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    意法半导体掀起MEMS消费电子化新浪潮

     2009年温家宝总理在视察中科院无锡微纳传感网工程技术研发中心时提出“感知中国,大力建设物联网”的号召,将传感器技术首次推上了举国关注的焦点位置。传感器,作为传感网和物联网感知层面的关键电子器件,是建设所有智能网络的第一关。推动传感器技术的创新和应用,其重要意义绝不亚于目前大热的云计算和物联网。

    事实上,很多具有领先意识的半导体厂商很早就认识到传感器技术发展和应用的重要前景,并投入大量资源致力于新技术的开发和创新设计。现在的传感器技术已经发展到一个新的阶段。集成化、智能化、平台化的发展理念令传感器脱离了过去的陈旧印象,传感器成为系统中蕴藏大智慧的关键器件。而传感器的应用创新则更加引人注目。许多时尚潮流的热门应用,如智能手机触摸屏体验,便携式远程医疗设备,汽车安全智能系统,游戏娱乐产品等,这些至酷至美,实用贴心的生活体验,都离不开传感器的贡献。

     

    意法半导体(ST)公司是MEMS传感器技术和应用创新的先行者。据IHS iSuppi公司2011年的统计报告显示,ST是全球第一大消费电子和便携设备芯片供应商,MEMS传感器出货量已突破20亿大关。

     

    MEMS消费电子化浪潮

     

    原本在工业应用广泛的MEMS传感器技术,经过传感器技术专家的创新,现在可以用来实现很多新鲜有趣又实用、符合未来发展需求的崭新应用,掀起了MEMS消费电子应用的新浪潮。

     

    便携设备中的数据保护是MEMS传感器的一种应用。当出现自由坠落或者其它异常运动时,MEMS加速计将立即通知系统终止全部的硬盘驱动器(HDD)读写操作,并将磁头固定到安全位置。意法半导体的加速计还经常集成在洗衣机或烘干机等家电设备中,充当振动检测器,用于稳定失衡的负荷,防止机器出现过量的磨损而发生故障。

     

    MEMS陀螺仪,也称角运动传感器,可以辅助加速计,使游戏机和遥控器的人机界面变得更加炫酷。这些陀螺仪还能消除晃动对数字摄像机或数码相机画质的影响,提高图像或相片的清晰度,并可使汽车导航增加航位推算和地图匹配功能。由于GPS卫星信号无法覆盖每一个角落,例如,在建筑物内或高楼林立的城区通常没有卫星信号,在这种情况下,航位推算系统通过监测运动、行程和海拔,修正数字罗盘读数,继续为用户提供准确的导航信息。

     

    MEMS磁传感器测量地球磁场的强度和/或方向,因而能够确定以北极为参考轴的前进方向,增强便携消费电子产品的电子罗盘功能,包括方位定向、地图/显示屏定向、定位关联服务和航位推测。在一个9自由度(DoF) 多传感器模块内,磁传感器可补充加速度计和陀螺仪的功能。

     

    压力传感器可满足应用对全量程和高分辨率的要求:应用实例包括手持设备的气压计功能和硬盘驱动器的“飞行高度”控制功能。随着硬盘驱动器小型化趋势和存储容量不断提高,磁头与盘面之间的距离极易受到气压变化的负面影响。

     

    微加工声学器件,也称MEMS麦克风,可提高现有的和新兴应用设备的音质、可靠性和成本效益,目标应用包括手机、笔记本电脑、录像机、数码相机以及助听器或电子听诊器。将多个MEMS麦克风组合成阵列可实现更多功能,如噪声抑制和方向拾音。这在噪声很大和无法控制的环境内,对于提高声音清晰度很有帮助,可以有效提高移动会话和会议的音质。

     

    MEMS技术发展方向

     

