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    ——拓展摩尔定律推动 MEMS/NEMS 技术演进

     

    人工智能时代,传感器与处理器同样重要,传感器数据可完善AI功能、加速AI进化。

    AI三要素:数据、算法、算力。传感器类似人类的感官,传感数据越丰富、越细腻,数据网络效应越强,机器学习模型训练的结果就可能越精准。无人驾驶、3D Sensing、机器人依赖的是来自传感器的数据。AI的底层硬件是芯片与传感器,从云端到终端,智能传感器将无处不在,传感器数据的丰富将完善AI功能、加速AI进化。

    物联网时代来临,MEMS是传感器的主流技术,将迎来传感器与AI融合的革新,正从简单的数据收集走向环境态势感知、应用意图预测等。

     

    一、拓展摩尔定律推动 MEMS/NEMS 技术演进

    摩尔定律自英特尔创始人戈登·摩尔1965年提出至今已经发展了52年,其通过不断减小晶体管尺寸驱动集成电路性能持续提升、成本不断下降,从而带动半导体市场持续繁荣。随着半导体制程逐步走向14纳米及以下时,ITRS(国际半导体技术发展路线图)在2013年预计半导体技术更新将逐渐放缓,拓展摩尔定律More than Moore,简称 MtM)与后摩尔定律More Moore)获得学术界与产业界的认同,逐渐成为推动微电子行业发展的两股重要力量。

    (一)MEMS/NEMS  发展的原始动力:微小型化

    1 、MEMS/NEMS  简介

    微机电系统Microelectromechanical Systems,简称 MEMS)是将微电子技术与精密机械技术结合发展出来的工程技术,尺寸在1微米到100微米量级,涵盖机械(移动、旋转)、光学、电子(开关、计算)、热学、生物等功能结构,主要分为传感器、致动器、三维结构器件等三大类。与MEMS类似,NEMSNanoelectromechanical systems,纳机电系统)是专注纳米尺度领域的微纳系统技术,只不过尺寸更小。

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                                 图 1-1 :MEMS  梳齿状可动部件                                      1-2 :MEMS  传感器结构示意

     

    MEMS/NEMS是涉及机械、半导体、电子、物理、生物、材料等学科的交叉领域,代表性器件有加速度计、陀螺仪、磁传感器、微型麦克风、压力计等。MEMS技术主要包括硅基加工技术、高分子材料微纳加工技术、金属微纳加工技术等。硅基技术主要是标准 CMOS集成电路加工工艺,包括表面微加工、深层刻蚀、体型微加工等。

    相比传统的机械传感器与致动器,MEMS具有微型化、重量低、功耗低、成本低、多功能等竞争优势,可通过微纳加工工艺进行批量制造、封装、测试,因而MEMS/NEMS广泛应用于汽车、消费电子、工业、医疗、航空航天、通信等领域。


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      1-3 :MEMS 在智能手机领域的应用


    2 、MEMS小型化趋势:走向NEMS

    相比上一代产品,移动设备的每次更新换代要求功能增多和性能提升。随着消费电子产品尺寸的缩小,特别是智能手机“轻、薄”化,电子元器件的布局空间也随着减少,进而推动MEMS走向小型化。无论是单个MEMS器件,还是集成了加速度计、磁力计、陀螺仪、电子罗盘的MEMS惯性导航单元,封装尺寸的趋势是封装面积在不断缩小,或者在面积相等的情况下从二维向三维拓展,集成更多的电子元件,赋予MEMS更多的功能。

    MEMS小型化的趋势是走向NEMS。MEMS尺寸缩小带来微系统功能密度增加、成本下降、传感性能提升、低功耗等优势。MEMS器件的尺度是微米量级,NEMS器件是纳米尺度。NEMS的加工工艺难度相比MEMS要求更高,工艺设备更加复杂、精密。

    目前MEMS技术处在从微米尺度向纳米尺度过渡阶段,NEMS领域在惯性传感器和化学传感器已经有部分商用产品。根据Yole developpement的研究,单个MEMS的平均成本在0.1美元~5美元之间,面积在1 mm 2 ~15 mm 2,单个NEMS的平均成本在 0.1 美元~1美元之间,面积在1 mm 2 ~10 mm 2。据 MEMSIC的数据,2016年美新半导体的消费类加速度计和磁传感器销售均价分别为1.06元、1.01元。

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    图 1-4 :MEMS  小型化趋势是走向 NEMS

           MEMS 小型化的趋势是封装尺寸减小。MEMS传感器的晶圆级封装开发工艺中,封装成本约占MEMS传感器总成本的 30%~40%,封装尺寸面积的减少能够降低MEMS传感器的成本、提高传感器的灵敏度。根据市场调研机构Yole Développement的研究,MEMS典型器件中,加速度计的封装管脚从2009年的3×5 mm 2缩小至2014年的1.6×1.6 mm 2,面积减小了83%。

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    图 1-5 :移动设备中 MEMS  传感器的封装管脚尺寸在不断缩小


         (二)先进封装将推动MEMS与IC、RF等器件的三维异质集成

    1 、拓展摩尔定律推动MEMS发展

    拓展摩尔定律(MtM)是指通过系统级封装(SIP)等先进封装技术赋予微系统更多非数字电路功能,将射频、模拟电路、生物芯片、高压电源、MEMS等器件进行系统集成,从而增加微系统附加价值的方法。MtM器件融合了非数字与非电子的信息功能,包括机械、热学、声学、化学、光学、生物医疗等功能,极大拓展了MEMS器件的功能范围和应用领域。

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