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硅晶太貴，未來MEMS的材料都是紙和塑料
來源：電子工程專輯
瀏覽次數(shù)：931 發(fā)布時間：2017-12-15
在國際半導體產(chǎn)業(yè)協(xié)會(SEMI)看來，微機電系統(tǒng)(MEMS)技術在近幾年來的半導體領域中成長最快速，那么如何準確預測MEMS的未來？在了解MEMS組件的歷史，并查閱有關MEMS最具創(chuàng)新性的500篇學術論文后，MEMS設計與開發(fā)公司A.M. Fitzgerald and Associates LLC創(chuàng)辦人Alissa Fitzgerald在今年的MEMS與傳感器高峰會議(MEMS & Sensors Executive Congress)發(fā)表演說時分享對于MEMS未來發(fā)展的樂觀看法與預測。
Fitzgerald 認為，“下一個十億美元的產(chǎn)品就潛藏在大學的研究文獻中。”2017年的學術論文中揭示了有關被動式和近零功耗(near-zero)的傳感器，以及基于紙類和塑料的方案取代昂貴硅基方案作為消費應用和一次性使用的特殊產(chǎn)品等最新進展。
A.M. Fitzgerald對于MEMS的未來發(fā)展成竹在胸，他們致力于將新穎的學術和創(chuàng)業(yè)想法應用到小型MEMS晶圓廠中，并使其從中受益，就像使用Soitec的商用硅和絕緣層上覆硅(SOI)晶圓的Rogue Valley Microdevices (RVM)公司一樣。
Fitzgerald在演講時談到了MEMS技術的歷史淵源，最早可以追溯到1980年代酸蝕刻三維(3D)力傳感器的發(fā)展，這致使Kurt Petersen發(fā)明了基于塊狀硅微加工技術的壓力傳感器。該壓力傳感器最終實現(xiàn)了噴墨噴嘴，并促使數(shù)字光處理(DLP) MEMS的出現(xiàn)，很快地也有了第一家廠商使用來自ADI的加速度計觸發(fā)安全氣囊，這比傳統(tǒng)的管內(nèi)球機械絆網(wǎng)式技術更迅速。
“從那時起，博世(Bosch)的深度反應離子刻蝕(DRI)制程開啟了一個全新時代，實現(xiàn)了世界上第一個MEMS陀螺儀。薄膜體聲波諧振器(FBAR)，以及MEMS壓電和氮化鋁(AlN)薄膜的廣泛使用，也催生了我們今天擁有的各種MEMS組件?！?br/>
Fitzgerald說，另一個重要的發(fā)明是“精確對準的共晶接合(eutectic bonding)，使InvenSense能夠?qū)⒆约业腁SIC晶圓接合MEMS芯片，以實現(xiàn)自動密封，因而無需額外的封蓋步驟?！?br/>
據(jù)Fitzgerald表示，早期，ADI和博世等主要企業(yè)滿足了50%以上的市場需求，其余400家小公司瓜分剩余市場。但隨著智能手機的普及，龐大的消費市場已經(jīng)使這400家小公司成為市場的主要力量。
那么所有這些消費市場的想法來自何處？Fitzgerald認為，在很大程度上可溯源至學術界，他們“在大學實驗室培育創(chuàng)意”，作為尋找問題的解決方案。A.M. Fitzgerald等機構將學者們的想法落實于設計中，并發(fā)展成適于銷售的產(chǎn)品，為當今全球兆級美元的消費市場提供動能。
展望未來、然后深耕細作，找出大學實驗室正在育成中的技術。Fitzgerald在演講中表示，“經(jīng)查閱2017年500篇名列前茅的論文后，我們對其進行了商業(yè)可行性篩選，預計有些技術將會改變?nèi)虻挠螒蛞?guī)則?！?br/>
