MEMS技术：现状与未来趋势

在美国Globalpress Summit 2007期间，有多组讨论会，MEMS技术就是非常引人注目的一个。

技术市场

主持人Jim Walker：Gartner

就定义而言，MEMS(微机电系统)是感知、计算和执行的融合。它也是一种制造技术。它本身并不是某种产品。它为什么重要？从根 本上说，MEMS把电子和机械特性结合了起来。它可以同时执行物理、化学、生物等方面的功能，因为它能同时发生化学反应和电作用。它实质上是终极的片上系统，是科学和技术的终极融合，而且生物也可以与之兼容。

从MEMS市场的角度来看，2005年MEMS原材料的市场规模是3.85亿美元，这些是与MEMS产品和半导体产品直接相关的。到2010年会翻一番，CAGR(年复合增长率)可以达到15%。2005年器件的市场规模是53亿美元，在2010年可以达到100亿美元。更重要的是，希望大家看看MEMS系统，它将是采用了MEMS产品的最终电子产品，到2010年，其规模将达到950亿美元。

如今，MEMS的应用对象都是最常见的东西。TI的DLP是一种MOEMS(微光机电系统)，还有喷墨打印头，这是MEMS的两个最大的应用领域。但是，当前还有相当一些应用，其历史甚至比这两种产品更长，其中大多数是在汽车方面，例如气囊传感器及相应的执行器，燃油系统中所采用的气压传感器和氧气传感器。在车身上也有MEMS，如GPS、麦克风，这些领域是未来几年中将取得巨大增长的领域。在声学方面，有公司在经营相应的业务，包括用于手机的麦克风，手机中的防冲击装置中的动作检测和执行等功能。

最后一种是生物医学传感器，可以植入人体。这也将是未来会获得巨大增长的领域。你可以在这里看到一些昔日的设想变成了现实，有DNA分析仪和光开关，他们是5年前所实现的，现在不那么引起人们兴趣了。MEMS是科学和技术的聚合体，汇集了各方面的学科，如化学、通信、医疗、影音、光学、电子、机械，合成为终极的片上系统，如MOEMS。

惯导应用

Honeywell - Earl Benser，先进技术事业部航空航天组微系统先进传感小组主任
我将简要介绍一下我们在将MEMS变为实际产品的过程中进行的活动和实现的转变。Honeywell在MEMS技术的开发和产品化方面有着悠久的历史，从1970年代末期就开始了，当时是从质量流量传感器入手的，主要针对家庭和建筑的环境控制。另外的一个成功的领域是用于非冷却红外成像的红外探测器，其规模仅次于流量传感器。我们向这一领域的多家制造商发放了许可证。除此之外，我们还有种类多样的MEMS器件系列，主要针对传感应用。最近，我们的主要活动都集中在MEMS技术在惯性器件的应用上。我们已经开发，而且现在航空航天产品中部署了这些技术，具体来说就是惯性测量系统和惯性基准系统。MEMS的加速度计和陀螺正在替代非MEMS的器件。这种替代使得产品的坚固性得以提高，而在功耗、尺寸、成本等方面得以降低，这些产品尺寸小、价格相对低廉，能提供优良的性能，可以与其他导航系统实现深度集成，这推动了在新产品中的应用。

我们正在用MEMS技术取代惯性产品系列中的成员。传统上，惯性基准和惯性测量单元所使用的传感器总是回转质量陀螺仪等，Honeywell在70年代末和80年代初开发激光陀螺，现在这种技术在航空航天类产品市场上占据了统治地位。现在我们用MEMS陀螺来取代部分的环形激光陀螺，这正如我们前面所说的那样，减小了尺寸和重量，提高了坚固性和性能，而且价格更低。对客户及其产品来说是一种非常有吸引力的技术。

通信与医疗

Olympus - George Yokoi, MEMS传感器与应用部高管

 我过去是半导体工程师，现在转向日本Olympus公司的MEMS和NEMS技术方面的创新开发、许可证发放、调研、采购和孵化工作。今天我要介绍那些通信与医疗有关的MEMS技术。

除了通信、无线技术外，我们还研发显示器、摄录机、扫描仪以及人机接口，以实现随时、随地为任何人服务的无线通信、处理等功能。可以设想一下，未来在桑那浴室，裸体的人们可以在手上带个手环，再置入一些装置，然后就可以实现通信了。

Olympus同样提供医疗方面的技术，以前提供的是包括只能提供观察结果的内窥镜在内的几种技术，现在则提供集成了多种仪器的药物释放系统(Drug Delivery System, DDS)。最近，我们向市场发布了新的胶囊式内窥镜。在欧洲，我们已经在去年将产品交付到医生手中。现在我们正在等待美国的FDA和日本政府批准在两国国内的使用许可。我们将展示这个胶囊式内窥镜中的MEMS技术，包括封装和材料。它内部没有电池，所以我们从外部通过电磁手段提供能量。其内部有CCD和LED照明、捕捉图像的传感器、图像处理系统，它可以将信息传送到外部的终端上。

