產(chǎn)品中心 應(yīng)用方案 技術(shù)文摘質(zhì)量保證產(chǎn)品選型 下載中心業(yè)內(nèi)動(dòng)態(tài) 選型幫助 品牌介紹 產(chǎn)品一覽 聯(lián)系我們
- 基于MEMS技術(shù)的加速度傳感器分析與應(yīng)用
- 來源：互聯(lián)網(wǎng) 發(fā)表于 2020/5/13
高速發(fā)展的電子及其制造技術(shù)使微機(jī)電系統(tǒng)（Micro-Electro-Mechanical-SySTems ，MEMS）迅速普及。其實(shí)基于MEMS技術(shù)的加速度傳感器、壓力傳感器、陀螺儀等已經(jīng)有30余年的應(yīng)用歷史，但由于技術(shù)和成本等多方面的原因，這些技術(shù)主要應(yīng)用于工業(yè)、軍事、汽車制造、儀器儀表，及醫(yī)療等領(lǐng)域，而未進(jìn)入消費(fèi)類產(chǎn)品市場(chǎng)。目前的情況則已大幅改觀，MEMS技術(shù)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(chǎn)品已掀起新的設(shè)計(jì)和消費(fèi)浪潮。
基于MEMS技術(shù)的多軸加速度傳感器目前主要應(yīng)用于游戲機(jī)和手機(jī)、硬盤防跌落保護(hù)、便攜式設(shè)備的健身計(jì)步測(cè)量，以及數(shù)碼相機(jī)/攝相機(jī)的防抖等。除此之外，用于測(cè)量熱效應(yīng)、光強(qiáng)度及壓力等物理量的物理傳感器（Physical Sensor）也是未來的重點(diǎn)之一。
ST一直致力于MEMS技術(shù)的廣泛應(yīng)用和進(jìn)行新產(chǎn)品與新技術(shù)的開發(fā)方面的投入。其率先投資建立了先進(jìn)的八英寸晶圓生產(chǎn)線，同時(shí)推動(dòng)互補(bǔ)的合作伙伴關(guān)系。ST的目標(biāo)是MEMS產(chǎn)品在消費(fèi)領(lǐng)域的普及和量產(chǎn)，成為該技術(shù)消費(fèi)性浪潮的推手。
1. MEMS概述
微機(jī)電系統(tǒng)指通過硅晶圓微加工技術(shù)制造的三維機(jī)械電子結(jié)構(gòu)，60年代時(shí)開始在半導(dǎo)體廠中出現(xiàn)。人們的日常生活中經(jīng)常能見到MEMS技術(shù)的物理傳感器，用來感測(cè)加速度、角速度、壓力和聲壓等。
汽車電子是目前發(fā)展迅速的市場(chǎng)，MEMS技術(shù)在其中隨處可見。例如汽車動(dòng)態(tài)控制和安全氣囊等所有的主動(dòng)和被動(dòng)式安全系統(tǒng)中，都使用加速度或偏移率（Yaw Rate）傳感器來保護(hù)乘客的生命安全；為降低油耗，壓力傳感器也應(yīng)用在引擎歧管（Engine Manifolds）和汽油管（Fuel Lines）中。
MEMS技術(shù)在活躍的消費(fèi)電子市場(chǎng)掀起了產(chǎn)品設(shè)計(jì)創(chuàng)新的高潮。對(duì)于消費(fèi)性市場(chǎng)來說，微機(jī)電產(chǎn)品通常會(huì)是在技術(shù)與經(jīng)濟(jì)考慮下的最佳解決方案，而且提供了微型化和高級(jí)程度的未來發(fā)展藍(lán)圖。最成功的應(yīng)用之一就是加速度傳感器在任天堂的Wii和Sony的PS3游戲機(jī)中帶來的全新操控體驗(yàn)。過去加速度傳感器只被用于汽車中的主動(dòng)及被動(dòng)式安全系統(tǒng)當(dāng)中，一些安全法規(guī)的要求是其在汽車電子中應(yīng)用的驅(qū)動(dòng)力之一。今天，“感測(cè)及簡(jiǎn)化”已成為MEMS在消費(fèi)產(chǎn)品市場(chǎng)的價(jià)值定位所在，掃除使用者和電子設(shè)備這個(gè)復(fù)雜世界之間的所有隔閡也是設(shè)計(jì)大師Naoto Fukusawa-san的夢(mèng)想。此外，三軸加速度傳感器也可用來設(shè)計(jì)硬盤放跌落裝置，保護(hù)數(shù)據(jù)的安全；便攜式設(shè)備的UI操控也可以通過它來實(shí)現(xiàn)更人性化的功能。
