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發布日期：2022-10-14 點擊率：50
高速發展的電子及其制造技術使微機電系統（Micro-Electro-Mechanical-SySTems ，MEMS）迅速普及。其實基于MEMS技術的加速度傳感器、壓力傳感器、陀螺儀等已經有30余年的應用歷史，但由于技術和成本等多方面的原因，這些技術主要應用于工業、軍事、汽車制造、儀器儀表，及醫療等領域，而未進入消費類產品市場。目前的情況則已大幅改觀，MEMS技術已不像幾十年前那樣貴如珠寶，低成本、小尺寸、低功耗、高性能的MEMS傳感器產品已掀起新的設計和消費浪潮。
基于MEMS技術的多軸加速度傳感器目前主要應用于游戲機和手機、硬盤防跌落保護、便攜式設備的健身計步測量，以及數碼相機/攝相機的防抖等。除此之外，用于測量熱效應、光強度及壓力等物理量的物理傳感器（Physical Sensor）也是未來的重點之一。
ST一直致力于MEMS技術的廣泛應用和進行新產品與新技術的開發方面的投入。其率先投資建立了先進的八英寸晶圓生產線，同時推動互補的合作伙伴關系。ST的目標是MEMS產品在消費領域的普及和量產，成為該技術消費性浪潮的推手。
1. MEMS概述
微機電系統指通過硅晶圓微加工技術制造的三維機械電子結構，60年代時開始在半導體廠中出現。人們的日常生活中經常能見到MEMS技術的物理傳感器，用來感測加速度、角速度、壓力和聲壓等。
汽車電子是目前發展迅速的市場，MEMS技術在其中隨處可見。例如汽車動態控制和安全氣囊等所有的主動和被動式安全系統中，都使用加速度或偏移率（Yaw Rate）傳感器來保護乘客的生命安全；為降低油耗，壓力傳感器也應用在引擎歧管（Engine Manifolds）和汽油管（Fuel Lines）中。
MEMS技術在活躍的消費電子市場掀起了產品設計創新的高潮。對于消費性市場來說，微機電產品通常會是在技術與經濟考慮下的最佳解決方案，而且提供了微型化和高級程度的未來發展藍圖。最成功的應用之一就是加速度傳感器在任天堂的Wii和Sony的PS3游戲機中帶來的全新操控體驗。過去加速度傳感器只被用于汽車中的主動及被動式安全系統當中，一些安全法規的要求是其在汽車電子中應用的驅動力之一。今天，“感測及簡化”已成為MEMS在消費產品市場的價值定位所在，掃除使用者和電子設備這個復雜世界之間的所有隔閡也是設計大師Naoto Fukusawa-san的夢想。此外，三軸加速度傳感器也可用來設計硬盤放跌落裝置，保護數據的安全；便攜式設備的UI操控也可以通過它來實現更人性化的功能。
MEMS元件與芯片中的CMOS相同，利用半導體晶圓廠來生產制造。但不同之處是，MEMS元件不僅僅是電子產品，還結合了許多機械結構，如連硅質彈簧（Spring）、電極（Electrode）、薄板（Membrane）和懸臂梁（Cantilever）等可移動的機構。此外，硅微加工元件經常會與傳統石英或壓電式產品存在價格、尺寸及效能上出現競爭。
加速度計和陀螺儀等運動感測器將移動偵測的能力帶到硅組件當中。 這類組件在汽車市場的應用會持續增加，一些法案的要求正是其中的驅動力之一；在消費性市場中的應用也將會大幅提高，其增長率會十分快速。 多軸加速度計過去只被用于汽車中的主動及被動式安全系統當中，但現在已更廣泛被用于筆記型電腦、硬盤機、手機和游戲控制器中。 除了汽車動態控制系統外，偏移率感測器（陀螺儀）也用于改善數位相機和攝影機的影像穩定性。 此外，運動感測器和磁力計可望整合為運動量測單元，共同為手持設備提供個人化導航功能，進而讓電信業者所提供的位置型服務（LBS）能夠落實。
