微机电系统的麻烦

物联网的出现将为基于mems的传感器带来一系列新的机会，但芯片制造商正在谨慎地推进。

这种克制有很多原因。微机电系统难以设计、制造和测试，这在MEMS生态系统中最初引发了乐观情绪，认为该市场将获得与模拟设计相同的优势。MEMS芯片是为特定应用定制设计的，许多都是定制的工程奇迹，具有微加工运动部件和先进的电子控制。

然而，定价并不总是与开发这些设备的重要性或难度成正比。例如，加速度计、陀螺仪和电容式触摸传感器在智能手机中已经变得如此普遍，以至于大型系统公司能够让一个小供应商相互竞争，以降低平均销售价格。尽管销量巨大，但平均售价却大幅下跌。

“如果你看看陀螺仪和加速度计，每季度价格下降3%到5%，”该公司技术营销总监迈克·罗莎(Mike Rosa)说应用材料' 200mm组。“MEMS领域的连续创业者都在谈论一个停滞。系统供应商一直能够推动高销量的增长，但他们压低了价格，以至于很难维持业务。而且，制造每一代新设备都不会变得更容易。”

这一观点得到了代工厂的响应。“对于MEMS来说，这是一个充满挑战的时期，”UMC商业管理副总裁Walter Ng说。“系统人员希望将MEMS推向商品水平，尽管它实际上是定制开发。如果我们把它推到商品层面，这是一项很难支持的业务，这就是为什么要努力实现标准化。但与此同时，也有很多定制流程的要求。”

这些定价压力降低了最受欢迎市场的创新数量，因为没有足够的利润来支持创新，同时促使企业寻找成本压力较小的新市场。MEMS市场的新进入者是麦克风，他们使用多个麦克风来获得更高质量的音频输入Coventor．“我们还看到了用于指纹识别和手势检测的微型超声波换能器的新市场。它们比电容式MEMS具有更低的噪声灵敏度。汽车也有很多新功能，比如安全功能。”

什么是MEMS器件?
MEMS，顾名思义，是通过机械和电气工程相结合构建的系统。它们可以包含一些活动部件，或者根本没有，它们的范围从相对简单到极其复杂。直到2006年，在安全气囊和喷墨墨盒等狭窄的市场之外，它们基本上都是闻所未闻的。那一年，任天堂推出了内置加速计控制器的Wii。MEMS市场在那之后爆发了，向各个方向扩展，包括智能手机和其他便携式设备。

如今，MEMS芯片被广泛应用于各种领域，从微型阀门、微镜、麦克风压力传感器，到芯片实验室(例如，芯片实验室可以在几分钟内而不是几小时内检测一滴血)。

MEMS芯片上的齿轮。来源:Mentor Graphics

制造这些设备通常利用现有的制造技术，但其中一些技术来自设计的前沿。这包括一整套先进的技术，包括多种类型的沉积(化学汽相淀积，周围性血管疾病，低压CVD，“肾上腺脑白质退化症”)他们还利用一系列光刻技术，许多蚀刻方法，包括深度反应离子蚀刻，以及从SOI衬底到钪薄膜的材料。

资料来源:MEMS &纳米技术交易所

MEMs芯片通常分为四类:

•电容。这项技术可以用来检测任何导电的东西。它们可以在触摸屏和指纹传感器中找到。
•陀螺。这些设备使用振荡组件来检测任何方向的加速度。
•压电。这些基于薄膜的设备仍处于早期推广阶段，但预计将用于各种应用，包括能量收集。它们在机械压力下产生电信号。
•激光。这些设备也处于开发阶段。基本的前提是，他们可以为各种目的微调激光，从先进的汽车大灯到声光滤波器。

据MEMS和纳米技术交易所称，MEMS通常由四个基本组件组成:微传感器、微执行器、微电子和微架构。

在哪里使用什么取决于价格压力的组合，这可能会影响研发和制造，以及技术的成熟度和特定应用需要多少性能。

新方法
虽然MEMS确实在手机市场获得了普及，但该行业在物联网中的作用可能会大得多。为了物联网的成功，传感器将无处不在。其中许多传感器将采用MEMS芯片。一些产品将被标准化和商品化，而另一些产品将获得更高的价格，因为MEMS客户在市场上没有那么多的锁定——至少在最初没有锁定。

应用材料公司的Rosa说:“麦克风是销量超过数十亿美元、收入超过10亿美元的五种设备之一。”“不同的是，麦克风保留了毛利率。手机有很多很酷的功能，但如果麦克风不能用，它基本上就是一块砖头。随着性能的提高，将会有新的应用。仅在汽车中就有多种降噪应用。”

