重新审思制造 推动MEMS市场
2013-07-18 19:25:12   来源：半导体制造   评论：0   点击：

作者：Paula Doe, SEMI

翻译：曹明霞 王懿

无论是对物联网巨大容量，或者是对传感器未来市场的预测，在更多领域使用更多传感器来收集更多数据处理更多事情的趋势是非常明朗的。有趣的问题是，在充满潜力的机遇面前什么是必需要做的，这里将讨论以下几个方面的建议：开放式平台、集成更多功能、传感器3D打印及批量封装工艺。

美国加州大学柏克莱分校的传感的中心（BSAC）的MEMS研究综述认为，传感器市场未来的大幅增长需要颠覆性低成本制造技术——更多开放式平台及更多系统集成思维，来开发更多富有创意的应用。

MEMS传感器快速增长的需求已经由利基型市场进入一个不断成熟化的产业：拥有稳定的量产能力、更小更低成本的器件、不断改进的性能、更易集成的功能、更快的市场进入时间。但未来传感器潜在的巨大应用将需要更多创新的制造技术和设计来降低成本，并需要更加专注于器件之外的增值，比如通过整合更多传感器数据及智能模块来增强系统的功能。

Kaigham (Ken) Gabriel，先前在美国国防部先进研究项目局(DARPA)任职，现担任摩托罗拉先进技术副总裁，他认为，复杂技术系统市场大规模增长的推动力是设计与制造的分离。“这意味着有意识的舍弃器件级别的性能而转向重视系统级别的设计并把握其复杂性。”他解释道。最典型的例子即是IC产业，无晶圆厂模式大大扩大了芯片设计从业者的数量，并大大提高了设计创意及新产品的多样性。他认为，整个电子系统都遵循相同的趋势，从高级编程语言中分离汇编语言大大扩大了新功能的开发。另一个较近期的例子可能是具有更广泛应用性、经济实惠、更优质量的3D打印工具，3D打印技术平台提供了意想不到用途，曾用于为动画片ParaNorman中的男主角Norman打印了30000张3D不同表情的面孔。Gabriel认为，新兴的传感器平台将带来许多难以想象的应用，第一次世界大战法国Marshal Foch将军著名的观点是认为飞机是有趣的玩具，但没有军事价值。“这就是为什么要规模化生产——进而产生新事物” Gabriel表示。

由DARPA和半导体研究公司（SRC）的行业合作伙伴资助发起的TerraSwarm研究项目，致力于搭建无线传感网开放式通用平台。“我们的目标是提供应用开发平台，通过多种创造性思维来服务于传感网。”UC Berkeley教授Edward Lee表示。他指出，Apple应用程序平台在短短几年内开发了令人无法想象的应用领域。而无线传感器网络尚未如预期那样开发，因为到目前为止该网络还在封闭的系统中运行。

Fairchild Semiconductor公司MEMS及传感器解决方案副总裁Janusz Bryzek认为，通过专有设计作为竞争优势，将比现在同时拥有专有工艺和设计的市场大100倍以上，巨大的市场潜力将鼓励企业合作开发标准的MEMS制造工艺。而一些MEMS分析师并没有看到低成本传感器网络的巨大市场，鉴于目前技术和成本的限制，由应用带动的技术市场的创新并没有被预测到。像Bosch、Hewlett-Packard及Intel这样的公司都在关注大型传感网中传感器的应用，比如油田监测、移动情境感知、家庭健康监护等。

MEMS制造商需要大幅缩短开发时间到几个月，而不是几年；并需要使用更加标准的生成工艺，来不断减少传感器的尺寸及成本。当被问及MEMS标准化工艺的不可能性时，Bryzek指出过去的标准工艺比如Sandia的Summit V及Memscap的MUMPS虽然限制了量产能力。但是，最近InvenSense开放了具有批量生产能力的电容式惯性传感器工艺平台，并获得很多组织机构支持，目前已经设计并加工了几个多项目晶圆（MPW）。其实，主要的电容式传感器系列都可以采用一些通用的方法来解决。其他小组成员指出，MEMS传感器目前已经足够用于大多数应用中，不论是从传感器还是到系统其价值均已明朗化。

Bryzek建议，一些高产量低成本的传感器应用需要一个全新的制造模式，比如卷对卷式（roll-to-roll）3D打印；同时，加速开发时间需要一个路线图。他在斯坦福大学举办一个专题研讨会来探讨未来能够用量大的传感器应用、未来生产所需要的技术、以及潜在的竞争前机制，比如财团资助工作。

其它推动力：更低封装成本、数据到信息的转换及增加功能性

启用传感器网络需要一些低成本的无线传输信号，及多芯片低成本的封装解决方案。Alien技术公司创立人及CTO John Stephen Smith发布了公司小尺寸、低成本无源RFID标签，这种标签已经用在Macy’s, J.C. Penney’s及Walmart服装库存管理，以及铁路枕木来追踪使用年限及更换需求，并用在露天矿中跟踪矿石的产地。该公司已经将RFID标签的成本降低至美分级别，芯片尺寸降低到仅0.5mm x0.5mm，并将这些微小的芯片组装到生产成本最高的天线/基板上。为显著降低传统拾取放置（pick and place）封装，Alien使用KOH腐蚀芯片背部形成一个面状，然后使用微射流技术技术将小单元流入衬底的凹处。Smith表示，这种高效的批处理过程能够将封装成本从0.01美元降低至0.001美元。

另一个令人印象深刻的关于创新型传感器的例子是如何整合来自多个传感器的数据来增加真正的价值。Proteus Digital Health利用带有睡眠模式加速度计的胶囊传感器数据能够对疾病进行早期预警。这个传感器使用类MEMS电极工艺在芯片上增加铜和镁层，当吞咽后遇到胃酸会被激活，然后发送信号至类似于邦迪的裹伤布接收器。加速度计放在裹伤布内部同时记录使用者的活动，信号可以传输到智能手机或电脑进行分析。Mark Zdeblick 创立者及CTO称：“现在来自裹伤布的数据转换成有效的信息并形成跳跃的图表，”Mark Zdeblick 创立者及CTO称，“通常，这些图表和紊乱的睡眠模式可以预测精神病人的发病情况。具有药物依赖性疾病的人们更倾向于穿戴这种裹伤布，因为这不会像药物那样产生更多负作用。”这家公司正在探索如何利用智能手机来提醒或奖励采用其医疗方案的病人，如短信提醒、亲友通知、小回馈（足球集锦录像或救助非洲生命的捐赠）。

通过更加智能的工艺集成更多功能将促使MEMS市场增长，如今甚至扩展至MEMS时钟领域，相较于传统的分立器件，SiTime公司联合创始人兼副总裁Mark Lutz表示：“如今客户正在要求更多的功能，比如多时钟、或睡眠/唤醒功能。MEMS时钟作为新兴技术具有广阔的取代市场，另外通过增加新功能能够开拓真正的市场。最新的MEMS时钟性能比石英更加优良，我们将致力于不断提高它的性能参数。”另外他提到将谐振器与微控制器或前端调制解调器封装在一个片上系统的可能性，来取代目前器件单独封装的方案。