MEMS元件與芯片中的CMOS相同，利用半導(dǎo)體晶圓廠來生產(chǎn)制造。但不同之處是，MEMS元件不僅僅是電子產(chǎn)品，還結(jié)合了許多機(jī)械結(jié)構(gòu)，如連硅質(zhì)彈簧（Spring）、電極（Electrode）、薄板（Membrane）和懸臂梁（Cantilever）等可移動(dòng)的機(jī)構(gòu)。此外，硅微加工元件經(jīng)常會(huì)與傳統(tǒng)石英或壓電式產(chǎn)品存在價(jià)格、尺寸及效能上出現(xiàn)競(jìng)爭(zhēng)。
加速度計(jì)和陀螺儀等運(yùn)動(dòng)感測(cè)器將移動(dòng)偵測(cè)的能力帶到硅組件當(dāng)中。 這類組件在汽車市場(chǎng)的應(yīng)用會(huì)持續(xù)增加，一些法案的要求正是其中的驅(qū)動(dòng)力之一；在消費(fèi)性市場(chǎng)中的應(yīng)用也將會(huì)大幅提高，其增長(zhǎng)率會(huì)十分快速。 多軸加速度計(jì)過去只被用于汽車中的主動(dòng)及被動(dòng)式安全系統(tǒng)當(dāng)中，但現(xiàn)在已更廣泛被用于筆記型電腦、硬盤機(jī)、手機(jī)和游戲控制器中。 除了汽車動(dòng)態(tài)控制系統(tǒng)外，偏移率感測(cè)器（陀螺儀）也用于改善數(shù)位相機(jī)和攝影機(jī)的影像穩(wěn)定性。 此外，運(yùn)動(dòng)感測(cè)器和磁力計(jì)可望整合為運(yùn)動(dòng)量測(cè)單元，共同為手持設(shè)備提供個(gè)人化導(dǎo)航功能，進(jìn)而讓電信業(yè)者所提供的位置型服務(wù)（LBS）能夠落實(shí)。
業(yè)界預(yù)測(cè)加速度傳感器和陀螺儀等運(yùn)動(dòng)傳感器在消費(fèi)電子產(chǎn)品市場(chǎng)中的應(yīng)用將持續(xù)增加，且增長(zhǎng)會(huì)十分迅速。
多軸加速度傳感器給硅組件帶來運(yùn)動(dòng)探測(cè)能力，目前被廣泛用于硬盤驅(qū)動(dòng)器、手持設(shè)備、筆記本電腦、手機(jī)、游戲機(jī)等設(shè)備中。陀螺儀也被用于數(shù)碼相機(jī)和攝像機(jī)中，為其防抖動(dòng)功能提供支持。此外，運(yùn)動(dòng)傳感器和磁力計(jì)可望整合為運(yùn)動(dòng)傳感單元，共同為手持設(shè)備提供個(gè)人化導(dǎo)航功能，進(jìn)而為電信運(yùn)營(yíng)商所提供的定位類服務(wù)（LBS）提供平臺(tái)。
微型壓力傳感器曾在汽車中大量應(yīng)用，主要集中在胎壓偵測(cè)等；此外，醫(yī)療器械也是其主要市場(chǎng)之一。目前隨著技術(shù)的進(jìn)步使開發(fā)成本逐漸降低和尺寸更加輕薄，微型壓力傳感器預(yù)計(jì)將很快被消費(fèi)類市場(chǎng)接受，并用于無線通訊等新領(lǐng)域。
手機(jī)和筆記本電腦由于尺寸的限制，使用表面貼裝技術(shù)（SMT）的傳統(tǒng)駐極體電容式邁克風(fēng)的時(shí)用受到限制，因此基于MEMS技術(shù)的電容式硅晶邁克風(fēng)將在該市場(chǎng)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(shì)。MEMS產(chǎn)品供應(yīng)商需要基于客戶的需求，開發(fā)能將多種傳感器整合在一起的通用技術(shù)平臺(tái)。THELMA和VENSENS即為ST推出的兩款用于傳感器整合的技術(shù)平臺(tái)。ST的MEMS產(chǎn)品制造和研發(fā)都在先進(jìn)的八英寸MEMS晶圓廠中進(jìn)行，能使上市時(shí)間縮短，迅速滿足市場(chǎng)需求。此外，該公司還在積極開發(fā)多軸陀螺儀、壓力傳感器和電容式硅晶邁克風(fēng)等，也積極與其它公司合作推出具有市場(chǎng)潛力或滿足客戶要求的傳感器產(chǎn)品。
2. 物理傳感器的微加工技術(shù)