業界預測加速度傳感器和陀螺儀等運動傳感器在消費電子產品市場中的應用將持續增加，且增長會十分迅速。
多軸加速度傳感器給硅組件帶來運動探測能力，目前被廣泛用于硬盤驅動器、手持設備、筆記本電腦、手機、游戲機等設備中。陀螺儀也被用于數碼相機和攝像機中，為其防抖動功能提供支持。此外，運動傳感器和磁力計可望整合為運動傳感單元，共同為手持設備提供個人化導航功能，進而為電信運營商所提供的定位類服務（LBS）提供平臺。
微型壓力傳感器曾在汽車中大量應用，主要集中在胎壓偵測等；此外，醫療器械也是其主要市場之一。目前隨著技術的進步使開發成本逐漸降低和尺寸更加輕薄，微型壓力傳感器預計將很快被消費類市場接受，并用于無線通訊等新領域。
手機和筆記本電腦由于尺寸的限制，使用表面貼裝技術（SMT）的傳統駐極體電容式邁克風的時用受到限制，因此基于MEMS技術的電容式硅晶邁克風將在該市場迅速普及。
加速度傳感器、陀螺儀、壓力傳感器等多種元件的集成將是未來的必然趨勢。MEMS產品供應商需要基于客戶的需求，開發能將多種傳感器整合在一起的通用技術平臺。THELMA和VENSENS即為ST推出的兩款用于傳感器整合的技術平臺。ST的MEMS產品制造和研發都在先進的八英寸MEMS晶圓廠中進行，能使上市時間縮短，迅速滿足市場需求。此外，該公司還在積極開發多軸陀螺儀、壓力傳感器和電容式硅晶邁克風等，也積極與其它公司合作推出具有市場潛力或滿足客戶要求的傳感器產品。
2. 物理傳感器的微加工技術
由于硅晶體具有極佳的電特性、機械特性和熱量特性，故已成為MEMS制造中最受歡迎的一種材料。MEMS傳感器一般通過與芯片基本制程技術相同的所謂的微加工（Micro-Machining）制程技術來加工和制造。然而，石英、玻璃、塑料和陶瓷等其他材料也可用于微加工或微成形。例如石英和陶瓷就常被用于晶振（CrySTal Resonator）和柯氏力型陀螺儀中。
硅晶體除了具有優越物理特性，其引人注目的另一個原因是產業結構方面的考慮。全球微電子產業已投入龐大的資金并積累大量專業經驗來建構一個穩固的產業基礎結構。制造商可把用于硅芯片生產而開發的成熟制造技術來生產MEMS元件，并利用硅晶圓同時生產數千個微加工組件。巨大的經濟規模曾經是讓電子產業成功的重要條件，現在MEMS正可以從這種方式中復制成功的技術和經驗，來設計和大量制造硅材質的微電子組件，同時還可致力于電晶體尺寸的進一步縮小。另外，晶圓的制程序要極其嚴格的程序和流程來管理，因此與其他制程方式相比較，設計可重復性和生產良品率更高。
硅的物理特性很奇特。其材質較脆，但不容易產生塑料性形變；它可以鋼鐵更堅硬，但重量只有其三分之一。由于材料的這些特性，其與集成電路整合設計后，由MEMS機構中的振膜或懸梁臂等移動結構所產生的電信號即可提供該傳感器的測量物理量或控制能力。
MEMS目前被廣泛使用主要原因是極小的尺寸、極高的可靠性和低功耗特性，相比其它較大體積的競爭產品能做到更快和更精確的操作。另一方面，對于普通用戶來說，尤其是在價格為主導的消費性的領域，成本上的考慮更是不能被忽視的。
目前MEMS元件的尺寸還屬于微米級，采用較早期的6英寸晶圓廠即可生產制造；但隨著消費市場對相關應用需求的迅速增長以及價格方面的壓力，未來幾年中，預計許多廠商將會移轉到8英寸生產線中。ST早已實現了向8英寸生產線的轉移，在技術和成本兩方面極佳的競爭優勢使公司在市場中占據了主動。
目前許多微加工制程都衍生自基本的IC制造技術，如光刻（Photolithography）、材料沉積（Material Deposition）、反應離子（Reactive Ion）和化學刻蝕（Chemical Etching）等。僅管目前越來越多的組件的制造正在向CMOS制程整合，但由于具體情況的不同，仍需要針對不同的應用做不同的考慮。
