在國際半導體產業(yè)協(xié)會(SEMI)看來，微機電系統(tǒng)(MEMS)技術在近幾年來的半導體領域中成長最快速，那么如何準確預測MEMS的未來？在了解MEMS組件的歷史，并查閱有關MEMS最具創(chuàng)新性的500篇學術論文后，MEMS設計與開發(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)展的樂觀看法與預測。

Fitzgerald 認為，“下一個十億美元的產品就潛藏在大學的研究文獻中。”2017年的學術論文中揭示了有關被動式和近零功耗(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用和一次性使用的特殊產品等最新進展。

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術和創(chuàng)業(yè)想法應用到小型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的壓力傳感器。該壓力傳感器最終實現了噴墨噴嘴，并促使數字光處理(DLP) MEMS的出現，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)的管內球機械絆網式技術更迅速。

“從那時起，博世(Bosch)的深度反應離子刻蝕(DRI)制程開啟了一個全新時代，實現了世界上第一個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能夠將自家的ASIC晶圓接合MEMS芯片，以實現自動密封，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的設計進行生產)與Soitec業(yè)務發(fā)展總監(jiān)Nazila Pautou(為RVM提供SOI晶圓)交駁光劍

據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術界，他們“在大學實驗室培育創(chuàng)意”，作為尋找問題的解決方案。A.M. Fitzgerald等機構將學者們的想法落實于設計中，并發(fā)展成適于銷售的產品，為當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技術設計的

展望未來、然后深耕細作，找出大學實驗室正在育成中的技術。Fitzgerald在演講中表示，“經查閱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，預計有些技術將會改變全球的游戲規(guī)則?！?/p>

未來的MEMS——紙還是塑料？

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

目前，FBAR和SAW技術主要用于射頻(RF)濾波器。Fitzgerald說：“根據文獻數據顯示，它們也可用于生產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?！?/p>

進一步研究2017年的MEMS文獻后，她還發(fā)現了近零功耗組件，有時也被稱為“事件驅動型”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。當它們感知到特定事件發(fā)生時，就會自行喚醒并觸發(fā)應用處理器。

圖4：A.M. Fitzgerald和其它MEMS芯片設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(Northeastern University)已經證明，近零功耗的紅外線(IR)傳感器可以實現對于波長敏感的功能，還可以喚醒物聯網(IoT)設備或安全監(jiān)控器中的處理器。即使是應用于大型數組中，它們仍然可以使用小型能量采集技術作為備用電源?！?/p>

當今許多新型MEMS組件使用壓電材料，不僅僅用于能量采集，而且還能實現寬音域(wide-range)微型揚聲器、磁力計，甚至變壓器等應用，而這些應用都不需要授權高效率但昂貴的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：“對于低廉的設備和物聯網來說，消費市場業(yè)已成熟，因為它可以透過大規(guī)模量產實現一次性使用?！?/p>

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：“基于紙類的技術正日益取代耗資數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常更換的消費產品，以及一次性的拋棄式應用需求。

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變質，以取代當今不夠精確的“有效期限”戳章。

圖6：RVM生產的最終MEMS芯片(此處為20個樣品)，已準備好供應客戶

Fitzgerald說：“預計在2020年以后，人們將會看到一系列壓電事件驅動的新型傳感器；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，內建讀數的CMOS+傳感器設計仍然需要采用硅。但是，“隨著對于硅晶技術的研究趨緩，轉而青睞更便宜的紙類組件，硅晶技術存在停滯不前的風險?！?/p>