由于硅晶體具有極佳的電特性、機(jī)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(shù)相同的所謂的微加工（Micro-Machining）制程技術(shù)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(yōu)越物理特性，其引人注目的另一個(gè)原因是產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)方面的考慮。全球微電子產(chǎn)業(yè)已投入龐大的資金并積累大量專業(yè)經(jīng)驗(yàn)來建構(gòu)一個(gè)穩(wěn)固的產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。制造商可把用于硅芯片生產(chǎn)而開發(fā)的成熟制造技術(shù)來生產(chǎn)MEMS元件，并利用硅晶圓同時(shí)生產(chǎn)數(shù)千個(gè)微加工組件。巨大的經(jīng)濟(jì)規(guī)模曾經(jīng)是讓電子產(chǎn)業(yè)成功的重要條件，現(xiàn)在MEMS正可以從這種方式中復(fù)制成功的技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)，來設(shè)計(jì)和大量制造硅材質(zhì)的微電子組件，同時(shí)還可致力于電晶體尺寸的進(jìn)一步縮小。另外，晶圓的制程序要極其嚴(yán)格的程序和流程來管理，因此與其他制程方式相比較，設(shè)計(jì)可重復(fù)性和生產(chǎn)良品率更高。
硅的物理特性很奇特。其材質(zhì)較脆，但不容易產(chǎn)生塑料性形變；它可以鋼鐵更堅(jiān)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(shè)計(jì)后，由MEMS機(jī)構(gòu)中的振膜或懸梁臂等移動(dòng)結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的電信號(hào)即可提供該傳感器的測(cè)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(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)品能做到更快和更精確的操作。另一方面，對(duì)于普通用戶來說，尤其是在價(jià)格為主導(dǎo)的消費(fèi)性的領(lǐng)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(jí)，采用較早期的6英寸晶圓廠即可生產(chǎn)制造；但隨著消費(fèi)市場(chǎng)對(duì)相關(guān)應(yīng)用需求的迅速增長(zhǎng)以及價(jià)格方面的壓力，未來幾年中，預(yù)計(jì)許多廠商將會(huì)移轉(zhuǎn)到8英寸生產(chǎn)線中。ST早已實(shí)現(xiàn)了向8英寸生產(chǎn)線的轉(zhuǎn)移，在技術(shù)和成本兩方面極佳的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)使公司在市場(chǎng)中占據(jù)了主動(dòng)。
目前許多微加工制程都衍生自基本的IC制造技術(shù)，如光刻（Photolithography）、材料沉積（Material Deposition）、反應(yīng)離子（Reactive Ion）和化學(xué)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(duì)不同的應(yīng)用做不同的考慮。
例如MEMS元件微加工的尺度大約在數(shù)十到數(shù)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(dǎo)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(yīng)當(dāng)提到的是，MEMS組件還會(huì)用到金或玻璃介質(zhì)（Glass Frit）等材料，而這些在CMOS制程中是完全禁止的。
為實(shí)現(xiàn)差異化的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，MEMS供應(yīng)商近幾十年來依據(jù)自身和設(shè)備的特點(diǎn)，以及所擅長(zhǎng)的制程步驟，都紛紛開發(fā)出適合自己產(chǎn)品的專有微加工制程技術(shù)。
