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国外微机电系统(MEMs)发展简述

供稿人:杜渐  供稿时间:2009-12-25   关键字:微机电系统  微系统  微机械  MEMs  
微机电系统(MEMs),又被称为微机械或微系统,是微电子与机械工程等多学科融合的一种新兴技术。MEMs主要由微型传感器、执行器和相应的处理电路等三部分构成。它可以采集外部运动、光、声、热、磁等自然界信号,由微传感器转换成电信号,经过微处理单元处理后,由微执行器执行动作,实行与外部环境“互动”。
1、国外MEMs产业、技术发展概况

1)国外MEMs产业发展概况

目前,国外MEMs的生产主要由北美与欧洲地区IDM企业垄断。如:在光源投影机(DLP)MEMs组件领域由德州仪器(TI)掌控,在汽车电子由博世科技(Bosch)掌控,消费电子领域意法半导体(ST Microelectronics)领先,而惠普(HP)等掌控打印机喷墨头市场等。此外,以台积电、联电等为代表的半导体代工企业近年来积极投资MEMs的代工生产,台积电去年已将部份0.35微米逻辑制程产能升级为MEMs制程,并调拨旗下6寸厂FAB2及8寸厂FAB3的产能投入量产,而今年5月台积电已宣布正式开始提供MEMs代工服务,而过去该公司只向部分客户提供该服务。近来,利用CMOS标准化工艺生产MEMs元件已经取得突破,包括WOLFSON、ADI、AKUSTICA等MEMs设计企业或IDM厂,已开始利用标准CMOS制程量产MEMs麦克风等产品。
 
而在各地区的发展潜力和侧重点方面,美国在MEMs领域创新全球领先,美国的柏克莱、格鲁吉亚、UCLA等知名大学均已投入不少的资源在MEMs领域,也正因为如此,美国近几十年来成立了不少的MEMs创新公司,成为美国MEMs产业发展的支撑力量;欧洲公司MEMs产业锁定的目标市场还是在汽车电子领域,由于他们生产MEMs产品的成本较高,在消费电子领域比较不具备竞争优势,不过值得注意的是欧洲发展MEMs产业也已有相当长一段时间,累积相当的专利技术和成果,但是目前还没有像美国孵化那样多的MEMs新兴公司;日本公司MEMs相关领域有着不错的科技与技术积累,并且在MEMs的基础研发上投入相当多的资源,也具有一定的实力。
(2)MEMs技术发展现状与趋势
目前,常用的制作MEMs器件的技术主要有三种。第一种是以日本为代表的利用传统机械加工手段,即利用大机器制造小机器,再利用小机器制造微机器的方法;第二种是以美国为代表的利用化学腐蚀或集成电路工艺技术对硅材料进行加工,形成硅基MEMs器件;第三种是以德国为代表的LIGA(LIGA是德文Lithograpie-光刻、Galvanoformung-电铸和Abformung-铸塑三个词的缩写)技术,它是利用X射线光刻技术,通过电铸成型和铸塑形成深层微结构的方法。其中第二种方法与传统IC工艺兼容,可以实现微机械和微电子的系统集成,而且该方法适合于批量生产,已经成为目前MEMs的主流技术。
 
当前,MEMs技术发展呈现以下几个重要趋势:
 
MEMs应用普及到消费类领域。最初对MEMs的应用集中于军事、汽车电子等市场领域,由于这些领域对于产品的性能要求很高,因此基本上采取多品种少批量生产的方式,由IDM企业自主生产。未来,MEMs应用将被更多地拓展至消费类产品如手机、游戏机等领域,采用批量生产的方式。而随着MEMs在消费类产品上的应用,MEMs技术发展也开始更强调规模化和成本意识。目前采用6英寸晶片生产线,单片晶圆片上已经具备量产1万个MEMs麦克风的能力。
 
设计制造的标准化加速。目前,在MEMs的技术方面,设计规则正由定制转向标准化。而随着标准化的进程,MEMs构造将作为IP(intellectual property)内核,在设计时能够被重复利用,从而降低MEMs的设计难度和成本,提高设计效率,据估计设计标准化后单个MEMs产品的开发周期将会由原来的5-7年,缩短至1-3年。而另一方面,随着设计标准化的推进,过去基于IDM的自主制造为主的生产模式将会在一定程度上被代工模式取代,目前全球半导体代工领域的领先企业台积电、联电等都开发出了各自的MEMs制程技术,用于MEMs代工的硅晶片尺寸也有4-6英寸增大至6-8英寸,这也带动了具有专有技术的无生产线MEMs创新设计公司(fabless)的兴起。
 