例如MEMS元件微加工的尺度大約在數十到數百微米之間，與芯片電路仍有差距；因此濕式蝕刻、生成或電鍍薄膜、晶圓堆疊、導通孔（Vias）及干式蝕刻等是今日常見的微加工制造程序。特別應當提到的是，MEMS組件還會用到金或玻璃介質（Glass Frit）等材料，而這些在CMOS制程中是完全禁止的。
為實現差異化的競爭優勢，MEMS供應商近幾十年來依據自身和設備的特點，以及所擅長的制程步驟，都紛紛開發出適合自己產品的專有微加工制程技術。
各廠商的專有制程可大致分為兩大類：體型微加工和表面型微加工。體型微加工通過基板的移除來形成希望做到的結構，是一種“減法制程”。適用于來設計較厚的結構，設計者可以自由地決定需求的基板厚度，不過微加工結構的形狀會受到硅基板的結晶面構造的限制。與之相對的表面型微加工則屬于“加法制程”，主要流程是根據具體需求通過不同的工序將不同材料層的個別區域移除或留下，基板層則維持原樣不動。因為材料層薄膜（Film）在基板上能生成或沉積的厚度有限，該技術開始只限于約2微米的薄型組件，但目前新的晶圓黏合（Wafer Bonding）技術有助于設計出較厚的元件。利用這些光刻技術，原本非常復雜且高度創新的機械性結構也能變得相對簡單許多。
3. THELMA和VENSENS微加工制程
ST目前在進行量產的微加工制程有THELMA和VENSENSE兩種，均屬于體型和表面型微加工技術的混合性制造技術。
THELMA全稱為Thick Epitaxial Layer for Microgyroscopes and Accelerometers，主要適用于加速度傳感器、陀螺儀及邁克風等高效能和低成本的運動傳感器。THELMA制程從標準的硅晶圓開始，其上會有第一層做為隔離的氧化物層（約2微米）。接著會沈積一層互連用的多晶硅層，以及第二犧牲氧化層（約2微米）；再在這層中負責作為固定機構的支持端及移動機構的固定端（Anchor）的個別點上進行蝕刻，以產生孔洞。隨后一個較厚的壘晶層（約15微米）會在其上生成，再以一片光罩來對這一層進行蝕刻，以產生兼具移動和固定單元的結構。 最后，這一結構下方的犧牲氧化層會以等向性蝕刻（Isotropic Etching）方式被去除，以使移動單元成形。為降低或消除由濕度或空氣密度變異而產生的效應，進而影響此元件的共振頻率，此結構附近的開放空間充滿了空氣，通常是干燥的氮氣。第二片晶圓會緊接著被黏合到第一片之上，以保護微小的機構在進行射出成形（Injection Molding）程序時施以的高壓下也不會受到破壞。
表一 CMOS、體型、表面型、THELMA、VENSENS微加工制程的比較
VENSENSE為Venice Process for Sensor的縮寫，可實現非常小型化的壓力傳感器。其也由一片標準硅晶圓開始，其結果與采用體型微加工的晶圓黏結制程的結果頗為相似，專屬的干式和濕式硅蝕刻混合步驟可以生成單晶硅層，并在其上形成一層厚度小于3微米的犧牲層，結構層的厚度可以達到20微米。但與體型微加工相比，VENSENSE能制出更薄、更小和機械性能更穩定的芯片；此外，孔隙的密合并不需要任何晶圓與晶圓間的黏結，因此密合連結的可靠性更高。
由于單晶硅具有極佳的電子特性，通過布植（Implantation）或擴散（Diffusion）等制程可以將穩定可靠的電阻整合進結構層中。接著這些電阻會和一個鋁質金屬層相連，實現惠斯通電橋（WheatSTone Bridge）的四個分支。此金屬層接著被標準的絕緣體，如Silicon-Oxynitrid等，所覆蓋，以提供對外部腐蝕性藥劑的保護能力。因電橋具有極佳的單晶硅層壓阻特性，因此對壓力的改變相當敏感。
4. 消費電子市場中的運動傳感器