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(jié)構(gòu)，是一種“減法制程”。適用于來設(shè)計(jì)較厚的結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)者可以自由地決定需求的基板厚度，不過微加工結(jié)構(gòu)的形狀會(huì)受到硅基板的結(jié)晶面構(gòu)造的限制。與之相對(duì)的表面型微加工則屬于“加法制程”，主要流程是根據(jù)具體需求通過不同的工序?qū)⒉煌牧蠈拥膫�(gè)別區(qū)域移除或留下，基板層則維持原樣不動(dòng)。因?yàn)椴牧蠈颖∧ぃ‵ilm）在基板上能生成或沉積的厚度有限，該技術(shù)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(shù)有助于設(shè)計(jì)出較厚的元件。利用這些光刻技術(shù)，原本非常復(fù)雜且高度創(chuàng)新的機(jī)械性結(jié)構(gòu)也能變得相對(duì)簡(jiǎn)單許多。
3. THELMA和VENSENS微加工制程
ST目前在進(jìn)行量產(chǎn)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(shù)的混合性制造技術(shù)。
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(fēng)等高效能和低成本的運(yùn)動(dòng)傳感器。THELMA制程從標(biāo)準(zhǔn)的硅晶圓開始，其上會(huì)有第一層做為隔離的氧化物層（約2微米）。接著會(huì)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(fù)責(zé)作為固定機(jī)構(gòu)的支持端及移動(dòng)機(jī)構(gòu)的固定端（Anchor）的個(gè)別點(diǎn)上進(jìn)行蝕刻，以產(chǎn)生孔洞。隨后一個(gè)較厚的壘晶層（約15微米）會(huì)在其上生成，再以一片光罩來對(duì)這一層進(jìn)行蝕刻，以產(chǎn)生兼具移動(dòng)和固定單元的結(jié)構(gòu)。 最后，這一結(jié)構(gòu)下方的犧牲氧化層會(huì)以等向性蝕刻（Isotropic Etching）方式被去除，以使移動(dòng)單元成形。為降低或消除由濕度或空氣密度變異而產(chǎn)生的效應(yīng)，進(jìn)而影響此元件的共振頻率，此結(jié)構(gòu)附近的開放空間充滿了空氣，通常是干燥的氮?dú)狻５诙A會(huì)緊接著被黏合到第一片之上，以保護(hù)微小的機(jī)構(gòu)在進(jìn)行射出成形（Injection Molding）程序時(shí)施以的高壓下也不會(huì)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(shí)現(xiàn)非常小型化的壓力傳感器。其也由一片標(biāo)準(zhǔn)硅晶圓開始，其結(jié)果與采用體型微加工的晶圓黏結(jié)制程的結(jié)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(jié)構(gòu)層的厚度可以達(dá)到20微米。但與體型微加工相比，VENSENSE能制出更薄、更小和機(jī)械性能更穩(wěn)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(jié)，因此密合連結(jié)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(kuò)散（Diffusion）等制程可以將穩(wěn)定可靠的電阻整合進(jìn)結(jié)構(gòu)層中。接著這些電阻會(huì)和一個(gè)鋁質(zhì)金屬層相連，實(shí)現(xiàn)惠斯通電橋（WheatSTone Bridge）的四個(gè)分支。此金屬層接著被標(biāo)準(zhǔn)的絕緣體，如Silicon-Oxynitrid等，所覆蓋，以提供對(duì)外部腐蝕性藥劑的保護(hù)能力。因電橋具有極佳的單晶硅層壓阻特性，因此對(duì)壓力的改變相當(dāng)敏感。
4. 消費(fèi)電子市場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)傳感器
