MEMS實(shí)現(xiàn)了具有感知、控制和執(zhí)行能力的增強(qiáng)型微系統(tǒng)

MEMS有各種尺寸和功能，從微型化的傳感器芯片，到獨(dú)特的微納米架構(gòu)，可以感知、測(cè)量、傳輸并控制幾乎所有傳感模式。MEMS實(shí)現(xiàn)了具有感知、控制和執(zhí)行能力的增強(qiáng)型微系統(tǒng)，這在十多年前幾乎無法想象。

MEMS傳感器

SMART Microsystems是從事MEMS研發(fā)的公司之一，該公司專門致力于微電子裝配，具有環(huán)境壽命測(cè)試和失效分析能力。

SMART Microsystems董事、總經(jīng)理Matt Apanius表示：“我們的產(chǎn)品種類繁多，其中大部分都是傳感器，其中包括MEMS。當(dāng)客戶需要為新產(chǎn)品提供定制化裝配時(shí)，我們通常會(huì)與他們合作研發(fā)。我們的客戶可能不一定是財(cái)富500強(qiáng)企業(yè)，但他們往往是這些大公司的供應(yīng)商?！?/p>

與這類客戶合作，SMART Microsystems必須始終處于微電子產(chǎn)品創(chuàng)新的前沿。Apanius 稱：“我們樂于跟客戶密切合作，以確保材料要求以及我們開發(fā)的工藝能夠達(dá)到設(shè)計(jì)和成本目標(biāo)?！?/p>

據(jù)麥姆斯咨詢介紹，DunAn Sensing（盾安傳感）是另一家MEMS傳感器公司，專注于生產(chǎn)MEMS壓力傳感器。據(jù)盾安傳感銷售和營(yíng)銷副總裁Gary Winzeler表示，盾安傳感制造壓力傳感器芯片，然后對(duì)它們進(jìn)行各種不同的封裝。

“我們的產(chǎn)品直接供向大型暖通空調(diào)設(shè)備（HVAC）、制冷設(shè)備、冷凍機(jī)以及任何使用制冷循環(huán)的設(shè)備制造商，”Winzler說，“即使是電動(dòng)汽車制造商也在使用制冷設(shè)備來冷卻電池。這是一個(gè)很大的市場(chǎng)，而且還在不斷增長(zhǎng)?！?/p>

Roger Grace Associates總裁Roger H. Grace已經(jīng)密切跟蹤這個(gè)不斷增長(zhǎng)的MEMS市場(chǎng)超過35年。Roger Grace Associates致力于為MEMS和其他先進(jìn)封裝領(lǐng)域的客戶提供各種市場(chǎng)和咨詢服務(wù)，他們專注于為傳感器和電子產(chǎn)業(yè)把脈，特別是器件開發(fā)和制造領(lǐng)域。

“我們開展的研究有助于我們的客戶更好地了解他們需要繞過的‘坑’，以幫助他們成功地進(jìn)入新的技術(shù)和產(chǎn)品開發(fā)領(lǐng)域，包括從產(chǎn)品規(guī)劃到推出，以及在此之間的所有事宜，” Grace表示，“我們幫助客戶確定他們的產(chǎn)品需要做什么，采用什么樣的封裝以實(shí)現(xiàn)這些功能，甚至這些產(chǎn)品應(yīng)該被設(shè)計(jì)成什么樣子。要制造一款產(chǎn)品，首先需要具有完整的功能，并為設(shè)計(jì)目標(biāo)確定最佳的傳感器?！?/p>

技術(shù)挑戰(zhàn)

“封裝、測(cè)試和制造方法都由MEMS器件的應(yīng)用所決定，”SMART Microsystems公司Matt Apanius說，“器件的分辨率越高，意味著具有更多互連的大尺寸芯片。由于許多原因，具有大像素陣列的芯片存在一定的挑戰(zhàn)性。常見的封裝問題，例如機(jī)械應(yīng)力和隔熱，變得更加難以處理。此外，芯片本身的成本也會(huì)很高，使得裝配良率變得更加重要?！?/p>