消費電子市場有其自身的特點，消費產品需要實現低價、低功耗、低電壓、小型化。MEMS產品供應商必須要提高新產品的開發速度，同時還要維持與汽車電子相同的可靠性。
加速度傳感器陀螺儀已被廣泛用于汽車和醫療器械市場，例如汽車的主動或被動式安全系統和心律調整器等。消費市場的制造手段與汽車電子市場一般采用的大、厚且昂貴的陶瓷等封裝技術不同，其比較偏好可表面貼裝的封裝方式，以及小、薄和低成本的解決方案。例如ST于2002年發布的全模造塑料封裝（Full Molded PLGA）目前被業界廣泛使用而成為一項制程標準。憑借該技術，ST只用了不到3年的時間即將其3軸加速度傳感器系列產品從100立方毫米微型化到10立方毫米的封裝尺度。
汽車用傳感器不通過電池來供電，因此功耗并不是技術難點，而較高的抗震性能十分重要。此外更廣的溫度范圍和更高的產品可信度也是汽車產品市場的基本要求。而針對消費市場，功耗和電壓則成為重點之一。目前消費產品的供電電壓已降到1.8 V，電流必須小于1.0 mA。
因為手持設備沒有固定的框架作為參考，而用戶希望各個方向上的動作都能被加速度傳感器探測并實現相應的功能，因此目前多軸傳感器方案為消費性市場的主流。
模擬式輸出的傳感器方案也逐漸被數字式產品所取代，因為數字式方案使產品整合更容易，軟件開發更快速。此外，增加中斷功能的引腳位能簡化最終產品的整合，也是客戶的需求之一。針對這些需求，ST開發了二軸、三軸、模擬與數字式加速度傳感器以適應不同的應用。ST還提供參考設計和評估套件，及專用開發軟件工具。
單芯片單封裝的單體式（Monolithic）和雙芯片單封裝混合式（Hybrid）是市場上的兩種主要解決方案。多芯片單封裝的解決方案不僅具有最佳的成本效益，還提供了快速量產所需要的模塊化和彈性化方面的要求，對消費性市場十分重要。然而，由于實際系統在成本、上市時間等方面的要求，采用最合適的方案才是明智的辦法。目前將感測單元和接口電路整合在一起是可行的，但并不一定是最佳解決方案。有時采用標準CMOS技術來制造復雜的控制電路反而更能滿足功能和成本兩方面的需求。
ST推出的加速度傳感器和陀螺儀采用兩顆芯片單一封裝的系統級封裝（SiP）方案。兩顆芯片中，一顆通過THELMA微加工技術制造而成，對慣性或柯氏力很敏感；另一顆可以是模擬或數字控制芯片，用并排或堆疊的方式來與THELMA加工成的機械性組件封裝在一起。
在SiP構架中，微加工傳感器器芯片將加速度轉換為差分電容改變量，另一顆接口芯片將微小的電容改變量（atto-farad范圍）轉換成模擬或數字格式的輸出信號。
SiP的方法可加速多軸陀螺儀等新式運動傳感器的開發。由于ST采用類似LEGO（樂高）玩具式的模塊化設計，陀螺儀的機械和電子模塊可使用與已量產的多軸加速度傳感器相同的技術平臺，設計人員可對多軸加速度傳感器中已驗證的功能模塊進行復用（Re-Use），以加快研發的速度，并實現較低的開發成本。此外，得利于Land Grid Array封裝配置實現的彈性，ST可迅速將其芯片中的任意兩個模塊整合為最終產品，甚至包括接腳的調整。
5. 消費電子市場中的壓力傳感器
壓力傳感器的傳統應用為壓力和氣流等物理量的測量，主要場合為工業、汽車和醫學等。基于MEMS技術的壓力傳感器可用于測量電阻或電容變化量等物理值。其加工制造主要采用前文提到的體型加工或表面型加工，或兩者的混合方式。壓力傳感器材料一般為硅半導體，標準的硅基板或更昂貴的絕緣層上覆硅（Silicon-On-Insulator， SOI）基板同樣被用來作為起始層材料。
壓力傳感器可分為電阻式和電容式兩種，并分別對應不同的加工制程。體型微加工技術是電阻式壓力傳感器較佳的選擇；而電容式壓力傳感器一般比較適合采用表面型微加工技術制造。