消費(fèi)電子市場(chǎng)有其自身的特點(diǎn)，消費(fèi)產(chǎn)品需要實(shí)現(xiàn)低價(jià)、低功耗、低電壓、小型化。MEMS產(chǎn)品供應(yīng)商必須要提高新產(chǎn)品的開發(fā)速度，同時(shí)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(yī)療器械市場(chǎng)，例如汽車的主動(dòng)或被動(dòng)式安全系統(tǒng)和心律調(diào)整器等。消費(fèi)市場(chǎng)的制造手段與汽車電子市場(chǎng)一般采用的大、厚且昂貴的陶瓷等封裝技術(shù)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(fā)布的全模造塑料封裝（Full Molded PLGA）目前被業(yè)界廣泛使用而成為一項(xiàng)制程標(biāo)準(zhǔn)。憑借該技術(shù)，ST只用了不到3年的時(shí)間即將其3軸加速度傳感器系列產(chǎn)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(shù)難點(diǎn)，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(chǎn)品可信度也是汽車產(chǎn)品市場(chǎng)的基本要求。而針對(duì)消費(fèi)市場(chǎng)，功耗和電壓則成為重點(diǎn)之一。目前消費(fèi)產(chǎn)品的供電電壓已降到1.8 V，電流必須小于1.0 mA。
因?yàn)槭殖衷O(shè)備沒有固定的框架作為參考，而用戶希望各個(gè)方向上的動(dòng)作都能被加速度傳感器探測(cè)并實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能，因此目前多軸傳感器方案為消費(fèi)性市場(chǎng)的主流。
模擬式輸出的傳感器方案也逐漸被數(shù)字式產(chǎn)品所取代，因?yàn)閿?shù)字式方案使產(chǎn)品整合更容易，軟件開發(fā)更快速。此外，增加中斷功能的引腳位能簡(jiǎn)化最終產(chǎn)品的整合，也是客戶的需求之一。針對(duì)這些需求，ST開發(fā)了二軸、三軸、模擬與數(shù)字式加速度傳感器以適應(yīng)不同的應(yīng)用。ST還提供參考設(shè)計(jì)和評(píng)估套件，及專用開發(fā)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(chǎng)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(chǎn)所需要的模塊化和彈性化方面的要求，對(duì)消費(fèi)性市場(chǎng)十分重要。然而，由于實(shí)際系統(tǒng)在成本、上市時(shí)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(cè)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(shí)采用標(biāo)準(zhǔn)CMOS技術(shù)來制造復(fù)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(tǒng)級(jí)封裝（SiP）方案。兩顆芯片中，一顆通過THELMA微加工技術(shù)制造而成，對(duì)慣性或柯氏力很敏感；另一顆可以是模擬或數(shù)字控制芯片，用并排或堆疊的方式來與THELMA加工成的機(jī)械性組件封裝在一起。
在SiP構(gòu)架中，微加工傳感器器芯片將加速度轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換成模擬或數(shù)字格式的輸出信號(hào)。
SiP的方法可加速多軸陀螺儀等新式運(yùn)動(dòng)傳感器的開發(fā)。由于ST采用類似LEGO（樂高）玩具式的模塊化設(shè)計(jì)，陀螺儀的機(jī)械和電子模塊可使用與已量產(chǎn)的多軸加速度傳感器相同的技術(shù)平臺(tái)，設(shè)計(jì)人員可對(duì)多軸加速度傳感器中已驗(yàn)證的功能模塊進(jìn)行復(fù)用（Re-Use），以加快研發(fā)的速度，并實(shí)現(xiàn)較低的開發(fā)成本。此外，得利于Land Grid Array封裝配置實(shí)現(xiàn)的彈性，ST可迅速將其芯片中的任意兩個(gè)模塊整合為最終產(chǎn)品，甚至包括接腳的調(diào)整。
5. 消費(fèi)電子市場(chǎng)中的壓力傳感器