时钟

Silicon Clocks - Andrew McCraith, 创始人

Silicon Clocks提供时基解决方案。正如前面所提到的那样，MEMS只是一种技术。客户购买产品，而技术的意义就到此为止。Silicon Clocks提供基于创新性的MEMS和IC技术的时基解决方案。

公司成立到现在有几年的时间。技术团队既包括MEMS技术人员，也包括时间基准的调理技术方面的老手，他们已经提供了上亿的时钟产品。我们把这两种背景结合起来，得到了利用MEMS技术的时钟产品。

大家要问的一个问题是，这些各异公司都是什么来头，他们究竟相互间有什么特色区别？时钟产品方面的公司有数十至上百家。到目前为止，传统的技术是石英晶体。厂商们形成了两个阵营，第一类厂商生产振荡器。他们实际上生产石英晶体模块，提供双芯片方案，瞄准低端消费类市场，提供最简单的时钟信号功能，例如数码相机、手机、PC上用的。市场的另外一端是时钟IC，厂商包括ICS(编者注：2006年已被IDT收购)，Silicon Labs和Cypress。这些产品的价值更高，特色更为鲜明，也更为复杂。MEMS大潮的确提供了一种替代方案。第一批冒出来的公司像石英振荡器厂商那样生产双芯片模块，并瞄准低端市场。

Silicon Clocks是如今唯一一家生产单芯片MEMS时钟解决方案，瞄准高端市场的公司。

另一个要问的问题是：MEMS时钟技术何时能得到大发展？我们认为，MEMS时钟技术将像其他技术那样经历3个阶段。第一个阶段是仅仅实现独立的MEMS结构，只是从学术上展示MEMS技术的可行性。过去在技术上当然存在限制，特别是在相噪声和稳定性方面，独立的结构可以解决这些问题。下一个阶段是开放集成的解决方案，如双芯片模块，这种方案可以解决简单的技术问题，但为客户提供MEMS的全部优点——它们在外表上与现有的产品是一样的，只是内脏更换了。真正的创新是单芯片的解决方案，它可以带给你双芯片方案所不能提供的新能力，特别是功耗、可靠性、尺寸和新功能。采用单芯片方案后，可以制作多个MEMS结构，从而提供多种的时基和冗余性。你还可以把多块芯片集成为单芯片。此时，我们就会看到市场广泛采用MEMS技术。最初可能有人采用MEMS模块，而最终，正如惯性器件和麦克风一样，实现了单芯片集成后，市场才会充分采用MEMS技术。

开发工具

SoftMEMS - Mary Ann Maher博士,创始人

我们公司的使命是在向那些计划在系统中采用MEMS器件的设计师们提供解决方案。方式是提供设计工具和流程，并为工程师提供服务和培训。

正如前面提到过的那样，MEMS是电路上的机械部件，是机电合一的系统。所以，我们通过与主要的EDA方案供应商的合作，以及与主要的MDA(Mechanical Design Automation，机械设计自动化)供应商的合作，来提供CAD平台。我们也与MEMS和IC制造商合作，但是主要是通过提供设计套装和实验室的方法，来让我们的客户能更为有效地利用这些Fab的服务。

MEMS的市场和方案已经随着MEMS设计师的需求变化而发生了变化。在早期的微系统开放方面，最常见的问题是：我们到底能不能做出这样的产品来。最早的产品是由专业知识深厚的微系统专家开发出来的，其过程非常复杂，而且上市时间长。现在，我们很高兴地看到已经出现了许多MEMS产品。设计者在不断提出各种各样的问题，于是我们提供了不同的CAD工具。譬如，厂商总是希望提高成品率，提出统计类工具来提高MEMS的产品率。客户也在考察成本分析工具，因为如果我们能降低产品的成本，就能进入新的市场。客户在进入新的市场领域时还需要对自己已有的设计进行复用。

人们也会考察自己应该采用何种技术。于是我们就提供了技术评估工具。最后，人们在根本还没有开发出产品前，就希望对其进行优化了。

SoftMEMS的工具必须照顾到MEMS方面的特殊需求，而这些需求与EDA工具不同。MEMS涉及不同的能量域，有电、机械、热、磁、光等。MEMS的设计也相应要求团队合作。团队里需要电、生物、封装、测试、材料等方面的工程师合作，他们还将共用软件工具。在许多领域，产品和方法都已经相当成熟，但另一些领域则还处于研究阶段。与EDA不同的一点是，不像数字设计那样有原理原型。最后，我们的封装是对外界开放的，要帮助人们为MEMS设计出好的封装的确是一个挑战。

系统设计师们必须能用上现成的MEMS部件。所以，我们必须帮助开发出那些不仅能帮助系统设计者评价这些IP，而且还能将其集成到这一系统中，并融入设计上已有的基础环境中。而这一基础环境往往来自于EDA行业。我们的工具的作用就是帮助客户生产软IP，它们在尺寸和性能上都可以扩展，以植入系统中。