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綜觀MEMS系統整合與挑戰
 

【作者: 陳淑芳】   2007年12月03日 星期一

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MEMS系統整合前景看好

微機電系統(MEMS)是整合機械與電子的半導體技術,同時具備電子與機械特性,透過一連串微加工(Micromachining)步驟,來進行電子訊號處理與機械可動結構區塊之製造,並具備微米至厘米尺寸的微系統元件。


MEMS以其輕、薄、短、小之特色,大量應用於消費性電子產品與醫療等領域。由於橫跨機械與電子領域,除了多樣化的產品架構(如微結構、微致動器、微感測器)與應用領域(如車用、消費電子、工業、資訊、生醫、環安)外,更有不同的製造材質與製程技術(如LIGA、Silicon Based、Polymer)。而可與半導體技術進行高度整合的Silicon Based MEMS技術,也成為近年來業界新寵,並促進MEMS系統整合的高速發展。


《圖一 MEMS初始晶粒(die)顯微圖 》
《圖一 MEMS初始晶粒(die)顯微圖 》資料來源:SiTime

根據預測,2007年全球MEMS的市場規模將達到190億美元,到了2009年更將成長到260億美元。全球MEMS市場持續呈現成長態勢,而MEMS技術也被多種應用領域所廣泛接受,特別在通信產業的年複合成長率更高達60%。


MEMS與半導體

只不過儘管與IC設計產業有幾分相似之處,MEMS畢竟與IC設計有所區隔,加上應用範圍廣泛,且多針對特定功能而設計,因此無法以單一標準製程量產。MEMS在生產過程中,最大的問題在於產品的封裝作業,也由於封裝作業的困難成為MEMS發展上的主要瓶頸,MEMS市場也出現群雄各擁技術的場面。


MEMS與半導體產業雖然各自獨立,然而在發展的過程中難免激盪出火花,並漸漸朝向整合之路邁進。聚集化MEMS(MEMS on IC)便是將MEMS結構整合至以矽半導體之上,這也使得MEMS與半導體之間的界限開始模糊,而MEMS與IC的整合也成為全新的技術發展與應用趨勢。藉由與半導體IC的整合,MEMS得以運用其成熟技術與豐富資源,加速開發時程、強化產品效能並降低製造成本。而半導體與MEMS的異質性整合,更可克服目前IC元件之發展瓶頸,刺激新的應用與需求。未來只要MEMS技術與IC設計產業加速整合,標準製程的出現將為MEMS產業帶來全新的發展契機。


《圖二 MEMS應用於顯微醫療技術示意圖 》
《圖二 MEMS應用於顯微醫療技術示意圖 》資料來源:Microvision

RF應用持續成長

在MEMS應用中擁有最豐厚獲利的,就是RF MEMS的微波和毫米波應用。這和傳統商用元件不同之處在於,RF MEMS元件具備系統整合與微型化發展潛力,同時擁有低功耗、高線性特性與高因數品質等特點,還可以採用不同的製程技術製造這些元件,例如以矽、砷化鎵(GaAs)、碳化矽(SiC)和絕緣矽(SOI)等不同製程製造。


RF MEMS絕大部分應用於軍事和車用電子。在軍事用途方面主要是雷達陣列系統,這樣的雷達陣列可使用多達50萬個RF MEMS切換器(Switch)。車用領域則包括雷達防撞系統等。


RF MEMS切換器在低頻(VHF約10GHz)的串聯配置中,插入損耗(Insertion Loss)約0.1dB,隔離度約30dB。這些特性使得RF MEMS切換器非常適合用於RF前端、電容器等。而工作頻率高於10GHz的RF MEMS則可應用於高速儀器前端和車用雷達中。目前許多研究發現RF MEMS元件可以整合於同一CMOS晶片上,這將帶給RF MEMS元件更寬廣的應用。未來MEMS元件也將持續提高整合度,在單一晶片上同時具備MEMS元件、信號處理單元及控制器等。


價格合理化提高普及率

由於MEMS元件價格漸漸下降,也使得原本令人卻步的高價MEMS系統逐漸普及至一般消費者的生活當中,例如手機中的MEMS麥克風、各種行動裝置的加速計、全球定位系統的陀螺儀等。這都是歸功於MEMS製程技術的改進,使得產品良率大幅提升,價格的降低對於MEMS前進消費性電子市場特別重要,畢竟消費市場最敏感的便是價格,而未來MEMS的成長也將會由消費性市場的需求所帶動。