電阻式的工作原理利用了硅晶的壓阻特性，將微小的振膜應力轉變為微小的電阻值變量，電容式壓力傳感器則使用兩個平行板，一個固定，另一個則是以垂直于芯片平面的方向移動的薄振膜。當出現移動時，這兩板之間會出現極小的電容值變化，并產生輸出。輸出的電阻或電壓值會傳送給接口電路，并轉變為電壓值。與運動傳感器的作法相同，接口電路可以以芯片或封裝造型來實現整合。采用SiP結構可提供較大的設計彈性，并加快產品上市的速度。
廠家的定制化的制程目前是MEMS微加工技術的主流，而并未出現所謂的理想制程。但無論市場上存在多少不同的半導體晶圓廠和制程，消費類產品的關鍵是一直是價格、尺寸和性能之間的取舍。這種情況造成了目前只有少數的廠商能為消費性市場提供可行的解決方案的現象。例如在標準的體型微加工解決方案中，封裝部分往往是成本中的主要部分，而通過VENSENS技術可制造出尺寸僅為0.8mm x 0.8 mm，厚度約0.3 mm的低成本小型化全硅晶式（Full Silicon）壓力傳感器，其優勢就在于使性能與封裝方式無關，掃清了進入成本主導的消費產品的障礙。ST最近發布的最新HLGA（Holed Land Grid Array）封裝專利技術，可使其壓力傳感器的生產復用（Re-Use）運動傳感器既有生產工具，讓消費者能獲得更小和更薄的封裝。
6.運動與壓力傳感器的消費性應用類型
手機
MEMS技術的傳感器給帶來了電子產品用戶操作感受的變革。傳統手機屏幕上的頁面滾動和放大縮小等都需要用戶通過按鍵或轉輪等來完成，而且機身的小型化造成了有限的顯示尺寸和功能，以及“小按鍵大手指”等的尷尬現象。結合了MEMS加速度傳感器的設備則可省略這些零件實體，實現創新的界面元素。傳感器可通過用戶的動作判斷其意圖，用戶可能只需要簡單地傾斜手中設備，就能瀏覽電子書或移動地圖，使各種復雜的操作變得十分簡便。
無線游戲控制器
任天堂的Wii是市場中最成功的一個使用案例。多軸加速度傳感器的應用使用戶的真實動作變成了手持設備的鼠標功能，系統通過判斷其動作和姿態即可實現對游戲中虛擬環境和人物的操作。符合人性的界面使游戲變得更加吸引人，這對于所有目標用戶為年輕人的公司來說十分關鍵。
鼠標和3D Pointer
從鍵盤轉向鼠標是操作方式上的一次進步，也使鼠標成為目前電腦及周邊設備上最常見的操作接口。鼠標一般帶有2“3個按鍵，用以輸入指令，以及作為與電腦系統連結的通訊接口；用戶手持鼠標在二維平面上的動作被用來控制光標或指針在圖形化界面中的位置，并執行特定的動作。慣性傳感器的出現為鼠標操作帶來了新的革命。
在鼠標中內置加速度傳感器可使系統監測用戶的三維控制動作，并把相關數據發送給電腦操作系統；如整合陀螺儀則更能強化設備的功能和可用性。同時，該技術對于要求低功耗的無線解決方案也十分適合。
硬盤防跌落保護功能
由于大量數據存儲的需求，目前除筆記本電腦外，內置硬盤在手機、數碼相機、PMP、DV等產品中也大量普及。而便攜式設備時常有跌落而造成數據損失的危險。三軸加速度傳感器的應用可使這些設備中的數據免受傷害。
加速度傳感器可感測到重力加速度，在跌落時，微控器會發出指令要求讀寫頭從敏感的盤片上移開以避免落地時對其可能造成的劃傷，使硬盤在三軸方向上獲得自由落體保護。
位置服務的輔助導航（LBS）
在GPS廣泛普及的今天，其技術也暴露出一些缺陷。GPS設備主要通過接收器對衛星信號的接收來實現定位和路線指示，而其在信號不好的地方，例如高層建筑之間、地下室、隧道、橋梁等，并不能實現100%的可靠性，很難進行準確定位。另外，電池式的GPS設備也往往消耗大量的電力。
DR（Dead Reckoning）采用慣性定位方式可有效彌補GPS的不足，與之形成互補。DR系統會掌握行車的距離和轉動偏移的方向來計算相對位置，因此加速度傳感器、陀螺儀和磁力計可被用來建立一套運動量測單元來實現這一功能。MEMS設備的低功耗也可有效節省電力。