未來的MEMS——紙還是塑料？
根據(jù)Fitzgerald的說法，第一批將改寫游戲規(guī)則的技術將會來自是FBAR和聲表面波(SAW)傳感器的新用途。
目前，F(xiàn)BAR和SAW技術主要用于射頻(RF)濾波器。Fitzgerald說：“根據(jù)文獻數(shù)據(jù)顯示，它們也可用于生產(chǎn)無需電池的被動式傳感器；這種無需電池的傳感器在達到某個特定參數(shù)時，仍然能夠喚醒處理器?！贝送?，這種傳感器還能提供高度精確的極端溫度檢測，也能在壓力極限下發(fā)揮作用，甚至可以檢測特定氣體。
她說：“這些被動傳感器非常適合惡劣環(huán)境，在這種環(huán)境下，你無法或不能更換電池；而且它們還具有提供零待機功耗的高性能?！?br/>
進一步研究2017年的MEMS文獻后，她還發(fā)現(xiàn)了近零功耗組件，有時也被稱為“事件驅(qū)動型”傳感器。它們類似于被動組件，但使用非常小的μA級電流，在待機模式下功耗小于1pW。當它們感知到特定事件發(fā)生時，就會自行喚醒并觸發(fā)應用處理器。
圖1：A.M. Fitzgerald和其它MEMS芯片設計者可以使用基于純硅或SOI的8、6、4、3或甚至2吋晶圓(由右至左)
Fitzgerald舉例說：“美國東北大學(Northeastern University)已經(jīng)證明，近零功耗的紅外線(IR)傳感器可以實現(xiàn)對于波長敏感的功能，還可以喚醒物聯(lián)網(wǎng)(IoT)設備或安全監(jiān)控器中的處理器。即使是應用于大型數(shù)組中，它們?nèi)匀豢梢允褂眯⌒湍芰坎杉夹g作為備用電源。”
當今許多新型MEMS組件使用壓電材料，不僅僅用于能量采集，而且還能實現(xiàn)寬音域(wide-range)微型揚聲器、磁力計，甚至變壓器等應用，而這些應用都不需要授權高效率但昂貴的DRI制程。
Fitzgerald說：“對于低廉的設備和物聯(lián)網(wǎng)來說，消費市場業(yè)已成熟，因為它可以透過大規(guī)模量產(chǎn)實現(xiàn)一次性使用。”
同時，MEMS研究人員正致力于探索替代昂貴硅晶的方法。Fitzgerald表示，在2004年，全世界有90%的MEMS組件采用塊狀硅或硅基板的表面制造；但在文獻描述的下一代組件中，有一半是塑料或甚至是紙基板。
她說：“基于紙類的技術正日益取代耗資數(shù)十億美元的昂貴硅晶圓廠，特別是針對僅使用一次的拋棄式應用，通常只需要價格不到1美分的傳感器?！被谒芰匣蚣埢宓慕M件不像硅基組件那樣快速或精確，但其性能足以滿足短暫使用或經(jīng)常更換的消費產(chǎn)品，以及一次性的拋棄式應用需求。
例如，紙傳感器可用于檢測特定類型的細菌。這些組件能夠減少對于各種抗生素的需求，特別是因為許多抗生素可能促使超級細菌進化。同樣地，紙質(zhì)的食品包裝可以嵌入紙基組件中，告知消費者食品實際上是否已經(jīng)變質(zhì)，以取代當今不夠精確的“有效期限”戳章。
圖2 RVM生產(chǎn)的最終MEMS芯片(此處為20個樣品)，已準備好供應客戶
Fitzgerald說：“預計在2020年以后，人們將會看到一系列壓電事件驅(qū)動的新型傳感器；而到了2030年，我們將會看到紙類和塑料傳感器的大幅成長?！?br/>
她說，內(nèi)建讀數(shù)的CMOS+傳感器設計仍然需要采用硅。但是，“隨著對于硅晶技術的研究趨緩，轉(zhuǎn)而青睞更便宜的紙類組件，硅晶技術存在停滯不前的風險?！?br/>
