谁在推动MEMS进化革新，推出“破坏性”创新产品
2013-05-26 20:38:18   来源：微迷   评论：0   点击：

作者：Howard Wisniowski

翻译：王懿

像晶体管和微处理器一样，MEMS常常被描述为一种颠覆性技术，因为它会改变世界、颠覆和重写游戏规则。如今，从“革新”角度看，MEMS技术蓬勃发展，市场持续高涨，这得感谢汽车和消费电子领域的广泛应用：MEMS传感器改变了汽车的安全性和智能终端的人机交互。但是还有一些新兴领域值得发掘，如机器人、能量收集和医疗保健。从“进化”角度看，还有更多令人兴奋、具有颠覆性的MEMS技术和产品即将诞生，有望带动下一波MEMS市场应用。世界各地有数以百计的公司、大学和成千上万的研究人员从事MEMS项目开发。许多关键的基础技术已经走出实验室，正寻找资金实现产业化。

“MEMS产业非常活跃，”Yole Development在报告中强调，“新兴MEMS产品和应用将持续增长。”此外，还列举了50多个初创公司和新兴MEMS器件，其中一些将很快在代工厂实现量产。接下来，我将介绍3个具有“破坏性”创新的MEMS器件：体声波固态MEMS陀螺仪、RF MEMS天线调谐器和MEMS振荡器。

体声波（BAW）固态MEMS陀螺仪

根据IHS iSuppli分析，在消费电子和手机应用领域，2011年MEMS陀螺仪市场规模达到6.55亿美元，相比2010年的3.94亿美元增长了66%，一举超越加速度计，成为MEMS市场营收冠军。越来越多的工程师都将MEMS陀螺仪作为系统的重要组成部分，尤其是移动设备的设计者；与此同时，MEMS器件供应商也需要不断地满足市场对低功耗、小尺寸和低成本的需求。

Qualtré是一家位于美国马萨诸塞州马尔堡的MEMS初创公司——MEMS惯性传感器技术革新者，采用创新的BAW技术来制作新型固态MEMS陀螺仪，相比现有的陀螺仪，具有以下优点：尺寸更小、动态响应好、可靠性高、成本更低、容易实现CMOS工艺集成。现有的MEMS陀螺仪技术利用质量块低频振动（5~50kHz）来测量角速度，而BAW MEMS陀螺仪的工作频率高出几个数量级，是兆赫兹范围（1~10MHz）。使用BAW技术制作的陀螺仪刚度较高，这不仅使陀螺仪对环境中的振动不敏感，还可以防止在生产制造过程中出现粘附问题，因此提高了MEMS器件的可靠性和成品率。在实际应用中，往往存在振动影响陀螺仪正常工作，而BAW MEMS陀螺仪拥有更出色的性能表现。

图1 Qualtré的BAW MEMS陀螺仪

将BAW传感器的性能优势和Qualtré专有的HARPSS工艺（High Aspect-Ratio Combined Poly and Single-Crystal Silicon）结合，BAW MEMS陀螺仪表现出非常稳定的性能：低漂移（这对室内导航非常重要）、低噪声、高精度、宽广的动态检测范围。这种技术创新将推动终端产品的下一波发展，给陀螺仪带来了巨大的市场价值。

RF MEMS天线调谐器

还记得苹果iPhone 4臭名昭著的“死亡之握”吗？——用手握住手机左下部特定位置时，会导致手机信号强度骤降，并使得通话中断。如今，智能手机的信号衰减问题已成为众矢之的，大家非常期待新的技术来解决这个问题。幸运的是，RF MEMS出现了。

RF MEMS，顾名思义，是一种通过可移动的结构改变物理（机械）状态的半导体芯片，将RF MEMS应用于手机前端调谐部份可以改善天线性能。如果一个人的手指放在RF MEMS天线上，它会自动重新调谐，以保证电话不断。更重要的是，这是一个新兴的应用领域，根据IHS iSuppli预估，2015年RF MEMS的市场规模将达到1.5亿美元。

