作者：蔡培德
在微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)的開(kāi)發(fā)道路上，意法半導(dǎo)體公司(STMicroelectronics)正致力于推動(dòng)一種全新的系統(tǒng)級(jí)封裝(SiP)技術(shù)，宣稱將能使其在2013年年底前開(kāi)發(fā)出無(wú)線MEMS元件，并在2014年看到進(jìn)一步整合氣體感測(cè)器的MEMS環(huán)境。

ST近幾年來(lái)一直在為該公司數(shù)位方面的業(yè)務(wù)努力奮斗，而其于MEMS方面的業(yè)務(wù)已經(jīng)展現(xiàn)了巨大的成功了，2011年達(dá)到約9億美元的年?duì)I業(yè)額，加上著重于慣性與薄膜MEMS的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)，正將該公司推向MEMS市場(chǎng)的主導(dǎo)地位。

這種新的系統(tǒng)級(jí)封裝MEMS開(kāi)發(fā)方式，可說(shuō)是ST得以邁向成功的原因之一，ST公司執(zhí)行副總裁兼類比、MEMS與感測(cè)器事業(yè)群總經(jīng)理Benedetto Vigna表示。這種系統(tǒng)級(jí)封裝方式為附加元件采取了不同的制造制程技術(shù)，讓ST得以開(kāi)發(fā)出整合機(jī)械式晶片、類比訊號(hào)調(diào)節(jié)與校正等功能的智慧化MEMS元件，甚至還可加入數(shù)位介面晶片與微處理器。接下來(lái)，ST打算再進(jìn)一步加入RF收發(fā)器。

“這就是我們打算實(shí)現(xiàn)以及正在努力進(jìn)行的目標(biāo)，”Vigna說(shuō)，“我們現(xiàn)正尋找可在人體以及家庭環(huán)境下實(shí)現(xiàn)的應(yīng)用。目前已經(jīng)有明顯的應(yīng)用案例了，因此，我們正緊鑼密鼓地開(kāi)發(fā)這項(xiàng)專案?！?br>
那么這種無(wú)線感測(cè)器節(jié)點(diǎn)也適用于醫(yī)療領(lǐng)域嗎？Vigna解釋，目前這項(xiàng)新技術(shù)更適用于不需先經(jīng)過(guò)多年臨床實(shí)驗(yàn)后授權(quán)使用的健身與保健應(yīng)用。此外，他補(bǔ)充說(shuō)，像胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)也會(huì)是無(wú)線MEMS元件的另一項(xiàng)關(guān)鍵應(yīng)用，不過(guò)ST目前還未進(jìn)入這一市場(chǎng)。

ST量產(chǎn)的MEMS元件主要針對(duì)采用電容式動(dòng)作感測(cè)的加速度計(jì)與陀螺儀，以及基于動(dòng)態(tài)薄膜的環(huán)境感測(cè)器，如壓力計(jì)和麥克風(fēng)。

添加RF

ST使用兩款晶片來(lái)實(shí)現(xiàn)MEMS功能：一款用于MEMS元素，另一款則用于類比訊號(hào)的放大、校正與調(diào)節(jié)。此外，還有第三顆晶片，為MEMS元件提供密封功能。

這種密封方式透過(guò)采用玻璃熔融或金屬與金屬接合的方式，為MEMS的可移動(dòng)元件加以密封封裝。Vigna指出，這種方式或許不像采用CMOS晶圓正面密封MEMS的方式那么精致講究，但卻提供更低成本以及更高的良率。

Vigna坦承，ST一直在思考采用CMOS晶圓來(lái)密封MEMS元件的各種可能性?！拔覀円呀?jīng)做一些實(shí)驗(yàn)了，但至今仍沒(méi)有什么進(jìn)展?！?br>
而采用系統(tǒng)級(jí)封裝方式同樣可讓MEMS換能器實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，接著再與不同的類比IC搭配作業(yè)，開(kāi)發(fā)出各種不同的MEMS產(chǎn)品，甚至也能執(zhí)行客戶特定設(shè)計(jì)，Vigna說(shuō)。

