出診斷，

▲圖6.3，Exo Imaging的pMUT芯片

6.7 當(dāng)前的技術(shù)限制（Limitations with Current Technology）

由于 MEMS 器件通常需要定制工藝，因此很難創(chuàng)建高度標(biāo)準(zhǔn)化的類(lèi)似 CMOS 的平臺(tái)。例如，磁傳感器可能需要慣性傳感器不需要的材料。一些制造商試圖提供在同一芯片上制造多種傳感器類(lèi)型的制造工藝，但成本和性能驅(qū)動(dòng)因素通常決定定制工藝。因此，MEMS 器件制造工藝及其相關(guān)封裝必須進(jìn)行協(xié)同設(shè)計(jì)。另一個(gè)限制因素是沒(méi)有像 CMOS 那樣的基本元件，即晶體管。 測(cè)試方法通常是傳感器工作原理或應(yīng)用程序獨(dú)有的，因此測(cè)試和組裝基礎(chǔ)設(shè)施、生態(tài)系統(tǒng)和供應(yīng)鏈比以前的電子學(xué)更復(fù)雜。在這些領(lǐng)域已經(jīng)取得了很大進(jìn)展，但這些問(wèn)題仍然限制了MEMS技術(shù)的廣泛采用，使基于MEMS的產(chǎn)品的上市時(shí)間成為一個(gè)問(wèn)題。隨著MEMS市場(chǎng)的持續(xù)快速增長(zhǎng)，更多的供應(yīng)商將提供MEMS產(chǎn)品，情況也將有所改善。

6.8 挑戰(zhàn)、未來(lái)需求和可能的解決方案（Challenges, Future Needs,and Possible solutions）

傳感器/執(zhí)行器應(yīng)用需要解決幾個(gè)領(lǐng)域的技術(shù)和供應(yīng)鏈挑戰(zhàn)： CAD設(shè)計(jì) ?傳感器/執(zhí)行器的非線性降階建模 ?MEMS 協(xié)同設(shè)計(jì)（傳感器/電子和封裝） ?PDK（工藝設(shè)計(jì)套件），具有所有相關(guān)物理領(lǐng)域的材料特性 材料 ?新材料在所有相關(guān)物理領(lǐng)域的表征 ?材料合成工具，用于發(fā)現(xiàn)和優(yōu)化具有所需性能的材料 ?彎曲和拉伸材料的特性，尤其是可穿戴設(shè)備 標(biāo)準(zhǔn) ?材料彎曲和拉伸性能標(biāo)準(zhǔn) ?傳感器性能FOM標(biāo)準(zhǔn) ?新興技術(shù)的可靠性和測(cè)試標(biāo)準(zhǔn) 勞動(dòng)力發(fā)展 ?對(duì)MEMS所需的多個(gè)物理領(lǐng)域的學(xué)生進(jìn)行培訓(xùn)（如機(jī)械和電子） ?培訓(xùn)使本科生和碩士生能夠更充分地參與MEMS和光子學(xué)設(shè)計(jì)，就像VLSI一樣 CMOS與多傳感器集成 ?必須繼續(xù)使用新的封裝方法實(shí)現(xiàn)從堆疊式、引線鍵合式傳感器的過(guò)渡，以實(shí)現(xiàn)更大的異構(gòu)集成 傳感器設(shè)計(jì)和制造改進(jìn) ?通過(guò)使用現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)、多個(gè)傳感器和/或與其他非 MEMS 傳感器組合，將慣性傳感器改進(jìn)為導(dǎo)航級(jí) ?改進(jìn)的設(shè)計(jì)和制造方法，以及工藝窗口的增強(qiáng)，以補(bǔ)償制造的非理想性 ?基于 MEMS 的能量采集器必須提高換能器轉(zhuǎn)換功率輸出百分比，才能與太陽(yáng)能和熱電設(shè)備競(jìng)爭(zhēng) ?繼續(xù)開(kāi)發(fā)低功率和接近零功率的傳感器，以滿足能源需求 ?光學(xué)葡萄糖傳感器必須變得更加準(zhǔn)確，才能與基于針頭的電化學(xué)傳感器競(jìng)爭(zhēng) ?紙和塑料傳感器的精度必須提高，才能與硅基傳感器競(jìng)爭(zhēng) ?繼續(xù)研究原子鐘技術(shù)，以取代大型器件