流程和標(biāo)準(zhǔn)化

MEMS市場(chǎng)中缺失的是標(biāo)準(zhǔn)的PDK（技術(shù)檔案）。這是個(gè)好主意，但事實(shí)上這比大多數(shù)人的預(yù)期更困難。

GlobalFoundries公司MEMs高級(jí)總監(jiān)Rakesh Kumar表示：“用于MEMS的物理器件結(jié)構(gòu)和工藝架構(gòu)的多樣性確實(shí)對(duì)MEMS制造的標(biāo)準(zhǔn)化提出了挑戰(zhàn)。但是，傳感器家族可以建立起一定程度的標(biāo)準(zhǔn)化。例如，可以使用具有一定程度的定制通用平臺(tái)技術(shù)來制造諸如加速度計(jì)和陀螺儀的慣性MEMS，以實(shí)現(xiàn)差異化的功能。這樣的平臺(tái)方法將有助于降低開發(fā)成本和上市時(shí)間。”

到目前為止，沒有人能夠像開發(fā)ASIC或SoC那樣，為加速度計(jì)或陀螺儀使用單一流程開發(fā)套件。許多行業(yè)專家說，在一般情況下，這種芯片制造看起來更像項(xiàng)目菜單，而不是可用于ASIC和SoC那樣的精心設(shè)計(jì)和高度精制的過程。該菜單可以包括：例如，違反規(guī)程的蝕刻步驟，順序錯(cuò)誤的CVD步驟或鋁沉積。但是菜單更多地是關(guān)于改變處理步驟的順序，而不是建立一組可用于削減開發(fā)成本的規(guī)則。

UMC高級(jí)區(qū)域營銷經(jīng)理Yan Qu說：“盡管將標(biāo)準(zhǔn)PDK應(yīng)用于慣性傳感器的概念是可能的，并且已經(jīng)被一些芯片制造廠使用，但它主要是為了建立一套設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，如設(shè)計(jì)規(guī)則、流程、TLR（拓?fù)洳季忠?guī)則）和DRC（設(shè)計(jì)規(guī)則檢查），來讓無晶圓廠遵守。盡管這對(duì)于提供標(biāo)準(zhǔn)化工藝的芯片制造廠有一些優(yōu)點(diǎn)，但是無晶圓廠的客戶可能會(huì)將標(biāo)準(zhǔn)化視為產(chǎn)生差異化優(yōu)勢(shì)的消極產(chǎn)品”。

流程開發(fā)也不迅速。從制造的觀點(diǎn)來看，MEMS是復(fù)雜的技術(shù)，而且從一家芯片制造廠到下一家芯片制造廠，MEMS可能會(huì)發(fā)生顯著變化。

UMC公司的Yan Qu說：“平均來講，成功的大規(guī)模生產(chǎn)的發(fā)展需要大約四到五年。其中存在很多工具依賴，還有很多設(shè)備的限制和變化。例如，陀螺儀的工作原理需要真空、特殊工具，以及共晶鍵合。芯片制造廠必須慎重考慮他們可以從額外的設(shè)備成本和工具中獲得多少回報(bào)。”

芯片制造廠為這些MEMS器件提供IP庫，這些IP像ASIC或SoC中的IP一樣，縮短MEMS推向市場(chǎng)時(shí)間。所有芯片制造廠都使用類似的設(shè)備，包括深反應(yīng)離子蝕刻工具和晶片鍵合機(jī)。除此之外，這主要是半定制或完全定制的開發(fā)過程。

Coventor工程副總裁Stephen Breit說：“芯片制造廠可以提供IP庫，以便選擇一個(gè)與接口規(guī)格匹配的傳感器。這適用于陀螺儀和加速度計(jì)。即使對(duì)于仍在開發(fā)中的傳感器，芯片制造廠也能在一定程度上實(shí)現(xiàn)這些。但這一領(lǐng)域仍然需要公平的專業(yè)水平。對(duì)于麥克風(fēng)，這就更平常了。但是像人工鼻子和光譜儀這樣的東西，則是另外一回事。”

新型復(fù)雜MEMS器件

這些新的應(yīng)用領(lǐng)域是MEMS市場(chǎng)與商品化的加速度計(jì)和陀螺儀之間的尖銳分歧。Applied Materials技術(shù)營銷總監(jiān)Mike Rosa表示：“現(xiàn)有的傳感器存在增量變化，但也有基于超聲技術(shù)的新型指紋傳感器，而不是電容傳感器。因此，當(dāng)你按下按鈕時(shí)，它不是只進(jìn)行電容測(cè)量而已，而是會(huì)采集你的超聲波指紋。它可以讀取表皮層上的脊?fàn)钔黄穑€可以讀取真皮（第二層皮膚）中的脊?fàn)钔黄稹＿@是一種高安全性的補(bǔ)充。因?yàn)樗且环N壓電材料，所以當(dāng)你試圖掃描你的手指時(shí)，水分、污垢、顆粒不會(huì)對(duì)檢測(cè)產(chǎn)生影響。這些都已經(jīng)在考慮之中。”

壓電材料也開始在麥克風(fēng)中使用，這提供了更高的信噪比。麥克風(fēng)的噪聲歷來讓人備受困擾，所以高信噪比是目標(biāo)，特別是當(dāng)噪聲超過人類聽覺閾值的時(shí)候。