壓力傳感器的傳統(tǒng)應(yīng)用為壓力和氣流等物理量的測(cè)量，主要場(chǎng)合為工業(yè)、汽車和醫(yī)學(xué)等。基于MEMS技術(shù)的壓力傳感器可用于測(cè)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(dǎo)體，標(biāo)準(zhǔn)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(duì)應(yīng)不同的加工制程。體型微加工技術(shù)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(shù)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(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)槲⑿〉碾娮柚底兞�，電容式壓力傳感器則使用兩個(gè)平行板，一個(gè)固定，另一個(gè)則是以垂直于芯片平面的方向移動(dòng)的薄振膜。當(dāng)出現(xiàn)移動(dòng)時(shí)，這兩板之間會(huì)出現(xiàn)極小的電容值變化，并產(chǎn)生輸出。輸出的電阻或電壓值會(huì)傳送給接口電路，并轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷褐怠Ｅc運(yùn)動(dòng)傳感器的作法相同，接口電路可以以芯片或封裝造型來實(shí)現(xiàn)整合。采用SiP結(jié)構(gòu)可提供較大的設(shè)計(jì)彈性，并加快產(chǎn)品上市的速度。
廠家的定制化的制程目前是MEMS微加工技術(shù)的主流，而并未出現(xiàn)所謂的理想制程。但無論市場(chǎng)上存在多少不同的半導(dǎo)體晶圓廠和制程，消費(fèi)類產(chǎn)品的關(guān)鍵是一直是價(jià)格、尺寸和性能之間的取舍。這種情況造成了目前只有少數(shù)的廠商能為消費(fèi)性市場(chǎng)提供可行的解決方案的現(xiàn)象。例如在標(biāo)準(zhǔn)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(shù)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(yōu)勢(shì)就在于使性能與封裝方式無關(guān)，掃清了進(jìn)入成本主導(dǎo)的消費(fèi)產(chǎn)品的障礙。ST最近發(fā)布的最新HLGA（Holed Land Grid Array）封裝專利技術(shù)，可使其壓力傳感器的生產(chǎn)復(fù)用（Re-Use）運(yùn)動(dòng)傳感器既有生產(chǎn)工具，讓消費(fèi)者能獲得更小和更薄的封裝。
6.運(yùn)動(dòng)與壓力傳感器的消費(fèi)性應(yīng)用類型
手機(jī)
MEMS技術(shù)的傳感器給帶來了電子產(chǎn)品用戶操作感受的變革。傳統(tǒng)手機(jī)屏幕上的頁面滾動(dòng)和放大縮小等都需要用戶通過按鍵或轉(zhuǎn)輪等來完成，而且機(jī)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(xiàn)象。結(jié)合了MEMS加速度傳感器的設(shè)備則可省略這些零件實(shí)體，實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新的界面元素。傳感器可通過用戶的動(dòng)作判斷其意圖，用戶可能只需要簡(jiǎn)單地傾斜手中設(shè)備，就能瀏覽電子書或移動(dòng)地圖，使各種復(fù)雜的操作變得十分簡(jiǎn)便。
無線游戲控制器
任天堂的Wii是市場(chǎng)中最成功的一個(gè)使用案例。多軸加速度傳感器的應(yīng)用使用戶的真實(shí)動(dòng)作變成了手持設(shè)備的鼠標(biāo)功能，系統(tǒng)通過判斷其動(dòng)作和姿態(tài)即可實(shí)現(xiàn)對(duì)游戲中虛擬環(huán)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(duì)于所有目標(biāo)用戶為年輕人的公司來說十分關(guān)鍵。
鼠標(biāo)和3D Pointer
