MEMS想要真正成为21世纪最重要的技术,那么必须首先解决封装问题。但在诸如低成本陶瓷、模塑塑料腔体和晶圆级封装等关键领域,还需取得重大进展。
MEMS是最终可以将各种物理现象,包括运动、光、声、射频、化学和计算等,集成在单个芯片上的技术。量产的商业化产品可以传感复杂的运动,测量微弱的力,或者推动流体。一些最新的产品可以接收和发射光束,另有一些可以用于检测特定的分子,还有一些可以同时实现多种传感功能。如果将逻辑电路看作大脑,那么MEMS就提供了眼睛、鼻子、耳朵、触觉器官、味蕾以及其他超人类的感觉能力。MEMS同时还提供控制和操作功能,对应的手和手指使得芯片可以操作物体。这种运动、传感、控制和计算的融合代表了技术的巨大跨越。

MEMS技术在本质上是将机械、光学、电气和电子的子元件融合成一个集成系统,将会是本世纪最重要的技术(图1)。开发者还加入了光学和光子器件,即“MOEMS”,或者称为光学MEMS,已经成为目前越来越流行的一个分支。现在我们可以将现有的技术强有力并多样化地融入到单个芯片中。可以制作非常小的机器,实现与宏观世界中巨大设备一样的机械、光学、电气和电子功能。
这类似于将我们的日常工具缩小到微小芯片上。MEMS是终极意义上的片上系统(SoC),像古语的新体现,“将世界缩小到一个芯片上”。
然而,目前MEMS呈现出一种“新”与“旧”的自相矛盾。MEMS一直是一种很热的“新”技术,在这十年里才变成众所周知的。所以是否可以说它是新的呢?奇怪的是,MEMS技术与IC一样成熟。但MEMS又和纳米技术一样时髦。而且二者经常被放在一起,融合在一起变成纳电子机械系统(NEMS)技术。纳米技术的概念通常归功于诺贝尔奖获得者Richard Feynman和他在1959年所作的著名演讲:“There's Plenty of Room at the Bottom”。但Feynman在提供第一个MEMS挑战并要求向制作出体积只有1/64立方英寸可操作电子马达的人员提供奖励时,也提到了MEMS。在其之后不到十年的时间里,出现了将基本MEMS原理细化的专利。然而,先进MEMS才刚刚开始,而且很多新器件还处于仿真或实验阶段。最好的还没出现,MEMS确实还处于萌芽阶段。
现今MEMS与IC齐头并进向前发展。大多MEMS都是半导体技术的一种巧妙的扩展,修改晶圆制造工艺可以在制作集成电路的同时在硅片上制作机械和宏观世界的结构。MEMS建立在巨大的半导体工业之上,可运用坚实的知识基础,并与合适的固态电子技术结合实现增效。然而,MEMS还会带领我们远远超越电子学,使芯片可以承载多种能量形式,包括机械力、光波、射频微波,以及传统的电能。MEMS技术可以提供现有最高级别的集成能力和功能性。运动、光、声、热、无线、反应分子和电子,都可以在这些不寻常的芯片中得到融合。MEMS是所有科学和技术的“融合中心”。其关键是将相似性不高的系统极端集成为一个微小的形式,进而产生独特的、有价值的和实用的功能。最为重要的是,MEMS使用晶圆级制造技术进行加工,具有高度并行的生产能力。由于MEMS可以将马达、发电机、泵甚至叶轮机等缩小到半导体尺寸范围,其最终将可以在单个芯片上搭建出一个工厂。
商业上发展最迅速的部分依然是运动传感器,不管是已经地位稳固的供应商,还是新加入的供应商,都不断推出新产品。安全气囊在生死时刻的开启,就是根据多种MEMS加速度器采集的信号来控制的。这些芯片传感突然的减速,并在瞬间决定何时开启安全气囊。较新的MEMS陀螺仪甚至可以阻止翻车的发生。惯性传感器持续在宽广的工业领域获得新的应用。尽管安全气囊系统依然是最大的市场,但很多新应用,比如磁盘驱动自由下落探测器以及创新的消费产品等,正不断占据市场份额。MEMS运动传感器已经进入消费者应用领域,包括手机计步器、游戏控制器以及iPhone的输入设备等。

光功能的加入给我们带来了MOEMS,同时也增加了多样性。MOEMS的一个例子是德州仪器在单个芯片上集成了超过一百万个微镜,这些微镜可以选择性的运动,形成便携式投影仪、数字影院系统和HDTV。但同时在MOEMS领域,还存在来自诸如Spatial Photonics、Miradia、Microvision和其他的一些小公司的竞争。由于这一技术的多样性,存在很多种实现策略。比如TI在其投影仪产品中使用超过一百万个微镜,而Microvision却将一个高速多轴微镜和一个激光器结合在一起使用(图2)。
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