WiSpry是一家位于美国加利福尼亚州尔湾的MEMS初创公司——实现全球第一款RF MEMS天线调谐器量产，解决了智能手机的新兴需求。如今的智能手机需要处理很多无线信号，包括GSM、3G、CDMA、W-CDMA、LTE、蓝牙、WiFi，甚至还有FM和TV信号。每个信号都有自己的处理电路和天线。此外，现在还有一个新兴的多频段需求以支持4G LTE手机——频率范围从700MHz到3700MHz。更重要的是，第三代移动通信标准（3GPP）允许一部手机拥有超过43种不同频率，并由此产生了新兴的LTE“载波聚合”需求——所谓载波聚合是指将多个连续或离散载波聚合在一起，形成一个更宽的频谱资源，是4G提速的核心技术。

图2 WiSpry的RF MEMS天线调谐器

WiSpry的RF MEMS天线调谐器将在智能手机中发挥举足轻重的作用，尤其是在仅有一个天线和收发器的手机中。使用RF MEMS天线调谐器允许设计者在手机射频前端进行编程以适应任意的频带和无线标准，同时可以减少手机的元器件数量。于是，一部真正的“世界电话”体系架构就可以成形了，这是绝对的“破坏性”创新。最后，感谢MEMS，它使得移动设备上的天线更有效地工作，即使您正在打电话，也可以正常传递数据。

MEMS振荡器

MEMS振荡器是一个新兴的高度小型化的时钟器件，相比传统石英振荡器，具有低功率、低温漂、不易碎、不易受振动和电磁干扰影响等优点。MEMS振荡器在复杂的电子设备中扮演着重要的角色：保证运行同步和稳定。从智能手机、平板电脑到工业测试和测量系统、通信基础设施都离不开MEMS振荡器。用户不仅受益于MEMS振荡器的小型化和高性能，还可以将MEMS时钟芯片集成/封装到标准的半导体芯片中以简化终端系统设计、优化电路板。

Sand 9是一家位于美国马萨诸塞州剑桥的MEMS初创公司——开发了颠覆性的MEMS时钟芯片平台。该公司的MEMS振荡器技术具有相位噪声低和性能稳定等优点，在业界率先满足了无线和有线应用需求，并可以解决“移动设备摔落时，石英振荡器容易损坏”的问题。由于石英振荡器的问题，移动设备往往容易丢失GPS信号和电话。Sand 9正致力于解决MEMS技术面临的各种挑战，包括功耗高、相位噪声大、抖动大、频率跳动和杂散输出大，推出无杂散（spurious-free）振荡器，以减少数据丢包，提高网络效率，减少电话断线。虽然以前的MEMS振荡器解决方案是面向低端时钟应用，还不能满足3G、4G或GPS等高精密时序应用需求。但是Sand 9的无杂散振荡器以其优异的性能可以“胜任”新一代移动设备。此外，无杂散振荡器对噪声、振动不敏感，可以回流焊，解决了温度补偿晶体振荡器（TCXO）的问题。

图3 Sand 9的MEMS振荡器芯片

从创新角度看，Sand 9正在开发压电式MEMS产品，相比静电式，压电式能够更有效地将电能转换为机械能，然后再转换为电能（效率约提高100倍）。这意味着产品将拥有更好的性能、更小的尺寸、更高的良率（没有移动板=无粘附现象）。这些技术的发展旨在克服石英振荡器的缺点，包括生产成本问题、采购时间长、可扩展性差和冲击易损坏。

行业观察员和分析师注意到，MEMS振荡器市场还处于起步阶段，在整个63亿美元的时钟市场中占比不到1%。然而MEMS公司已开始从传统的石英供应商手中抢夺市场份额。据统计，2010年全球MEMS振荡器的市场规模为2140万美元，预计到2014年可达3.12亿美元，其中消费类电子产品应用将占据近一半市场份额。“破坏性”MEMS技术的诞生，如MEMS振荡器，将掀起第三波MEMS应用浪潮！