如今市場(chǎng)上已有許多添加數(shù)位內(nèi)容的MEMS元件，但Vigna再次強(qiáng)調(diào)，能為每一款不同元件選擇最佳制程才更有意義。因此，讓機(jī)械式MEMS元件采用MEMS專用的1微米制程，類比調(diào)節(jié)晶片最好采用130nm CMOS制程，而內(nèi)建微處理器與記憶體的數(shù)位IC或許可以采用90nm CMOS制程。

“第四種元素或許可以采用像SPIRIT-1晶片吧！”Vigna表示。SPIRIT-1是ST最近開(kāi)發(fā)的90奈米低功耗無(wú)線晶片。這款RF晶片專門(mén)針對(duì)可編程資料率在1-500kbps的1GHz以下應(yīng)用而設(shè)計(jì)。Vigna補(bǔ)充說(shuō)，ST可能會(huì)采用同樣的CMOS制程中整合數(shù)位與RF，維持其3款主動(dòng)晶片加上密封封裝的組裝方式。

Vigna說(shuō)，ST將會(huì)在2013年年底前于市場(chǎng)上推出這種無(wú)線MEMS，該公司目前已經(jīng)開(kāi)始銷售MEMS結(jié)合射頻收發(fā)器的電路板級(jí)產(chǎn)品，同時(shí)也正與客戶合作開(kāi)發(fā)家用以及人體穿載式的各種應(yīng)用。

第五元素

接下來(lái)，ST還將為其MEMS開(kāi)發(fā)道路上加進(jìn)第五元素──這種整合氣體感測(cè)器的MEMS元件可望在2014年問(wèn)世。

這種氣體感測(cè)器與濕度感測(cè)器與ST基于薄膜的環(huán)境感測(cè)器系列可說(shuō)是絕佳組合。Virgina解釋說(shuō)，因?yàn)檫@種氣體感測(cè)器就跟壓力感測(cè)器與麥克風(fēng)一樣，實(shí)際上都必須在空氣中進(jìn)行物理連接。

Vigna預(yù)期，ST將先在2013年時(shí)開(kāi)發(fā)出在單一封裝中整合壓力、溫度與濕度感測(cè)器的產(chǎn)品，稍候再加入各種不同種類的氣體感測(cè)器?！斑@種氣體感測(cè)器將以另一款晶片或可能是感測(cè)層的形式添加，以便與濕度感測(cè)器整合?？蛻羝谕磥?lái)可偵測(cè)的氣體包括甲烷(CH4)、一氧化碳(CO)；沼氣與一氧化氮。”

最后，Vigna并總結(jié)道，正是由于采用了這種系統(tǒng)級(jí)封裝方法，使得ST在實(shí)現(xiàn)最低成本、最大彈性度以及最佳上市時(shí)程方面，逐漸取得了長(zhǎng)足的進(jìn)展。


圖1：在這款3mm x 3mm的MEMS元件組裝中，底部包含了一個(gè)完整的低功耗微控制器，中間是MEMS動(dòng)作偵測(cè)器，上面則是ASIC訊號(hào)調(diào)節(jié)輔助晶片。

圖片來(lái)源：意法半導(dǎo)體


圖2：ST在MEMS動(dòng)作感測(cè)器市場(chǎng)取得主導(dǎo)地位后，現(xiàn)正致力于以全新SiP制程技術(shù)開(kāi)發(fā)無(wú)

線MEMS元件，未來(lái)也將朝向氣體感測(cè)器MEMS開(kāi)發(fā)道路邁進(jìn)。


圖3：ST公司執(zhí)行副總裁兼類比、MEMS與感測(cè)器事業(yè)群總經(jīng)理Benedetto Vigna