在國際半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)協(xié)會(SEMI)看來，微機電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)在近幾年來的半導(dǎo)體領(lǐng)域中成長最快速，那么如何準確預(yù)測MEMS的未來？在了解MEMS組件的歷史，并查閱有關(guān)MEMS最具創(chuàng)新性的500篇學(xué)術(shù)論文后，MEMS設(shè)計與開發(fā)公司A.M. Fitzgerald and Associates LLC創(chuàng)辦人Alissa Fitzgerald在今年的MEMS與傳感器高峰會議(MEMS & Sensors Executive Congress)發(fā)表演說時分享對于MEMS未來發(fā)展的樂觀看法與預(yù)測。

Fitzgerald 認為，“下一個十億美元的產(chǎn)品就潛藏在大學(xué)的研究文獻中?！?017年的學(xué)術(shù)論文中揭示了有關(guān)被動式和近零功耗(near-zero)的傳感器，以及基于紙類和塑料的方案取代昂貴硅基方案作為消費應(yīng)用和一次性使用的特殊產(chǎn)品等最新進展。

A.M. Fitzgerald對于MEMS的未來發(fā)展成竹在胸，他們致力于將新穎的學(xué)術(shù)和創(chuàng)業(yè)想法應(yīng)用到小型MEMS晶圓廠中，并使其從中受益，就像使用Soitec的商用硅和絕緣層上覆硅(SOI)晶圓的Rogue Valley Microdevices (RVM)公司一樣。

圖1：MEMS設(shè)計與開發(fā)公司A.M. Fitzgerald & Associates創(chuàng)辦人Alissa Fitzgerald在SEMI 2017年度MEMS與傳感器高峰會議上發(fā)表演講

Fitzgerald在演講時談到了MEMS技術(shù)的歷史淵源，最早可以追溯到1980年代酸蝕刻三維(3D)力傳感器的發(fā)展，這致使Kurt Petersen發(fā)明了基于塊狀硅微加工技術(shù)的壓力傳感器。該壓力傳感器最終實現(xiàn)了噴墨噴嘴，并促使數(shù)字光處理(DLP) MEMS的出現(xiàn)，很快地也有了第一家廠商使用來自ADI的加速度計觸發(fā)安全氣囊，這比傳統(tǒng)的管內(nèi)球機械絆網(wǎng)式技術(shù)更迅速。

“從那時起，博世(Bosch)的深度反應(yīng)離子刻蝕(DRI)制程開啟了一個全新時代，實現(xiàn)了世界上第一個MEMS陀螺儀。薄膜體聲波諧振器(FBAR)，以及MEMS壓電和氮化鋁(AlN)薄膜的廣泛使用，也催生了我們今天擁有的各種MEMS組件?！?/p>

Fitzgerald說，另一個重要的發(fā)明是“精確對準的共晶接合(eutectic bonding)，使InvenSense能夠?qū)⒆约业?a target="_blank">ASIC晶圓接合MEMS芯片，以實現(xiàn)自動密封，因而無需額外的封蓋步驟?！?/p>

圖2：RVM創(chuàng)辦人Jessica Gomez(右)(為A.M. Fitzgerald的設(shè)計進行生產(chǎn))與Soitec業(yè)務(wù)發(fā)展總監(jiān)Nazila Pautou(為RVM提供SOI晶圓)交駁光劍

據(jù)Fitzgerald表示，早期，ADI和博世等主要企業(yè)滿足了50%以上的市場需求，其余400家小公司瓜分剩余市場。但隨著智能手機的普及，龐大的消費市場已經(jīng)使這400家小公司成為市場的主要力量。

那么所有這些消費市場的想法來自何處？Fitzgerald認為，在很大程度上可溯源至學(xué)術(shù)界，他們“在大學(xué)實驗室培育創(chuàng)意”，作為尋找問題的解決方案。A.M. Fitzgerald等機構(gòu)將學(xué)者們的想法落實于設(shè)計中，并發(fā)展成適于銷售的產(chǎn)品，為當(dāng)今全球兆級美元的消費市場提供動能。

圖3：在RVM晶圓廠中，工程師正在檢測MEMS晶圓；該晶圓是A.M. Fitzgerald采用Soitec的SOI技術(shù)設(shè)計的

展望未來、然后深耕細作，找出大學(xué)實驗室正在育成中的技術(shù)。Fitzgerald在演講中表示，“經(jīng)查閱2017年500篇名列前茅的論文后，我們對其進行了商業(yè)可行性篩選，預(yù)計有些技術(shù)將會改變?nèi)虻挠螒蛞?guī)則。”