從鍵盤轉(zhuǎn)向鼠標(biāo)是操作方式上的一次進(jìn)步，也使鼠標(biāo)成為目前電腦及周邊設(shè)備上最常見的操作接口。鼠標(biāo)一般帶有2“3個(gè)按鍵，用以輸入指令，以及作為與電腦系統(tǒng)連結(jié)的通訊接口；用戶手持鼠標(biāo)在二維平面上的動(dòng)作被用來控制光標(biāo)或指針在圖形化界面中的位置，并執(zhí)行特定的動(dòng)作。慣性傳感器的出現(xiàn)為鼠標(biāo)操作帶來了新的革命。
在鼠標(biāo)中內(nèi)置加速度傳感器可使系統(tǒng)監(jiān)測(cè)用戶的三維控制動(dòng)作，并把相關(guān)數(shù)據(jù)發(fā)送給電腦操作系統(tǒng)；如整合陀螺儀則更能強(qiáng)化設(shè)備的功能和可用性。同時(shí)，該技術(shù)對(duì)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(hù)功能
由于大量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的需求，目前除筆記本電腦外，內(nèi)置硬盤在手機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、PMP、DV等產(chǎn)品中也大量普及。而便攜式設(shè)備時(shí)常有跌落而造成數(shù)據(jù)損失的危險(xiǎn)。三軸加速度傳感器的應(yīng)用可使這些設(shè)備中的數(shù)據(jù)免受傷害。
加速度傳感器可感測(cè)到重力加速度，在跌落時(shí)，微控器會(huì)發(fā)出指令要求讀寫頭從敏感的盤片上移開以避免落地時(shí)對(duì)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(hù)。
位置服務(wù)的輔助導(dǎo)航（LBS）
在GPS廣泛普及的今天，其技術(shù)也暴露出一些缺陷。GPS設(shè)備主要通過接收器對(duì)衛(wèi)星信號(hào)的接收來實(shí)現(xiàn)定位和路線指示，而其在信號(hào)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(shí)現(xiàn)100%的可靠性，很難進(jìn)行準(zhǔn)確定位。另外，電池式的GPS設(shè)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(bǔ)GPS的不足，與之形成互補(bǔ)。DR系統(tǒng)會(huì)掌握行車的距離和轉(zhuǎn)動(dòng)偏移的方向來計(jì)算相對(duì)位置，因此加速度傳感器、陀螺儀和磁力計(jì)可被用來建立一套運(yùn)動(dòng)量測(cè)單元來實(shí)現(xiàn)這一功能。MEMS設(shè)備的低功耗也可有效節(jié)省電力。
計(jì)步器
人們?cè)絹碓疥P(guān)注自己的身體健康，各種輔助設(shè)備也被廣泛應(yīng)用。計(jì)步器能夠用來測(cè)量用戶行走的距離和速度，以確定其消耗的能量。計(jì)步器中的輸出是垂直于平面運(yùn)動(dòng)的一組周期性信號(hào)，其被安置于鞋中并可與其他設(shè)備進(jìn)行無線通訊。目前計(jì)步器已成為PND設(shè)備的一項(xiàng)重要功能，MP3播放器和多媒體手機(jī)也開始整合此項(xiàng)功能。
天氣預(yù)報(bào)和高度計(jì)
壓力傳感器能讓GPS設(shè)備或手持設(shè)備判斷使用者所在的高度，并具有天氣預(yù)報(bào)的功能。當(dāng)用戶撥打緊急電話時(shí)，GPS和壓力感測(cè)器將能自動(dòng)傳送出用戶在某建筑物中的位置和樓層高度。
數(shù)碼相機(jī)/攝像機(jī)防抖功能
數(shù)碼相機(jī)和攝像機(jī)的防抖功能可消除用戶按快門瞬間的抖動(dòng)對(duì)成像的影響，目前手機(jī)中普遍加入照相功能，這意味著陀螺儀在此市場(chǎng)具有極大的發(fā)展?jié)摿Α弘娬駝?dòng)式陀螺儀被廣泛應(yīng)用于數(shù)碼相機(jī)和攝像機(jī)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(yōu)勢(shì)，能同時(shí)量測(cè)pitch和roll軸的角加速度，也很容易與其它的運(yùn)動(dòng)感測(cè)器集成在一起。
MEMS的新興應(yīng)用領(lǐng)域