MEMs制造工艺与集成电路CMOS生产工艺融合进一步加强。半导体CMOS制造工艺与MEMs组件的制造工艺兼容性高,当前两者融合的趋势进一步加强。结合现有成熟的CMOS工艺技术生产MEMs产品,不仅符合半导体超摩尔定律(More than Moore),系统芯片方向发展的趋势,也有利于通过CMOS技术实现MEMs的批量化生产,降低其单位成本。而将传感器与CMOS信号处理电路融合在技术上也有许多优势,首先,与过去通过引线键合来连接相比,通过单芯片化或者芯片接合,可以大幅减少寄生容量,提升两者电路的连接性能,同时也有利于减小组件封装面积等,适应产品小型化的发展要求。而单芯片化或芯片接合的实现方法有很多。在CMOS上形成MEMs的方法已被美国德州仪器用于投影仪(DLP)数字微镜元件(digital micromirror device,DMD)的生产。而在MEMs周围形成CMOS电路的单芯片化方法已被美国Analog Devices用在加速度传感器等产品上。
 
MEMs技术发展现状及趋势
 
2、国外政府推动MEMs发展措施

1)设立开放式MEMs合作研发基地

日本计划在经济产业省的主导下成立一个名为“JMEC”(暂称,意为“Japan MEMs Enhancement Consortium”的缩写)的国际性开放式官产学合作的MEMs研发机构,该机构将设在日本产业综合研究所、筑波大学等合作的纳米科技研发基地“筑波纳米科技基地”内,作为日本MEMs相关项目的运营主体。该机构预定2015年之前正式投入运营。
 
JMEC除了从事MEMs领域的尖端研发之外,还考虑与提供设计试制服务以及人才培养相结合。在MEMs尖端研发方面,JMEC将主要瞄准大学及公共研究机构未涉及的,有产业化应用前景的研发领域,以及由企业单独进行风险较大的基础研究课题。此外,JMEC还将采用与台湾工研院类似的技术孵化模式,如果在一项技术开发取得成功,将通过设立独立的风险企业,剥离进行市场化运营。在设计试制服务方面,JMEC将提供小批量的MEMs试制服务,以消除有创新设计思路却无处投片试制、进行产业化的障碍,推动中小企业开展创新研发活动。

(2)为产业发展提供资金扶持

近期,台湾地区政府为扶持MEMs产业发展,首度将MEMs列入“政策性”补助产业,使台湾企业在向相关机构申请MEMs产业补贴时,不再受过去科专计划单一计划执行期限最长不得超过3年,且3年内累计所获得的政府补贴不得超过3000万元新台币等的限制。新政策使得单一MEMs企业可获得的政府补助资金扩大至2亿元,甚至台湾地区政府内部评估不排除未来将补助资金进一步增加到3亿元可能。除此之外,补贴的申请方式也一改以往由企业向政府提出申请的模式,而是政府主动出击,希望可以加快台湾半导体厂商申请MEMs产业发展补助的步伐。
 
另外,在北美加拿大政府和加拿大魁北克省政府共同投资1亿7800万美元,在位于魁北克省布罗蒙特(Bromont)的希尔布鲁克大学(University de Sherbrooke)设立尖端微电子创新中心,以推动MEMs及三维层叠封装等领域的技术研发,该项目将8英寸生产线,除了IBM Canada以外,项目参加者还有从事MEMs代工业务的加拿大DALSA公司等。

3)制定国家级研发项目

近年来,日本政府相继推出了若干与MEMs相关的国家项目,预算金额达到100多亿日元。2007年夏季作为“尖端融合领域革新创造基地的形成”计划课题的一部分,日本文部科学省启动了“微系统融合研究开发”的产学合作项目。目标是通过推动MEMs前沿领域的研究机构与拥有具体应用需求的企业合作,使各种MEMs技术尽快达到实用化水平。该项目使用的是科学技术振兴调节资金,首年度预算为3亿日元,目标是是建立可低成本试制MEMs元件的体制。2008年度开始,在日本经济产业省主导下,启动“BEANS(Bio Electro-mechanical Autonomous Nano Systems)项目”和“梦幻芯片开发项目”。BEANS计划在2008-2012的5年内投入100亿日元的预算,把生物科技和纳米功能融入MEMs技术,开拓新的应用研究。该项目由负责制定MEMs相关政策的日本制造产业局产业机械科负责。梦幻芯片开发项目旨在开发三维LSI,计划5年内投资数10亿日元的预算(粗略估计为15亿日元/年),由日本商务信息政策局信息通信设备科负责。

(4)产业链合作推动MEMs发展

以台湾地区为例,在台湾科发基金的支持下,新竹科学园区管理局规划成立了SoC产品设计服务技术研发计划(SoC Innovative Product Partnership,SIPP),作为台湾MEMs产业发展促进机构。SIPP联合台湾MEMs领域设计、制造资源,成立了名为SMILE Café(Sensor Microsystems Integration for Life Enhancement Cultivation And Facilitation Environment)的合作平台,希望借此引导台湾IC设计和代工企业协作开发MEMs标准制程,推动台湾MEMs产业升级。
资料来源:
 
 
 

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