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半导体芯片传感器MEMS应用的下一个爆发点

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MEMS运动传感器手机、MP3/MP4播放器、PDA或游戏机带来更直观的人机界面,把用户手腕、手臂和手的动作与应用程式、页面内部及页面之间的浏览、游戏机中的人物动作等功能连接起来,实现真正的人机即时互动。

资料保护是MEMS传感器在便携设备中的另一种应用。当出现自由落体或者其它异常动作时,MEMS加速度计可即刻停止系统上全部硬盘驱动器(HDD)的读写操作,并且将硬盘驱动器上的读写头固定到安全位置。此外,MEMS加速度计也广泛用于整合洗衣机或干衣机等家电中,可作为振动检测器,用于稳定失衡的负荷,以防止机器产生过多不必要的磨损故障。

MEMS陀螺仪、角运动传感器、用于人机界面的辅助加速度传感器,为游戏机和遥控器带来更生动的用户体验。陀螺仪可以提高数字摄像机和数码相机的影像与照片清晰度,提升汽车导航系统的航位推算和/或地图匹配性能。由于在建筑物内或高楼林立的市区,通常没有GPS信号,航位推算系统可通过监测动作、行驶距离和纬度,修正数字罗盘的读数,为用户不间断地提供准确的导航资讯。

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的趋势和容量不断地提升,读写头与硬盘表面之间的距离容易因为气压变化而受到影响。

微机电声学器件、或MEMS麦克风可提高现有和新兴应用的音质、可靠性以及成本效益,包括手机、笔记本电脑、摄像机、数码相机以及助听器或电子听诊器。将多个MEMS麦克风组合成一个阵列可实现更多的功能,例如噪音抑制和方向拾音等。随着人们在噪音很大和无法控制的环境内使用手机的频率日渐增加,这个功能对于提高声音清晰度有很大的帮助,同时可提高手机通话与会议的音质。

根据美国市调机构iSuppli调查,意法半导体是全球最大的消费电子和手机MEMS供应商,年收入超过2亿美元。意法半导体拥有业界领先的8英寸晶圆生产线,以极高的加工精密度和大规模制造能力为特色,所制造的零组件公差极小,制造成本更具有相当的市场竞争力。

身为MEMS技术发展的领航者,意法半导体开始在单一封装内整合多个传感器,包括加速度计、陀螺仪、地磁计以及压力传感器,一体化解决方案可大幅提升各种应用的功能和性能。iNEMO就是这种发展趋势的实际案例。在这些多传感器产品内,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对应的操作,使用者不需要或只需稍微的介入即可。此外,‘智能传感器’结合MEMS器件与整合处理性能,能独立运作主要处理器之外的传感器相关算法,有助于降低整体的系统功耗,对电池消耗极快的手持设备尤其重要。

硅微加工技术还被用于开发各种的热流微机电系统器件。意法半导体是热喷墨打印机喷头市场的长期供应商,为主要的喷墨打印机制造商提供喷头芯片。喷墨头芯片内含有数百个微型通道,这些墨水通道与相对应的微型墨盒相连接。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。

对意法半导体具有重要突破意义的实验室芯片(Lab-on-Chip),同样也利用硅的电气特性和热特性,这个解决方案运用低成本的一次性便携式工具取代成本昂贵、耗时的固定实验室分析过程。意法半导体的In-Check产品平台是业界第一个通过精确地控制热量来强化DNA特性,以进行微矩阵检测的生物芯片(biochip)。由于硅拥有相当好的热特性并能够在同一芯片上进行电子温度控制,实验室芯片(Lab-on-Chip)能够对DNA芯片样品进行精确的加热及冷却处理,而DNA分析结果的精确度可与价值数百万美元的实验室媲美。与传统的诊断系统相比,由于体积迷你的MEMS耗电量少,只需要少量的试剂,因此更能节省成本。

意法半导体也成功地将微射流MEMS技术应用在医疗保健领域,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的模拟胰岛腺分泌过程,向人体持续输入胰岛素,同时还能检测注射泵可能发生的故障,为病患提供更深一层的保护。基于MEMS的Jewel注射泵采用大规模的半导体制造技术,相比于现有的解决方案,成本让病患更能接受,而可靠性和精确度更是其它方案无法比拟的。

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,这个独一无二的辅助诊断工具有助于专家提早发现青光眼,更能通过同步治疗的方法来配合病患的内部生理时钟,来最佳化治疗效果。

半导体产业已经具有数十年完善的芯片制造制程技术,而MEMS技术让类似传感器和致动器等装置运用半导体技术生产,以取得更高的可靠性和降低更多的成本。

2006年,意法半导体在意大利Agrate建立了一条MEMS器件专用200mm(8英寸)晶圆生产线,成为全球首家拥有MEMS专用生产线的大型半导体公司。目前,这条生产线的月产能为10,000片晶圆。意法半导体的积极策略大幅降低产品的单位成本,也加快现有的MEMS应用和新MEMS市场的发展。

意法半导体在位于马尔他Kirkop的先进后端厂进行MEMS器件的封装和测试,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,才能降低MEMS芯片在制程中受到机械振动和环境因素的影响。

在前端制造技术和制程方面,意法半导体发现并解决了在各种应用领域大规模推广高成本效益的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非常重要的。作为MEMS技术标准化工作的市场领导者,意法半导体开发出了ThELMA(微陀螺仪和加速计芯片厚外延层)特殊微加工制程,这个0.8μm表面微加工制程可整合薄厚不一的多晶硅层,用于实现MEMS器件的结构和互相连接性。意法半导体采用同样的微加工技术来制造加速度计和陀螺仪,能在一颗芯片内整合线性机械单元和角加速度机械单元,为客户带来极高的成本效益和更小的产品尺寸。

结合ThELMA制程,意法半导体的VENSENS制程(VENiceprocessforSENSors),可以通过在单晶硅内整合空腔,制造具有优异尺寸和性能表现的的超小型压力传感器,在更薄、更小的芯片上实现更高的设计稳健度、热稳定性以及可靠性。


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