未來的MEMS——紙還是塑料？

根據(jù)Fitzgerald的說法，第一批將改寫游戲規(guī)則的技術(shù)將會來自是FBAR和聲表面波(SAW)傳感器的新用途。

目前，F(xiàn)BAR和SAW技術(shù)主要用于射頻(RF)濾波器。Fitzgerald說：“根據(jù)文獻數(shù)據(jù)顯示，它們也可用于生產(chǎn)無需電池的被動式傳感器；這種無需電池的傳感器在達到某個特定參數(shù)時，仍然能夠喚醒處理器?！贝送猓@種傳感器還能提供高度精確的極端溫度檢測，也能在壓力極限下發(fā)揮作用，甚至可以檢測特定氣體。

她說：“這些被動傳感器非常適合惡劣環(huán)境，在這種環(huán)境下，你無法或不能更換電池；而且它們還具有提供零待機功耗的高性能。”

進一步研究2017年的MEMS文獻后，她還發(fā)現(xiàn)了近零功耗組件，有時也被稱為“事件驅(qū)動型”傳感器。它們類似于被動組件，但使用非常小的μA級電流，在待機模式下功耗小于1pW。當(dāng)它們感知到特定事件發(fā)生時，就會自行喚醒并觸發(fā)應(yīng)用處理器。

圖4：A.M. Fitzgerald和其它MEMS芯片設(shè)計者可以使用基于純硅或SOI的8、6、4、3或甚至2吋晶圓(由右至左)

Fitzgerald舉例說：“美國東北大學(xué)(Northeastern University)已經(jīng)證明，近零功耗的紅外線(IR)傳感器可以實現(xiàn)對于波長敏感的功能，還可以喚醒物聯(lián)網(wǎng)(IoT)設(shè)備或安全監(jiān)控器中的處理器。即使是應(yīng)用于大型數(shù)組中，它們?nèi)匀豢梢允褂眯⌒湍芰坎杉夹g(shù)作為備用電源?！?/p>

當(dāng)今許多新型MEMS組件使用壓電材料，不僅僅用于能量采集，而且還能實現(xiàn)寬音域(wide-range)微型揚聲器、磁力計，甚至變壓器等應(yīng)用，而這些應(yīng)用都不需要授權(quán)高效率但昂貴的DRI制程。

圖5：在RVM位于美國奧勒崗州的晶圓廠進行MEMS晶圓批處理

Fitzgerald說：“對于低廉的設(shè)備和物聯(lián)網(wǎng)來說，消費市場業(yè)已成熟，因為它可以透過大規(guī)模量產(chǎn)實現(xiàn)一次性使用。”

同時，MEMS研究人員正致力于探索替代昂貴硅晶的方法。Fitzgerald表示，在2004年，全世界有90%的MEMS組件采用塊狀硅或硅基板的表面制造；但在文獻描述的下一代組件中，有一半是塑料或甚至是紙基板。

她說：“基于紙類的技術(shù)正日益取代耗資數(shù)十億美元的昂貴硅晶圓廠，特別是針對僅使用一次的拋棄式應(yīng)用，通常只需要價格不到1美分的傳感器?！被谒芰匣蚣埢宓慕M件不像硅基組件那樣快速或精確，但其性能足以滿足短暫使用或經(jīng)常更換的消費產(chǎn)品，以及一次性的拋棄式應(yīng)用需求。

例如，紙傳感器可用于檢測特定類型的細菌。這些組件能夠減少對于各種抗生素的需求，特別是因為許多抗生素可能促使超級細菌進化。同樣地，紙質(zhì)的食品包裝可以嵌入紙基組件中，告知消費者食品實際上是否已經(jīng)變質(zhì)，以取代當(dāng)今不夠精確的“有效期限”戳章。

圖6：RVM生產(chǎn)的最終MEMS芯片(此處為20個樣品)，已準備好供應(yīng)客戶

Fitzgerald說：“預(yù)計在2020年以后，人們將會看到一系列壓電事件驅(qū)動的新型傳感器；而到了2030年，我們將會看到紙類和塑料傳感器的大幅成長?！?/p>

她說，內(nèi)建讀數(shù)的CMOS+傳感器設(shè)計仍然需要采用硅。但是，“隨著對于硅晶技術(shù)的研究趨緩，轉(zhuǎn)而青睞更便宜的紙類組件，硅晶技術(shù)存在停滯不前的風(fēng)險。”