MEMS遇见传感器，改变生活就此开始

　　2013年MEMS传感器市场的需求依然十分旺盛，这既有传统汽车和消费类市场的需求，也有新兴的工业、医疗、通信、测井、军工类的需求。室内导航应用会是促进新型MEMS气压计在2013起量的一个驱动因素;而随着人们对录音、视频通话等的质量要求越来越高，高信噪比的MEMS麦克风会用在越来越多的手机或平板电脑中，甚至是对麦克风要求极高的助听器中，随着高温MEMS器件通过越来越多的客户验证，在测井等极端工作领域，也会看到越来越多的MEMS产品，比如用于倾角和振动监测的加速度计，用于转速检测的陀螺仪等。而物联网和家庭医疗会是继汽车和消费类应用领域后，又一个杀手级的应用，其潜在的市场和增长趋势会像今天的智能手机一样。但目前该市场还缺乏统一的标准和客户的认知度，预计还需要2年左右的时间才会起量。

　　意法半导体大中华暨南亚区MEMS 和传感器产品市场经理Vincent Xu介绍，位于MEMS技术发展最前沿的意法半导体已经开始在一个封装内整合多个传感器：加速计、陀螺仪、地磁计、压力传感器，这个多路传感器一体化解决方案可大幅提升各种应用设备的功能性和性能。iNEMO是这种发展趋势的一个典型实例。在这些多传感器产品内，集成传感器可实现自主和自动系统，监测特定的条件，并根据监测结果执行相应的操作，用户无需干预或只需稍加介入。此外，‘智能传感器’整合MEMS器件和处理功能，无需主处理器介入，独立运行传感器算法，从而能够降低系统级功耗，这对耗电量极大的手持设备非常重要。

　　ST具有重大突破意义的Lab-on-Chip芯片同样也利用了硅的电气特性和热特性，这个解决方案用成本低廉的一次性便携工具取代了成本昂贵、耗时的固定地点实验室分析过程。意法半导体的In-Check产品平台是业内首款通过精确控制热量来扩增DNA并进行微矩阵检测的基因芯片。因为硅的热特性非常出色，准许在同一芯片上实现电子温度控制，所以Lab-on-Chip芯片能够对DNA样本进行精确的加热和冷却处理，DNA分析结果的精确度可与价值数万美元的实验室媲美。与传统的诊断系统相比，MEMS因为外形小，耗电量少，只需很少的试剂，所以更能节省成本。

　　意法半导体还在医疗保健领域成功地应用微射流MEMS技术，例如，可以安装在一次性敷贴内的微型胰岛素注射泵。意法半导体与Debiotech公司合作开发的胰岛素注射泵能够精确模拟胰腺分泌过程，向人体持续输注胰岛素，同时还能检测注射泵可能存在的故障，为病患提供深一层的保护。基于MEMS的Jewel Pump采用大规模半导体制造技术，成本比现有的解决方案更容易让病患接受，同时，其可靠性和精确度是其它解决方案无法比拟的。

　　意法半导体的MEMS压力传感器还是另一项创新应用的核心技术：能够24小时检测和观察眼压变化的智能隐形眼镜。作为意法半导体与Sensimed的合作开发成果，这个独一无二的辅助诊断工具有助于专家提前发现青光眼，通过同步治疗方法与病患的内部生物钟能够使治疗效果最大化。

　　工艺技术挑战

　　MEMS产品从开发设计到批量生产，对制造和工艺提出了很高的要求，这包括光刻、外延、薄膜淀积、氧化、扩散、注入、溅射、蒸镀、刻蚀、划片和封装等。最大的挑战是如何保证量产中的良品率。杂质粘滞、氧化物残留、残余应力等影响，都会造成机械传感器失效。ADI微机械产品线高级应用工程师赵延辉介绍，ADI已通过改进机械结构和制造流程，保证了产品的良品率，并在这个过程中积累了大量的设计经验。对于体积更小，功耗更低、噪声更小、封装更小、温漂更小，供电电压更低的器件，ADI还在持续改进制造和工艺，以满足这些需求。特别的，与单纯的ASIC器件相比，MEMS传感器对工艺和架构有更高的要求，因其内部至少包含两个die，一个机械传感器的die，一个ASIC的die，晶圆的大小，多晶硅的厚度，对机械传感器的压力控制，die与die之间的位置关系等，都对器件的整体性能有影响。而随着ADI对每一个细节的关注和改善，会持续改进MEMS传感器的精度，进而会使得MEMS传感器在高精度倾角测量、工业机械振动检测、地震监测、高精度惯导中获得广泛的应用。