Apanius說：“晶圓的雙面加工一直是MEMS技術(shù)的一部分。在過去十年左右的時(shí)間里，IC產(chǎn)業(yè)采用了硅通孔（TSV）技術(shù)來支持高密度互連。盡管這些都取得了顯著發(fā)展，但我們的客戶在互連方面依然青睞引線鍵合，我們幾乎所有的工藝都涉及引線鍵合。”

盾安傳感的Gary Winzeler表示，盾安傳感的目標(biāo)市場(chǎng)首先是制冷壓力測(cè)量、熱泵、HVAC系統(tǒng)以及所有使用HVAC系統(tǒng)和設(shè)備的產(chǎn)業(yè)。

“對(duì)于一款標(biāo)準(zhǔn)的MEMS器件，為了接入高腐蝕和嚴(yán)苛介質(zhì)的環(huán)境，目前通常用不銹鋼隔膜保護(hù)MEMS，然后在兩者之間注油。這種方案成本高且耗時(shí)，需要額外的機(jī)械加工部件，而且注油成本很昂貴，并且實(shí)際上會(huì)削弱MEMS芯片的精度和可重復(fù)性，”他解釋說，“我們換一種思路，想出了一種將芯片安裝到陶瓷上的方法，然后通過封裝連接，周圍不需要其他保護(hù)。下一步是我們剛剛發(fā)布的產(chǎn)品，已經(jīng)去除了O形環(huán)，使其更加堅(jiān)固?！?/p>

在開始瞄準(zhǔn)該市場(chǎng)的同時(shí)，盾安傳感也在尋求其它一系列應(yīng)用：泵制造商、閥門制造商、壓縮機(jī)制造商和氣體壓縮機(jī)廠商等。Winzeler稱，有很多應(yīng)用可以從我們的產(chǎn)品中受益。

產(chǎn)業(yè)顧問Grace提出，目前有多種平臺(tái)可以構(gòu)造傳感器，包括硅、紙、塑料和其它功能性結(jié)構(gòu)等。必須根據(jù)每種應(yīng)用，權(quán)衡功能、規(guī)格、特性以及相關(guān)的優(yōu)劣勢(shì)。每一位電子工程師大腦里的“設(shè)計(jì)工具箱”，都需要包括每種類型的傳感器及其技術(shù)。

“當(dāng)前和未來的成功產(chǎn)品都應(yīng)用了先進(jìn)的封裝和集成概念。這種封裝概念必須在產(chǎn)品開發(fā)周期的最初階段便引入。這是該解決方案的系統(tǒng)級(jí)方案（如圖1），”Grace說，“參與項(xiàng)目的每個(gè)人都必須在這個(gè)過程的早期階段聚集在一起，并在第一次會(huì)議中創(chuàng)建一個(gè)應(yīng)對(duì)所有設(shè)計(jì)問題的系統(tǒng)。在CAD系統(tǒng)中可以開發(fā)出優(yōu)秀的設(shè)計(jì)，但是當(dāng)涉及到制造的現(xiàn)實(shí)問題時(shí)，時(shí)常會(huì)發(fā)現(xiàn)無法完成設(shè)計(jì)的制造，又會(huì)再回到版圖設(shè)計(jì)部分，這就是為什么這么多新器件如此昂貴，甚至始終無法實(shí)現(xiàn)。我們所設(shè)計(jì)的器件必須能夠在其浸入的環(huán)境中生存，完成其工作，成本還不能太高，并且能讓我們獲利。在我看來，從互連到測(cè)試再到封裝，這一切都充滿真正的挑戰(zhàn)。”

圖1：設(shè)計(jì)人員在選擇傳感器時(shí)必須考慮一種系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，尤其是通常由ASIC實(shí)現(xiàn)的接口電路