    在一个封装内整合多个传感器:加速计、陀螺仪、地磁计、压力传感器,这个多路传感器一体化解决方案可大幅提升各种应用设备的功能性和性能。意法半导体公司最具代表性的INEMO传感器解决方案平台,将9个自由度传感器和32位MCU整合在一起,同时还配备多个通信接口,灵活和高性能的配置令其可为许多新兴应用提供出色的解决方案。集成传感器可实现自主和自动系统,监测特定的条件,并根据监测结果执行相应的操作,用户无需干预或只需稍加介入。此外,“智能传感器”整合MEMS器件和处理功能,无需主处理器介入,独立运行传感器算法,从而能够降低系统级功耗,这对耗电量极大的手持设备非常重要。

     

    iNEMO模块沿用先进的滤波和预测软件iNEMO Engine。该软件利用精密算法整合所有传感器的输出数据,能够在精度、分辨率、稳定性和响应时间等方面提高系统整体性能,大幅改进用户的使用体验。

     

    硅微加工技术还被用于开发各种热射流MEMS器件。意法半导体还为主要的喷墨打印机制造商提供喷头芯片。打印头芯片内含有数百个微型通道,这些墨水通道与相应的装满墨水的微型墨盒相连。同一芯片上的加热元件与控制电路将墨水蒸发,把微小墨水气泡喷射到打印纸上。

     

    ST的Lab-on-Chip芯片同样也利用了硅的电气特性和热特性,这个解决方案用成本低廉的一次性便携工具取代了成本昂贵、耗时的固定地点实验室分析过程。意法半导体的In-Check™产品平台是业内首款通过精确控制热量来扩增DNA并进行微矩阵检测的基因芯片。因为硅的热特性非常出色,准许在同一芯片上实现电子温度控制,所以Lab-on-Chip芯片能够对DNA样本进行精确的加热和冷却处理,其精确度可与价值数万美元的实验室媲美。与传统的诊断系统相比,MEMS因为外形小,耗电量少,只需很少的试剂,所以更能节省成本。

     

    在医疗保健领域也可以应用微射流MEMS技术,例如,可以安装在一次性敷贴内的微型胰岛素注射泵。意法半导体与Debiotech公司合作开发的胰岛素注射泵能够精确模拟胰腺分泌过程,向人体持续输注胰岛素,同时还能检测注射泵可能存在的故障,为病患提供深一层的保护。基于MEMS的Jewel Pump采用大规模半导体制造技术,成本比现有的解决方案更容易让病患接受,同时,其可靠性和精确度也很出色。

     

    意法半导体的MEMS压力传感器还是另一项创新应用的核心技术:能够24小时检测和观察眼压变化的智能隐形眼镜。作为意法半导体与Sensimed的合作开发成果,这个创新的辅助诊断工具有助于专家提前发现青光眼,通过同步治疗方法与病患的内部生物钟能够使治疗效果最大化。

     

    MEMS制造技术

     

    2006年,意法半导体在意大利Agrate地区建立了一条MEMS器件专用200mm (8英寸)晶圆生产线,成为世界首个拥有MEMS专用生产线的大型半导体公司。这一举动大幅降低了产品的单位成本,并加快了现有应用领域扩大和新市场开发。

     

    意法半导体在其位于马尔他Kirkop的最先进的后工序制造厂进行MEMS器件的封装测试,该工厂日产能超过100万颗MEMS芯片。整合一个微加工传感器和一个逻辑裸片的复杂器件需要严格且复杂的封装解决方案,以降低MEMS芯片受机械振动和环境因素的影响。

     

    在前工序制造技术和工艺方面,意法半导体发现并解决了在各种应用领域大规模推广高效益的MEMS器件的关键问题。为了加快产品上市时间,实现规模经济效益,核心技术的标准化是极其重要的。意法半导体开发出了微致动器和加速计芯片厚外延层(ThELMA)工艺,这个0.8微米表面微加工技术可整合薄厚不一的多晶硅层,用于实现MEMS器件的结构和互连线。

     

    意法半导体的VENSENS工艺(VENice process for SENSors)结合 ThELMA工艺,可以在一个单晶硅芯片内整合一个空腔,制造一个尺寸和性能优异的压力传感器,使芯片变得更薄、更小,热稳定性和可靠性更高。


    发布时间:2012/5/6 21:05:26  浏览次数: