MEMS技术

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。