　　Vincent Xu则介绍，在前工序制造技术和工艺方面，意法半导体发现并解决了在各种应用领域大规模推广高效益的MEMS器件的关键问题。为了加快产品上市时间，实现规模经济效益，核心技术的标准化是极其重要的。作为MEMS技术标准化工作的领导者，意法半导体开发出了微致动器和加速计芯片厚外延层(ThELMA)工艺，这个0.8微米表面微加工技术可整合薄厚不一的多晶硅层，用于实现MEMS器件的结构和互连线。意法半导体采用加速计和陀螺仪的微加工技术，在一颗芯片内集成线性机械单元和角速机械单元，为客户带来巨大的成本效益和更小的产品尺寸。 意法半导体的VENSENS工艺(VENice process for SENSors)结合 ThELMA工艺，可以在一个单晶硅芯片内整合一个空腔，制造一个尺寸和性能优异的压力传感器，使芯片变得更薄、更小，热稳定性和可靠性更高。

　　应用技术挑战

　　对于消费类应用来说，传感器融合的主要技术难度是如何控制产品的尺寸，如何合理测试每个传感器的性能，如何控制整个芯片的良品率并降低成本。对于工业、军工、汽车、医疗等领域的传感器融合来说，除了上面所列的各点外，还要考虑如何保证在各种工作情况下的精度、可靠性，如何利用融合的特性来实现传感器之间的补偿校正等，比如ADI的IMU系列产品在融合传感器的同时，利用其内置的处理器、温度传感器等对融合的传感器系统做了正交校正、温补校正等，并利用加速度计的测量值来补偿陀螺仪在受到加速度影响时的输出，这样就使传感器的融合实现了1 + 1 > 2。目前来看，消费类产品还是对组合传感器需求量最大的市场，尤其是智能手机和平板电脑，集成3轴加速度计和3轴陀螺仪，3轴加速度计和3轴磁力计，3轴加速度计、3轴陀螺仪和3轴磁力计的产品在短期内会有较大的市场，未来气压计也会被集成进来。

　　网络化和物联网的潜在市场巨大，它可以用来给每个人做实时的健康监测、给你关心的动物做状态监测、给你关心的财产做防盗监测等，这类应用的特点是每个终端的体积都非常小巧而且是电池供电的，所以芯片的体积和功耗是最关键的两个指标。随着这方面设备的小型化设计，对于内置器件的需求同样是小型化高机能，传感器及配套设施也要做到小巧精确，这是设计方面的挑战。还有就是应用方面传感器的提供方和使用方在技术上的配合会有一定的难度。村田制作所MEMS传感器产品技术部经理Fang Tuurnala介绍，现在汽车电子方面有组合式传感器的应用，即组合式陀螺仪和加速度传感器，日后还会加入压力传感器。行车过程中会有加速度传感器在起作用，而一旦翻车后的话就会使用到陀螺仪的，加上压力传感器，则可应用在胎压的监测上。在其他领域，为了智能手机的明确定位可以加压力传感器监测所在位置及高度。还有，在婴儿床上搭载传感器可以用来监测婴儿心跳等等。可以说，传感器的应用会向着智能化，小巧化以及高精度的方向不断发展。

　　整合传感器系统，也是未来应用趋势对传感器技术提出的挑战。对于自由落体检测、屏幕旋转、计步器、倾斜角度测量和运动检测等应用任务，仅一个加速度计即可胜任。然而，对于定位服务(LBS)、增强型运动控制游戏、行人航位推测导航、机器人平衡、空中鼠标、人体跟踪、无人飞行器等先进应用，要想在测量精度、分辨率、稳定性和响应时间等方面取得更高的系统级性能，就需要把MEMS传感器整合在一起，这个概念利用各种传感器提供的不同的具有互补性的信息，运用智能技术整合这些信息，达到优化系统性能的目的，实现令人震撼的新应用。

传感器的智能化和多功能化将成为传感器发展的重要方向。和传统的传感器相比，智能化传感器具有以下优点：
(1)具有逻辑判断、统计处理功能。可对检测数据进行分析、统计和修正，还可进行线性、非线性、温度、噪声、响应时间、交叉感应以及缓慢漂移等的误差补偿，提高了测量准确度。
(2)具有自诊断、自校准功能。可在接通电源时进行开机自检，可在工作中进行运行自检，并可实时自行诊断测试以确定哪一组件有故障，提高了工作可靠性。
(3)具有自适应、自调整功能。可根据待测物理量的数值大小及变化情况自动选择检测量程和测量方式，提高了检测适用性。
(4)具有组态功能。可实现多传感器、多参数的复合测量，扩大了检测与使用范围。
(5)具有记忆、存储功能。可进行检测数据的随时存取，加快了信息的处理速度。
(6)具有数据通讯功能。智能化传感器具有数据通讯接口，能与计算机直接联机，相互交换信息，提高了信息处理的质量。计算机软件在智能传感器中起着举足轻重的作用。由于“电脑”的加入，智能传感器可通过各种软件对信息检测过程进行管理和调节，使之工作在最佳状态，从而增强了传感器的功能，提升了传感器的性能。此外，利用计算机软件能够实现硬件难以实现的功能，因为以软件代替部分硬件，可降低传感器的制作难度。