在國際半導體產業協會(SEMI)看來,微機電系統(MEMS)技術在近幾年來的半導體領域中成長最快速,那麼如何準確預測MEMS的未來?在瞭解MEMS元件的歷史,並查閱有關MEMS最具創新性的500篇學術論文後,MEMS設計與開發公司A.M. Fitzgerald and Associates LLC創辦人Alissa Fitzgerald在今年的MEMS與感測器高峰會議(MEMS & Sensors Executive Congress)發表演說時分享對於MEMS未來發展的樂觀看法與預測。

Fitzgerald 認為,「下一個十億美元的產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)的感測器,以及基於紙類和塑料的方案取代昂貴矽基方案作為消費應用和一次性使用的特殊產品等最新進展。

A.M. Fitzgerald對於MEMS的未來發展成竹在胸,他們致力於將新穎的學術和創業想法應用到小型MEMS晶圓廠中,並使其從中受益,就像使用Soitec的商用矽和絕緣層上覆矽(SOI)晶圓的Rogue Valley Microdevices (RVM)公司一樣。

20171205_MEMS_NT31P1 圖1:MEMS設計與開發公司A.M. Fitzgerald & Associates創辦人Alissa Fitzgerald在SEMI 2017年度MEMS與感測器高峰會議上發表演講

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)力感測器的發展,這致使Kurt Petersen發明了基於塊狀矽微加工技術的壓力感測器。該壓力感測器最終實現了噴墨噴嘴,並促使數位光處理(DLP) MEMS的出現,很快地也有了第一家廠商使用來自ADI的加速度計觸發安全氣囊,這比傳統的管內球機械絆網式技術更迅速。

「從那時起,博世(Bosch)的深度反應離子刻蝕(DRI)製程開啟了一個全新時代,實現了世界上第一個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元件。」

Fitzgerald說,另一個重要的發明是「精確對準的共晶接合(eutectic bonding),使InvenSense能夠將自家的ASIC晶圓接合MEMS晶片,以實現自動密封,因而無需額外的封蓋步驟。」

20171205_MEMS_NT31P2 圖2:RVM創辦人Jessica Gomez(右)(為A.M. Fitzgerald的設計進行生產)與Soitec業務發展總監Nazila Pautou(為RVM提供SOI晶圓)交駁光劍

據Fitzgerald表示,早期,ADI和博世等主要企業滿足了50%以上的市場需求,其餘400家小公司瓜分剩餘市場。但隨著智慧型手機的普及,龐大的消費市場已經使這400家小公司成為市場的主要力量。

那麼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於設計中,並發展成適於銷售的產品,為當今全球兆級美元的消費市場提供動能。

20171205_MEMS_NT31P3 圖3:在RVM晶圓廠中,工程師正在檢測MEMS晶圓;該晶圓是A.M. Fitzgerald採用Soitec的SOI技術設計的

展望未來、然後深耕細作,找出大學實驗室正在育成中的技術。Fitzgerald在演講中表示,「經查閱2017年500篇名列前茅的論文後,我們對其進行了商業可行性篩選,預計有些技術將會改變全球的遊戲規則。」

未來的MEMS——紙還是塑料?

根據Fitzgerald的說法,第一批將改寫遊戲規則的技術將會來自是FBAR和聲表面波(SAW)感測器的新用途。

目前,FBAR和SAW技術主要用於射頻(RF)濾波器。Fitzgerald說:「根據文獻資料顯示,它們也可用於生產無需電池的被動式感測器;這種無需電池的感測器在達到某個特定參數時,仍然能夠喚醒處理器。」此外,這種感測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揮作用,甚至可以檢測特定氣體。

她說:「這些被動感測器非常適合惡劣環境,在這種環境下,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。」

進一步研究2017年的MEMS文獻後,她還發現了近零功耗元件,有時也被稱為「事件驅動型」感測器。它們類似於被動元件,但使用非常小的μA級電流,在待機模式下功耗小於1pW。當它們感知到特定事件發生時,就會自行喚醒並觸發應用處理器。

20171205_MEMS_NT31P4 圖4:A.M. Fitzgerald和其它MEMS晶片設計者可以使用基於純矽或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)已經證明,近零功耗的紅外線(IR)感測器可以實現對於波長敏感的功能,還可以喚醒物聯網(IoT)裝置或安全監控器中的處理器。即使是應用於大型陣列中,它們仍然可以使用小型能量採集技術作為備用電源。」

當今許多新型MEMS元件使用壓電材料,不僅僅用於能量採集,而且還能實現寬音域(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製程。

20171205_MEMS_NT31P5 圖5:在RVM位於美國奧勒崗州的晶圓廠進行MEMS晶圓批次處理

Fitzgerald說:「對於低廉的裝置和物聯網來說,消費市場業已成熟,因為它可以透過大規模量產實現一次性使用。」

同時,MEMS研究人員正致力於探索替代昂貴矽晶的方法。Fitzgerald表示,在2004年,全世界有90%的MEMS元件採用塊狀矽或矽基板的表面製造;但在文獻描述的下一代元件中,有一半是塑料或甚至是紙基板。

她說:「基於紙類的技術正日益取代耗資數十億美元的昂貴矽晶圓廠,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美分的感測器。」基於塑料或紙基板的元件不像矽基元件那樣快速或精確,但其性能足以滿足短暫使用或經常更換的消費產品,以及一次性的拋棄式應用需求。

例如,紙感測器可用於檢測特定類型的細菌。這些元件能夠減少對於各種抗生素的需求,特別是因為許多抗生素可能促使超級細菌進化。同樣地,紙質的食品包裝可以嵌入紙基元件中,告知消費者食品實際上是否已經變質,以取代當今不夠精確的「有效期限」戳章。

20171205_MEMS_NT31P6 圖6:RVM生產的最終MEMS晶片(此處為20個樣品),已準備好供應客戶

Fitzgerald說:「預計在2020年以後,人們將會看到一系列壓電事件驅動的新型感測器;而到了2030年,我們將會看到紙類和塑料感測器的大幅成長。」

她說,內建讀數的CMOS+感測器設計仍然需要採用矽。但是,「隨著對於矽晶技術的研究趨緩,轉而青睞更便宜的紙類元件,矽晶技術存在停滯不前的風險。」

(參考原文:Paper or Plastic? Both Are in MEMS’ Future,by R. Colin Johnson)