MEMS技术迈向消费电子应用

硬盘读写头、微显示器（Microdisplays）和微量喷墨头,目前占据着70%以上的MEMS市场。而汽车电子、移动通讯、消费电子、以及医疗检测等领域,将是MEMS技术产业化应用的新热点。ST微电子MEMS事业单位前道技术和制造总监Benedetto Vigna表示,ST的MEMS技术因具多轴响应、分辨率高、功耗低、单封装等特点,在运动传感器、加速计以及倾斜传感器市场大受欢迎。

先进封装技术作保 MEMS更加稳定

MEMS（Micro Electro Mechanical Systems）本质上是一种把微型机械元件（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。大多数芯片只利用了半导体的电气特性,而MEMS则利用了芯片的电气和机械两种特性。Benedetto Vigna表示,微型化并不是MEMS的目标和主要优势。在很多应用中,MEMS技术的最重要优势是准许制造商利用半导体制造技术生产出高可靠性的低成本传感器、制动器等器件。

芯片内部布线的可靠性远远高于印刷电路板上的焊接布线,而半导体制造工艺和封装技术都为MEMS器件提供了安全保护。本身内在的高可靠性对于诸如汽车系统和家电产品中,电子系统必须在一个机械振动特别大的环境中工作可靠。同时,批量制造使得MEMS组件的成本通常远远低于高精度的庞大的机械组件,通常情况下机械组件是系统中成本最高的元件。因此,MEMS技术可让很多应用有机会实现更高性价比和更高可靠性。

作为MEMS技术的领先者,ST开发出了一个称为THELMA（微制动器及加速计用厚外延层）的0.8mm表面微加工技术,把分别用于结构和互连线的薄厚不一的多晶硅整合在一起。ST称其是首家采用LGA（Land Grid Array）封装工艺技术制造加速计的供应商。据Benedetto Vigna介绍,ST目前已实现把线性和角度加速计以及陀螺仪和微处理器及存储器等进行整合封装（SiP）,这种多合一的传感器可以实现各种运动激活式产品设计,而且制造成本低廉。其目标应用包括从手机、PDA一直到基于可有效校准运动的直观用户界面的新产品。Benedetto Vigna透露,该制造工艺将会移入ST深圳新建工厂中。

MEMS加速计走入消费电子应用

MEMS加速计是微机电系统技术的一个典型代表,而ST的MEMS加速计有很多应用,手持设备如PDA和游戏机的用户界面是其中的一例。在这种应用中,手持设备的倾斜变化被用于用户界面的操作,因而不再需要键盘、鼠标以及其它昂贵复杂的人机接口设备。Benedetto Vigna解释,如果芯片发生运动,加速计内的微型硅悬臂就会做出相对固定的硅结构的运动。这种相对运动会引起电路电气特性（电容）发生可以测量到的变化,该变化可用于计算芯片的实际运动距离,并提供以模拟电压或数字信号表示的芯片运动信息。

ST的LIS3L02三轴加速计荣获EDN的2003年度创新奖,该产品是世界上第一个能够检测三种方向运动的集成电路,为家电、汽车系统和手持终端等设备开创了新的应用机会。

ST的线性加速计长久以来被用于汽车安全系统,检测重力加速度,在正确的时机以适当的力量打开安全气囊。MEMS还被用于导航推算系统中,在没有GPS信号的情况下,通过计算车辆的运动和行程,并校正数字罗盘的读数,MEMS可替代建筑物和城市内的GPS信号导航。ST的加速计还可集成在洗衣机等家电产品中充当振动检测器,当机器内的负荷失衡时,检测器会通知用户,防止机器在出现故障前被过早的磨损。

ST半导体加工技术还被成功地用于开发各种MEMS热射流器件。ST长期为HP提供加热式喷墨打印头。打印头芯片内含有数百个微型通道,这些墨水通道与相应的装满墨水的微型墨盒相连。制造在同一芯片上的加热元件与控制电路将墨水蒸发,然后把微小的墨水气泡喷射到打印纸上。而ST与Agilent合作开发的光开关矩阵产品是MEMS热射流产品的另一个创新应用的代表。这个创新的光子开关平台,利用一个快速地温度变化周期在透明的液体薄膜上产生（去除）微小气泡,以便在光通道内反射光束实现开关的目的。

在医疗卫生行业创新过程中,代表ST创新能力的单片实验室解决方案,用成本低廉的一次性工具取代了既昂贵又耗时的实验室分析方法。2004年ST推出了市场上第一个生物芯片In-Check产品平台,通过精确控制加热过程对微量的DNA样品进行扩增。由于片上实验室反应时间很短、分析过程更加精确并可以自动调节,相较于传统诊断系统,MEMS的小外形、低耗电、微量试剂大大节省了成本。

Benedetto Vigna表示,随着全球半导体工业继续将研发力量集中于主流的CMOS技术,能够驾驭硅的机械和光学特性将会成为领先供应商一个日益重要的差异化因素。ST不仅在利用硅的电气特性方面居世界领先水平,还是同时开发硅的电气、机械和光学特性的先驱和领导者。