計步器
人們越來越關注自己的身體健康，各種輔助設備也被廣泛應用。計步器能夠用來測量用戶行走的距離和速度，以確定其消耗的能量。計步器中的輸出是垂直于平面運動的一組周期性信號，其被安置于鞋中并可與其他設備進行無線通訊。目前計步器已成為PND設備的一項重要功能，MP3播放器和多媒體手機也開始整合此項功能。
天氣預報和高度計
壓力傳感器能讓GPS設備或手持設備判斷使用者所在的高度，并具有天氣預報的功能。當用戶撥打緊急電話時，GPS和壓力感測器將能自動傳送出用戶在某建筑物中的位置和樓層高度。
數碼相機/攝像機防抖功能
數碼相機和攝像機的防抖功能可消除用戶按快門瞬間的抖動對成像的影響，目前手機中普遍加入照相功能，這意味著陀螺儀在此市場具有極大的發展潛力。壓電振動式陀螺儀被廣泛應用于數碼相機和攝像機的防抖模塊，MEMS陀螺儀具有減少空間維度和降低功耗的功能優勢，能同時量測pitch和roll軸的角加速度，也很容易與其它的運動感測器集成在一起。
MEMS的新興應用領域
消費電子市場的新型應用甚將“MEMS的消費性浪潮”進一步推至“MEMS狂潮”。除了以上介紹的產品，MEMS技術還為其他許多創新性應用提供了廣闊空間。MEMS必須專注于客戶的需求，迎合微型化和多感測器叢集的設計趨勢。ST在MEMS技術方面將繼續其小型化的目標，另一方面，技術平臺的改良和產品路線圖的調整也是公司的重點。此外，讓客戶定制化及標準化的封裝能實現多傳感器的融合（如HLGA與一般的LGA封裝能完全兼容）等也是ST十分關注的領域。
無線傳感器網絡（Wireless Sensor Network，WSN）是許多公司和研究機構積極開發的另一塊市場。WSN曾廣泛用于軍事、安防和科學監測等領域，目前也逐步走向民用，例如在汽車電子中的胎壓檢測系統實際上就是一個簡單的五節點WSN，其中傳感器的設計包含了MEMS壓力傳感器和加速度開關。
WSN由于還存在一些技術性的障礙，能否實現商業化量產還是未知數；但無論如何，廠商和產業界都能從為消費產品市場小型低功耗MEMS傳感器產品的研發實踐中獲得收益。
Motes指由傳感器、接收器、控制器、電池和天線等組成的無線傳感器模組，主要用以測量物理量的改變，如壓力、溫度、熱量、氣流、受力、振動、加速度、撞擊、扭力、濕度、應變力和影像等。該概念也正逐漸走向商業化。
有許多應用可以用到無線傳感器模組，例如家居自動化、工業控制、安全監控、建筑工程、農業、環境監控等；目前由于市場對安全性、娛樂性、便利性和效率等的要求，以及一些政府和機構的強制性要求，給無線傳感器模組的普及帶來了機遇，同時也給MEMS供應商帶來了挑戰，因為其需要有將不同技術整合到單一模組化格式中的能力。ST正是考慮到這方面的需求，投資先進的八英寸晶圓廠，為Motes的量產建立生產制程平臺。
無線傳感器模組中傳感器的選用也要依據具體情況。傳感器并不一定要采用MEMS技術，有些應用中選用已發展較長時間的傳統感測器也許會更合適。無線傳感器模組的潛在市場很大，當技術上的瓶頸被克服，其將成為人們日常生活中的一部分。
結論
MEMS技術正在逐步走向民用和消費類市場，我們正處于“MEMS狂潮”的開端，ST將以其完善的生產基礎、高效的執行能力、對消費電子市場的深入了解，以及先進而穩定的生產研發技術平臺作為此次新浪潮的重要推動者。ST認為，以壓力傳感器、加速度傳感器為代表的MEMS技術將在未來的產品中扮演越來越重要的角色，并帶來席卷整個業界的威力；WSN可帶來無窮無盡的創新應用，在攻克技術難關后必將進一步推動MEMS的創新革命。
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