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漫谈MEMS利基市场及技术挑战

放大字体  缩小字体 发布日期:2019-04-09  浏览次数:78
核心提示:SMART Microsystems是从事MEMS研发的公司之一,该公司专门致力于微电子装配,具有环境寿命测试和失效分析能力。

MEMS有各种尺寸和功能,从微型化的传感器芯片,到独特的微纳米架构,可以感知、测量、传输并控制几乎所有传感模式。MEMS实现了具有感知、控制和执行能力的增强型微系统,这在十多年前几乎无法想象。

MEMS传感器

SMART Microsystems是从事MEMS研发的公司之一,该公司专门致力于微电子装配,具有环境寿命测试和失效分析能力。

SMART Microsystems董事、总经理Matt Apanius表示:“我们的产品种类繁多,其中大部分都是传感器,其中包括MEMS。当客户需要为新产品提供定制化装配时,我们通常会与他们合作研发。我们的客户可能不一定是财富500强企业,但他们往往是这些大公司的供应商。”

与这类客户合作,SMART Microsystems必须始终处于微电子产品创新的前沿。Apanius 称:“我们乐于跟客户密切合作,以确保材料要求以及我们开发的工艺能够达到设计和成本目标。”

据麦姆斯咨询介绍,DunAn Sensing(盾安传感)是另一家MEMS传感器公司,专注于生产MEMS压力传感器。据盾安传感销售和营销副总裁Gary Winzeler表示,盾安传感制造压力传感器芯片,然后对它们进行各种不同的封装。

“我们的产品直接供向大型暖通空调设备(HVAC)、制冷设备、冷冻机以及任何使用制冷循环的设备制造商,”Winzler说,“即使是电动汽车制造商也在使用制冷设备来冷却电池。这是一个很大的市场,而且还在不断增长。”

Roger Grace Associates总裁Roger H. Grace已经密切跟踪这个不断增长的MEMS市场超过35年。Roger Grace Associates致力于为MEMS和其他先进封装领域的客户提供各种市场和咨询服务,他们专注于为传感器和电子产业把脉,特别是器件开发和制造领域。

“我们开展的研究有助于我们的客户更好地了解他们需要绕过的‘坑’,以帮助他们成功地进入新的技术和产品开发领域,包括从产品规划到推出,以及在此之间的所有事宜,” Grace表示,“我们帮助客户确定他们的产品需要做什么,采用什么样的封装以实现这些功能,甚至这些产品应该被设计成什么样子。要制造一款产品,首先需要具有完整的功能,并为设计目标确定最佳的传感器。”

技术挑战

“封装、测试和制造方法都由MEMS器件的应用所决定,”SMART Microsystems公司Matt Apanius说,“器件的分辨率越高,意味着具有更多互连的大尺寸芯片。由于许多原因,具有大像素阵列的芯片存在一定的挑战性。常见的封装问题,例如机械应力和隔热,变得更加难以处理。此外,芯片本身的成本也会很高,使得装配良率变得更加重要。”

Apanius说:“晶圆的双面加工一直是MEMS技术的一部分。在过去十年左右的时间里,IC产业采用了硅通孔(TSV)技术来支持高密度互连。尽管这些都取得了显著发展,但我们的客户在互连方面依然青睐引线键合,我们几乎所有的工艺都涉及引线键合。”

盾安传感的Gary Winzeler表示,盾安传感的目标市场首先是制冷压力测量、热泵、HVAC系统以及所有使用HVAC系统和设备的产业。

“对于一款标准的MEMS器件,为了接入高腐蚀和严苛介质的环境,目前通常用不锈钢隔膜保护MEMS,然后在两者之间注油。这种方案成本高且耗时,需要额外的机械加工部件,而且注油成本很昂贵,并且实际上会削弱MEMS芯片的精度和可重复性,”他解释说,“我们换一种思路,想出了一种将芯片安装到陶瓷上的方法,然后通过封装连接,周围不需要其他保护。下一步是我们刚刚发布的产品,已经去除了O形环,使其更加坚固。”

在开始瞄准该市场的同时,盾安传感也在寻求其它一系列应用:泵制造商、阀门制造商、压缩机制造商和气体压缩机厂商等。Winzeler称,有很多应用可以从我们的产品中受益。