MEMS系統整合應用日益廣泛

隨著消費市場需求的增加,預計MEMS麥克風取代傳統麥克風、矽振盪器取代石英振盪器,以及三軸加速計的應用將會是近期MEMS市場的重要發展指標。此外,微型燃料電池則將是另一個最具發展潛力的MEMS應用商品。簡單區分目前MEMS的應用市場,IT領域佔有最大比重,例如印表機噴墨頭。而車用市場則較為成熟,例如壓力感測器、加速計、安全氣囊、ESP(Electronic Stability Program)、側面防撞、胎壓感測,以及GPS導航系統和陀螺儀等。而目前炒得的消費性市場,則有任天堂的Wii遊戲機使用三軸加速計,以及筆記型電腦的硬碟保護機制等。MEMS市場的快速發展,主要是技術的成熟加上成本的下降。未來幾年除了汽車將大幅採用MEMS元件用於無線胎壓感測用途之外,成長最大依舊會是消費性電子市場。


《圖三 MEMS應用於頭戴式顯示器 》
《圖三 MEMS應用於頭戴式顯示器 》資料來源:HP

標準製程帶來新契機

儘管MEMS市場規模龐大,然而由於各廠商的產品應用領域不同,加上相異的製程技術,使得不同產品市場規模相對變小,例如德州儀器(TI)擁有的DLP技術、惠普(HP)的印表機噴墨頭、Avago的濾波器、樓氏電子與Akustica的MEMS麥克風,以及ADI、ST及Freescale的加速計等。根據調查,2006年全球MEMS營收第一名的TI,其營收也僅為8.83億美元而已。


由於MEMS與IC間的結合越來越緊密,因此各廠商正積極開發標準製程以開發更多商品,例如Freescale與Akustica都以CMOS製程來生產MEMS晶片。未來隨著MEMS標準製程的完備,提高產品整合度,將會為MEMS市場帶來更大發展契機。


封裝是最大挑戰

由於MEMS各類產品的使用範圍和應用環境差異頗大,封裝並無統一模式,常根據產品不同而選擇不同封裝技術。根據估計,封裝在MEMS產品總成本中佔有70~80%的比重,由於不具備標準製程,加上MEMS產品出貨數量比一般IC數量少,因此多數封測廠較不願意進行MEMS產品的封裝和測試,封裝技術也成為MEMS生產的瓶頸。


用整合來降低MEMS產品體積與成本,目前在技術上尚存在難度。具體來說,MEMS產品的封裝與傳統IC並不相容,傳統的MEMS封裝主要有金屬封裝、陶瓷封裝和塑膠封裝等三種形式。近幾年開發出較完善的封裝設計,包括晶片級封裝、圓片級封裝與系統級封裝。隨著IC製造技術的進展,採用與標準IC製程技術相容的MEMS架構也越來越多,同時由於CMOS技術的成熟,使得將各種電路與MEMS元件整合為一SoC成為可能。只要MEMS元件能夠使用統一的標準封裝,將成本降低並加速MEMS產品上市時程,例如模組化的MEMS封裝設計便可能是MEMS封裝重要的突破關鍵點。


《圖四 MEMS架構微影圖 》
《圖四 MEMS架構微影圖 》資料來源:SiTime

聚集化MEMS之發展契機

MEMS與IC之整合,可簡單解釋為MEMS結構與完整IC的整合技術,或稱為聚集化MEMS(MEMS on IC),廣義來說,凡架構於矽製程之上,藉由整合不同功能的矽電子元件以提供MEMS產品多元功能的微機電技術,都可稱為聚集化MEMS,或稱Integrated MEMS。其發展層次大致上可分成次元件、元件、基本微系統、半獨立微系統與全獨立微系統等五個層次。在次元件層次上僅具備基礎電子元件,到了全獨立微系統層次上,則已經整合了所有相關的電子區塊,並具備自有電源。隨著整合技術的進步,聚集化MEMS可將常見的離散元件(內部處理電路、機械結構與輸出入裝置等)微型化,整合成單一晶片系統,創造更多元化的應用空間。


結語

MEMS技術涵蓋微機電與半導體領域,在發展上各自都遭遇瓶頸,然而MEMS朝向高度系統整合發展將是不變的趨勢。過去微機電產業由於多樣化與少量生產的特性,使得發展力道與投入的資源無法集中,這使得微機電產業不論是技術或成本都無法取得如半導體產業般的優勢。而今在聚集化MEMS的發展趨勢下,MEMS技術將可結合半導體產業豐富的資源,獲得效能、成本、資源與產品差異化等優勢,而透過SoC的異質化整合技術,將為MEMS系統整合帶來更大的發展空間。


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