Rosa表示：“第一個(gè)沖擊是現(xiàn)行的體系結(jié)構(gòu)。第二個(gè)沖擊則完全是材料的關(guān)系。這些是不同的壓電材料。在麥克風(fēng)的例子中，它可能是氮化鋁。它也可以是鈧摻雜在20％至30％范圍內(nèi)的氮化鋁。公司想要將鈧摻雜達(dá)到43％。你有可能通過更高劑量的鈧來提高信噪比。”

表單并沒有就此停止。一些激光雷達(dá)芯片被認(rèn)為是自主車輛中的安全要求，它們正在使用MEMS技術(shù)開發(fā)，包括激光二極管和反射鏡。激光雷達(dá)使用激光束掃描區(qū)域，然后基于該光束的反射或光束的脈沖重建圖像。這項(xiàng)技術(shù)最初的移動(dòng)版本的成本高達(dá)70，000美元，然而基于MEMS的版本預(yù)計(jì)的售價(jià)只有數(shù)百美元。

MEMS技術(shù)也正在滲透到一些基于MEMS掃描鏡的3D掃描儀和視網(wǎng)膜掃描儀。 德國Fraunhofer研究所報(bào)告說，MEMS掃描鏡可以小型化，使之足以適用于移動(dòng)應(yīng)用。雖然不如掃描激光檢眼鏡那么優(yōu)秀，但基于MEMS的解決方案與其他生物識(shí)別技術(shù)相比更小、更便宜、更安全，因?yàn)檠芯咳藛T稱視網(wǎng)膜血管“幾乎不可能偽造”。

控制成本

毫無疑問，這些都是有趣的技術(shù)，但經(jīng)濟(jì)學(xué)在MEMS市場(chǎng)的這一部分也發(fā)揮了舉足輕重的作用。對(duì)于從事傳統(tǒng)CMOS設(shè)計(jì)的工程師而言，這些芯片和MEMS器件的工具之間存在明顯的差異。

Coventor公司Breit說：“上述的很多例子都沒有形成真正的流動(dòng)。甚至對(duì)于慣性傳感器和麥克風(fēng)，它們需要復(fù)雜的膜片和結(jié)構(gòu)，然后你需要進(jìn)行連接。所有這些都是臨時(shí)性的。PDK可以有助于自動(dòng)化流程，因此你可以設(shè)計(jì)出壓電MEMS和互連、固定，以及連接芯片裸片的方法。但是對(duì)于每個(gè)人在CMOS中都習(xí)以為常的DRC（設(shè)計(jì)規(guī)則檢查）在這里卻并不存在，或不完備。這里沒有LVS（芯片版圖和原理圖）。”

Breit說，另一個(gè)問題涉及到了這些器件的不足之處，因?yàn)?a target="_blank">參數(shù)在大規(guī)模生產(chǎn)的數(shù)字部分沒有得到很好的定義。其結(jié)果可能發(fā)生未完全預(yù)期的小變化。并且這反過來又可以對(duì)傳感器融合設(shè)計(jì)產(chǎn)生影響，傳感器融合設(shè)計(jì)可以在單個(gè)器件中包含多個(gè)MEMS芯片。

STATS ChipPAC產(chǎn)品技術(shù)營銷副總監(jiān)Babak Jamshidi表示：“這將創(chuàng)造新的趨勢(shì)。慣性傳感器可以容納壓力傳感器，甚至光學(xué)傳感器。你還將在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域看到更多的MEMS器件，這是一個(gè)非常零散的市場(chǎng)。在這個(gè)市場(chǎng)中，平均售價(jià)很高，銷量較低，因此在十年內(nèi)，該市場(chǎng)中會(huì)出現(xiàn)傳感器的整合。”

工業(yè)領(lǐng)域是MEMs正在獲得牽引力的另一個(gè)領(lǐng)域。ASE高級(jí)應(yīng)用工程經(jīng)理Christophe Zinck說：“我們開始看到具有集成運(yùn)動(dòng)和壓力傳感器的定制解決方案。有了工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)，在不占用更多空間的情況下集成新功能的確是一個(gè)很大的推動(dòng)。因此，基于這一點(diǎn)，人們正在創(chuàng)建自己的解決方案，并看到所有不同的傳感器如何協(xié)同工作。對(duì)于設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)而言，他們正在開發(fā)一個(gè)完整的模塊。”

GlobalFoundries的Kumar同意這種觀點(diǎn)。“MEMS傳感器從分立器件快速遷移到多功能集成器件，例如晶片級(jí)的加速度計(jì)和陀螺儀的組合，以及系統(tǒng)級(jí)封裝中的磁力計(jì)，壓力傳感器和ASIC。MEMS產(chǎn)品更廣泛地應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)（IoT）將繼續(xù)推動(dòng)MEMS和低功耗ASIC的集成，以用于處理和連接。”

結(jié)論

MEMS市場(chǎng)經(jīng)歷了爆炸性增長和平均售價(jià)大跌。但隨著這項(xiàng)技術(shù)發(fā)現(xiàn)新的用途，補(bǔ)充并更換昂貴的器件，這個(gè)市場(chǎng)的經(jīng)濟(jì)狀況可能會(huì)發(fā)生重大變化。

在后續(xù)的文章，我們將詳細(xì)探討這些變化，包括如何提高產(chǎn)量、溫度和測(cè)試問題、封裝選擇，以及工具鏈中缺少的內(nèi)容——所有這一切都有助于改善這個(gè)市場(chǎng)中的公司的成本公式，以及它們的投資回報(bào)。