产业顾问Grace提出,目前有多种平台可以构造传感器,包括硅、纸、塑料和其它功能性结构等。必须根据每种应用,权衡功能、规格、特性以及相关的优劣势。每一位电子工程师大脑里的“设计工具箱”,都需要包括每种类型的传感器及其技术。

“当前和未来的成功产品都应用了先进的封装和集成概念。这种封装概念必须在产品开发周期的最初阶段便引入。这是该解决方案的系统级方案(如图1),”Grace说,“参与项目的每个人都必须在这个过程的早期阶段聚集在一起,并在第一次会议中创建一个应对所有设计问题的系统。在CAD系统中可以开发出优秀的设计,但是当涉及到制造的现实问题时,时常会发现无法完成设计的制造,又会再回到版图设计部分,这就是为什么这么多新器件如此昂贵,甚至始终无法实现。我们所设计的器件必须能够在其浸入的环境中生存,完成其工作,成本还不能太高,并且能让我们获利。在我看来,从互连到测试再到封装,这一切都充满真正的挑战。”

漫谈MEMS利基市场及技术挑战

图1:设计人员在选择传感器时必须考虑一种系统设计方案,尤其是通常由ASIC实现的接口电路

SMART Microsystems公司的Apanius认为,基于MEMS的小型化解决方案将继续推动市场发展。“这是SMART Microsystems的战略。我们背后的系统集成商和制造商(如Parker Hannifin、Eaton、Rockwell Automation以及Nestle等),也都在考虑同样的事情:如何获得更多的收益?他们正在研究依赖传感器等电子器件的基于数据的系统解决方案,”Apanius说,“这就是我们的切入点,我们为所有主要行业提供定制化服务。我们现在看到一些不错的增长趋势,有几个新项目正在走向成熟,我们对此感到非常兴奋!”

盾安传感的Winzeler表示,“盾安传感推出了一系列新产品,这些产品采用革命性的方式连接MEMS和媒质。我们这样做是为了获得一种非常低成本的封装方法,同时保持高可靠性和经济性。我们还提出了一种将温度传感器与压力传感器整合在同一个MEMS封装中的器件。在HVAC领域,特别是在制冷领域,客户通常需要同时测量制冷剂的压力和温度。然后,他们可以计算过热,以控制系统内的各种风扇、压缩机和控制器。”

Winzler补充说,“为了达成目前所需的能效,对所有参数的控制至关重要,因此,客户希望可以在同一测量点完成所有这些工作。因此,我们将客户所需要的技术结合在一起,为他们提供双输出的器件,实现单点的所有参数测量。在我们的无O型环MEMS封装(如图2)中,将封装注塑成型为非常坚固且具有出色环境接口的单个器件。它可以浸没在水中,承受极高的湿度和剧烈的振动。相比目前市场上的其他器件,我们的这款产品具有更好的结构和环境保护性能。”

漫谈MEMS利基市场及技术挑战

图2:用于环境保护的注塑成型封装

Winzeler所能给出的最好的建议是,所有开发未来技术的公司都应该走出去,与客户交流。“你必须找到现实生活中的需求,然后回过头来开发解决方案。许多公司的规模变得很大,以至于使他们失去了与客户一对一的机会。如果公司可以解决客户的问题,那么公司的规模大小就无关紧要。只要他们花时间去为客户提供解决方案。随着MEMS在压力和温度传感领域的应用,它们在面对腐蚀性介质或者封装方面,肯定会有所变化和发展。这一切都需要关注客户的需求。”

Grace认为,未来在于那些能够测量心理化学/生物现象的传感器市场,包括血液、汗液和泪液。这些和其他心理现象的测量,可以用于确定身体状况的重要变化,例如运动员或老年人的脱水。鉴于这些需求,从生命周期来看,硅基MEMS等技术正逐渐成熟并走向衰落,同时,印刷/柔性技术即将崛起(如图3)。

漫谈MEMS利基市场及技术挑战

图3:根据四大创新浪潮,硅基MEMS等技术正在走向成熟并终将走向衰落,而印刷/柔性技术正在崛起

 
关键词: SMART Microsystems 传感器 智能传感器 MEMS传感器 智能制造

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