他指出，用于麦克风的MEMS正在从电容式迁移到压电式，而性能的提高也来自于新材料。

SOI就是这样一种材料。其优点是晶圆更厚，这使得它们更容易使用，因此可能更便宜。一些早期的MEMS芯片是基于晶圆的，其堆积物只有2到4微米。

考文特公司的布雷特说:“即使是惯性传感器，特别是工业和军事应用，仍有很大的改进空间。”“对于消费者市场来说，现有的技术已经足够好了。“但对于物联网和可穿戴设备来说，它们需要更小的尺寸，因此必须与其他技术集成。”这基本上是一个IP游戏，但与芯片的其他部分不同，因此它将需要晶圆键合或某种类型的封装。这些设备将在数十或数百微米，因此在芯片上使用这一区域对MEMS来说没有意义。”

测试
测试MEMS需要一系列的方法。由于其中一些芯片涉及带有移动部件的机械设备，因此测试可能涉及物理摇动它们，并测量部件的运动范围或结构完整性。但这部分测试市场也有其自身的问题，包括成本。

“大铁ATE是多余的，不适合成本敏感的MEMS部件，”该公司首席市场开发经理Joey Tun说国家仪器．“但标准化也很少。每个半导体公司都将MEMS视为重要的知识产权，并参与测试。这是一个完全不同的物理刺激世界。这需要很多垂直领域的知识。”

Tun说，包装本身可能需要一个线性加速器或旋转测试。但也有一些基于开放平台的diy方法，这有助于自定义。

“最终客户决定如何测试设备，”他说。“因此，以汽车为例，测试将更加严格。目前，MEMS大约30%到50%的成本与测试相关。这一比例正在下降，但现实世界仍然给测试带来麻烦。物理刺激本身也有不确定性。它需要微调和校准，如果你真的需要微调它，可能需要很多时间。”

技术的改进
随着MEMS行业开始将钪和掺杂氮化铝等新材料用于下一代射频滤波器和喷墨打印机中基于压电的MEMS，微调和测试将变得更加普遍。

应用材料公司的罗莎说:“喷墨最初是溶剂型墨水，但现在它们是蜡基墨水。”“要喷射它，你需要将蜡融化到100°c。但要喷射粘性更大的材料，你还需要一个能够提供更高力的驱动器。压电驱动装置可以提供更高的力。”

罗莎说，钪现在也在射频滤波器和指纹传感器中使用，浓度在5%到40%之间。每5%相当于一个分贝的信噪比。“如果你看看射频滤波器，它基本上是一个响应频率的钟形曲线。钪的作用是收紧曲线的侧壁，从而减少对其他信号的干扰。”

到目前为止，几乎所有的MEMS制造都使用200mm晶圆。但随着汽车零部件和物联网设备需求的增长，200mm晶圆厂的利用率提高，晶圆代工厂开始将300mm晶圆厂用于MEMS。关键问题在于，它能否产生足够的盈利能力，使投资物有所值。

UMC的Ng说:“由于没有标准化，在这个行业的大部分地区，流动的规模和再利用是不可能的。”“我们在专注于特定应用以获得规模经济方面取得了一些成功。但对于某些设备来说，这也是一个挑战。它们的体型非常小。这不是一个巨大的应用处理器。它们的面积很小，所以聚合的晶圆体积并不大。”

然而，200mm是有限制的。一个200毫米的陀螺仪没有足够的空间来适应大的侧壁倾斜。这个问题在300mm的工具中消失了。此外，Rosa表示，由于asic(其中许多采用300mm工艺制造)与MEMS芯片之间的相互作用日益增强，将两块300mm晶圆连接在一起更加简单，成本效益也更高。

“ASIC变得越来越复杂，输出越来越多，客户正在努力在单个芯片上集成更多，”Rosa说。“我们在MEMS中继续看到的三件事是驱动设备的新设备，现有设备的新应用，以及持续的价格侵蚀，这迫使企业创造性地思考定价策略。”

这些创新策略包括晶圆键合，在先进封装中堆叠ASIC和MEMS，或完全集成的单片ASIC和MEMS，其中MEMS直接堆叠在CMOS上。它还包括向PVD室中添加更多的材料来制造新的薄膜。

结论
毫无疑问，MEMS将在各种市场中发挥越来越重要的作用。压力和运动传感器是物联网和连接设备的关键部件，MEMS是核心技术。

但价格侵蚀将继续困扰这个市场，直到有足够的整合来产生更大的参与者，或者有足够的需求来掩盖这些芯片的供应，并保证更高的投资回报以及对新技术、方法和制造工艺的增加投资。

至少就目前而言，许多公司都在停下来权衡自己的选择。目前仍有大量MEMS芯片正在设计和制造中，但未来几年将发生什么尚不清楚。

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