MEMS的未来 材料将更加实用化

 

在国际半导体产业协会(SEMI)看来，微机电系统(MEMS)技术在近几年来的半导体领域中成长最快速，那么如何准确预测MEMS的未来？在了解MEMS组件的历史，并查阅有关MEMS最具创新性的500篇学术论文后，MEMS设计与开发公司A.M. Fitzgerald and Associates LLC创办人Alissa Fitzgerald在今年的MEMS与传感器高峰会议(MEMS & Sensors Executive Congress)发表演说时分享对于MEMS未来发展的乐观看法与预测。

Fitzgerald 认为，“下一个十亿美元的产品就潜藏在大学的研究文献中。”2017年的学术论文中揭示了有关被动式和近零功耗(near-zero)的传感器，以及基于纸类和塑料的方案取代昂贵硅基方案作为消费应用和一次性使用的特殊产品等最新进展。

A.M. Fitzgerald对于MEMS的未来发展成竹在胸，他们致力于将新颖的学术和创业想法应用到小型MEMS晶圆厂中，并使其从中受益，就像使用Soitec的商用硅和绝缘层上覆硅(SOI)晶圆的Rogue Valley Microdevices (RVM)公司一样。

图1：MEMS设计与开发公司A.M. Fitzgerald & Associates创办人Alissa Fitzgerald在SEMI 2017年度MEMS与传感器高峰会议上发表演讲

Fitzgerald在演讲时谈到了MEMS技术的历史渊源，最早可以追溯到1980年代酸蚀刻三维(3D)力传感器的发展，这致使Kurt Petersen发明了基于块状硅微加工技术的压力传感器。该压力传感器最终实现了喷墨喷嘴，并促使数字光处理(DLP) MEMS的出现，很快地也有了第一家厂商使用来自ADI的加速度计触发安全气囊，这比传统的管内球机械绊网式技术更迅速。

“从那时起，博世(Bosch)的深度反应离子刻蚀(DRI)制程开启了一个全新时代，实现了世界上第一个MEMS陀螺仪。薄膜体声波谐振器(FBAR)，以及MEMS压电和氮化铝(AlN)薄膜的广泛使用，也催生了我们今天拥有的各种MEMS组件。”

Fitzgerald说，另一个重要的发明是“精确对准的共晶接合(eutectic bonding)，使InvenSense能够将自家的ASIC晶圆接合MEMS芯片，以实现自动密封，因而无需额外的封盖步骤。”

图2：RVM创办人Jessica Gomez(右)(为A.M. Fitzgerald的设计进行生产)与Soitec业务发展总监Nazila Pautou(为RVM提供SOI晶圆)交驳光剑

据Fitzgerald表示，早期，ADI和博世等主要企业满足了50%以上的市场需求，其余400家小公司瓜分剩余市场。但随着智能手机的普及，庞大的消费市场已经使这400家小公司成为市场的主要力量。

那么所有这些消费市场的想法来自何处？Fitzgerald认为，在很大程度上可溯源至学术界，他们“在大学实验室培育创意”，作为寻找问题的解决方案。A.M. Fitzgerald等机构将学者们的想法落实于设计中，并发展成适于销售的产品，为当今全球兆级美元的消费市场提供动能。

图3：在RVM晶圆厂中，工程师正在检测MEMS晶圆；该晶圆是A.M. Fitzgerald采用Soitec的SOI技术设计的

展望未来、然后深耕细作，找出大学实验室正在育成中的技术。Fitzgerald在演讲中表示，“经查阅2017年500篇名列前茅的论文后，我们对其进行了商业可行性筛选，预计有些技术将会改变全球的游戏规则。”

未来的MEMS——纸还是塑料？

根据Fitzgerald的说法，第一批将改写游戏规则的技术将会来自是FBAR和声表面波(SAW)传感器的新用途。

目前，FBAR和SAW技术主要用于射频(RF)滤波器。Fitzgerald说：“根据文献数据显示，它们也可用于生产无需电池的被动式传感器；这种无需电池的传感器在达到某个特定参数时，仍然能够唤醒处理器。”此外，这种传感器还能提供高度精确的极端温度检测，也能在压力极限下发挥作用，甚至可以检测特定气体。

她说：“这些被动传感器非常适合恶劣环境，在这种环境下，你无法或不能更换电池；而且它们还具有提供零待机功耗的高性能。”

进一步研究2017年的MEMS文献后，她还发现了近零功耗组件，有时也被称为“事件驱动型”传感器。它们类似于被动组件，但使用非常小的μA级电流，在待机模式下功耗小于1pW。当它们感知到特定事件发生时，就会自行唤醒并触发应用处理器。

图4：A.M. Fitzgerald和其它MEMS芯片设计者可以使用基于纯硅或SOI的8、6、4、3或甚至2吋晶圆(由右至左)

Fitzgerald举例说：“美国东北大学(Northeastern University)已经证明，近零功耗的红外线(IR)传感器可以实现对于波长敏感的功能，还可以唤醒物联网(IoT)设备或安全监控器中的处理器。即使是应用于大型数组中，它们仍然可以使用小型能量采集技术作为备用电源。”

当今许多新型MEMS组件使用压电材料，不仅仅用于能量采集，而且还能实现宽音域(wide-range)微型扬声器、磁力计，甚至变压器等应用，而这些应用都不需要授权高效率但昂贵的DRI制程。

图5：在RVM位于美国奥勒岗州的晶圆厂进行MEMS晶圆批处理

Fitzgerald说：“对于低廉的设备和物联网来说，消费市场业已成熟，因为它可以透过大规模量产实现一次性使用。”

同时，MEMS研究人员正致力于探索替代昂贵硅晶的方法。Fitzgerald表示，在2004年，全世界有90%的MEMS组件采用块状硅或硅基板的表面制造；但在文献描述的下一代组件中，有一半是塑料或甚至是纸基板。

她说：“基于纸类的技术正日益取代耗资数十亿美元的昂贵硅晶圆厂，特别是针对仅使用一次的抛弃式应用，通常只需要价格不到1美分的传感器。”基于塑料或纸基板的组件不像硅基组件那样快速或精确，但其性能足以满足短暂使用或经常更换的消费产品，以及一次性的抛弃式应用需求。

例如，纸传感器可用于检测特定类型的细菌。这些组件能够减少对于各种抗生素的需求，特别是因为许多抗生素可能促使超级细菌进化。同样地，纸质的食品包装可以嵌入纸基组件中，告知消费者食品实际上是否已经变质，以取代当今不够精确的“有效期限”戳章。

图6：RVM生产的最终MEMS芯片(此处为20个样品)，已准备好供应客户

Fitzgerald说：“预计在2020年以后，人们将会看到一系列压电事件驱动的新型传感器；而到了2030年，我们将会看到纸类和塑料传感器的大幅成长。”

她说，内建读数的CMOS+传感器设计仍然需要采用硅。但是，“随着对于硅晶技术的研究趋缓，转而青睐更便宜的纸类组件，硅晶技术存在停滞不前的风险。”