SMART Microsystems公司的Apanius認(rèn)為，基于MEMS的小型化解決方案將繼續(xù)推動(dòng)市場(chǎng)發(fā)展?！斑@是SMART Microsystems的戰(zhàn)略。我們背后的系統(tǒng)集成商和制造商（如Parker Hannifin、Eaton、Rockwell Automation以及Nestle等），也都在考慮同樣的事情：如何獲得更多的收益？他們正在研究依賴傳感器等電子器件的基于數(shù)據(jù)的系統(tǒng)解決方案，”Apanius說，“這就是我們的切入點(diǎn)，我們?yōu)樗兄饕袠I(yè)提供定制化服務(wù)。我們現(xiàn)在看到一些不錯(cuò)的增長(zhǎng)趨勢(shì)，有幾個(gè)新項(xiàng)目正在走向成熟，我們對(duì)此感到非常興奮！”

盾安傳感的Winzeler表示，“盾安傳感推出了一系列新產(chǎn)品，這些產(chǎn)品采用革命性的方式連接MEMS和媒質(zhì)。我們這樣做是為了獲得一種非常低成本的封裝方法，同時(shí)保持高可靠性和經(jīng)濟(jì)性。我們還提出了一種將溫度傳感器與壓力傳感器整合在同一個(gè)MEMS封裝中的器件。在HVAC領(lǐng)域，特別是在制冷領(lǐng)域，客戶通常需要同時(shí)測(cè)量制冷劑的壓力和溫度。然后，他們可以計(jì)算過熱，以控制系統(tǒng)內(nèi)的各種風(fēng)扇、壓縮機(jī)和控制器?！?/p>

Winzler補(bǔ)充說，“為了達(dá)成目前所需的能效，對(duì)所有參數(shù)的控制至關(guān)重要，因此，客戶希望可以在同一測(cè)量點(diǎn)完成所有這些工作。因此，我們將客戶所需要的技術(shù)結(jié)合在一起，為他們提供雙輸出的器件，實(shí)現(xiàn)單點(diǎn)的所有參數(shù)測(cè)量。在我們的無O型環(huán)MEMS封裝（如圖2）中，將封裝注塑成型為非常堅(jiān)固且具有出色環(huán)境接口的單個(gè)器件。它可以浸沒在水中，承受極高的濕度和劇烈的振動(dòng)。相比目前市場(chǎng)上的其他器件，我們的這款產(chǎn)品具有更好的結(jié)構(gòu)和環(huán)境保護(hù)性能?！?/p>

圖2：用于環(huán)境保護(hù)的注塑成型封裝

Winzeler所能給出的最好的建議是，所有開發(fā)未來技術(shù)的公司都應(yīng)該走出去，與客戶交流?！澳惚仨氄业浆F(xiàn)實(shí)生活中的需求，然后回過頭來開發(fā)解決方案。許多公司的規(guī)模變得很大，以至于使他們失去了與客戶一對(duì)一的機(jī)會(huì)。如果公司可以解決客戶的問題，那么公司的規(guī)模大小就無關(guān)緊要。只要他們花時(shí)間去為客戶提供解決方案。隨著MEMS在壓力和溫度傳感領(lǐng)域的應(yīng)用，它們?cè)诿鎸?duì)腐蝕性介質(zhì)或者封裝方面，肯定會(huì)有所變化和發(fā)展。這一切都需要關(guān)注客戶的需求。”

Grace認(rèn)為，未來在于那些能夠測(cè)量心理化學(xué)/生物現(xiàn)象的傳感器市場(chǎng)，包括血液、汗液和淚液。這些和其他心理現(xiàn)象的測(cè)量，可以用于確定身體狀況的重要變化，例如運(yùn)動(dòng)員或老年人的脫水。鑒于這些需求，從生命周期來看，硅基MEMS等技術(shù)正逐漸成熟并走向衰落，同時(shí)，印刷/柔性技術(shù)即將崛起（如圖3）。

圖3：根據(jù)四大創(chuàng)新浪潮，硅基MEMS等技術(shù)正在走向成熟并終將走向衰落，而印刷/柔性技術(shù)正在崛起