消費(fèi)電子市場(chǎng)的新型應(yīng)用甚將“MEMS的消費(fèi)性浪潮”進(jìn)一步推至“MEMS狂潮”。除了以上介紹的產(chǎn)品，MEMS技術(shù)還為其他許多創(chuàng)新性應(yīng)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(cè)器叢集的設(shè)計(jì)趨勢(shì)。ST在MEMS技術(shù)方面將繼續(xù)其小型化的目標(biāo)，另一方面，技術(shù)平臺(tái)的改良和產(chǎn)品路線圖的調(diào)整也是公司的重點(diǎn)。此外，讓客戶定制化及標(biāo)準(zhǔn)化的封裝能實(shí)現(xiàn)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(guān)注的領(lǐng)域。
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Network，WSN）是許多公司和研究機(jī)構(gòu)積極開發(fā)的另一塊市場(chǎng)。WSN曾廣泛用于軍事、安防和科學(xué)監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域，目前也逐步走向民用，例如在汽車電子中的胎壓檢測(cè)系統(tǒng)實(shí)際上就是一個(gè)簡(jiǎn)單的五節(jié)點(diǎn)WSN，其中傳感器的設(shè)計(jì)包含了MEMS壓力傳感器和加速度開關(guān)。
WSN由于還存在一些技術(shù)性的障礙，能否實(shí)現(xiàn)商業(yè)化量產(chǎn)還是未知數(shù)；但無論如何，廠商和產(chǎn)業(yè)界都能從為消費(fèi)產(chǎn)品市場(chǎng)小型低功耗MEMS傳感器產(chǎn)品的研發(fā)實(shí)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(cè)量物理量的改變，如壓力、溫度、熱量、氣流、受力、振動(dòng)、加速度、撞擊、扭力、濕度、應(yīng)變力和影像等。該概念也正逐漸走向商業(yè)化。
有許多應(yīng)用可以用到無線傳感器模組，例如家居自動(dòng)化、工業(yè)控制、安全監(jiān)控、建筑工程、農(nóng)業(yè)、環(huán)境監(jiān)控等；目前由于市場(chǎng)對(duì)安全性、娛樂性、便利性和效率等的要求，以及一些政府和機(jī)構(gòu)的強(qiáng)制性要求，給無線傳感器模組的普及帶來了機(jī)遇，同時(shí)也給MEMS供應(yīng)商帶來了挑戰(zhàn)，因?yàn)槠湫枰袑⒉煌夹g(shù)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(jìn)的八英寸晶圓廠，為Motes的量產(chǎn)建立生產(chǎn)制程平臺(tái)。
無線傳感器模組中傳感器的選用也要依據(jù)具體情況。傳感器并不一定要采用MEMS技術(shù)，有些應(yīng)用中選用已發(fā)展較長(zhǎng)時(shí)間的傳統(tǒng)感測(cè)器也許會(huì)更合適。無線傳感器模組的潛在市場(chǎng)很大，當(dāng)技術(shù)上的瓶頸被克服，其將成為人們?nèi)粘Ｉ钪械囊徊糠帧?/p>
結(jié)論
MEMS技術(shù)正在逐步走向民用和消費(fèi)類市場(chǎng)，我們正處于“MEMS狂潮”的開端，ST將以其完善的生產(chǎn)基礎(chǔ)、高效的執(zhí)行能力、對(duì)消費(fèi)電子市場(chǎng)的深入了解，以及先進(jìn)而穩(wěn)定的生產(chǎn)研發(fā)技術(shù)平臺(tái)作為此次新浪潮的重要推動(dòng)者。ST認(rèn)為，以壓力傳感器、加速度傳感器為代表的MEMS技術(shù)將在未來的產(chǎn)品中扮演越來越重要的角色，并帶來席卷整個(gè)業(yè)界的威力；WSN可帶來無窮無盡的創(chuàng)新應(yīng)用，在攻克技術(shù)難關(guān)后必將進(jìn)一步推動(dòng)MEMS的創(chuàng)新革命。
若本文收錄的圖片文字侵犯了您的權(quán)益，請(qǐng)郵件聯(lián)系我們，我們將在24小時(shí)內(nèi)予以刪除
- 如果本文收錄的圖片文字侵犯了您的權(quán)益，請(qǐng)及時(shí)與我們聯(lián)系，我們將在24內(nèi)核實(shí)刪除，謝謝！
