MEMS的发展新趋势

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物联网在半导体中的日益普及、对智能消费电子和可穿戴设备的需求不断增加以及工业和家庭中自动化的日益普及是 MEMS 市场增长的重要因素。到 2026 年,全球 MEMS 市场预计将从 2020 年的 109.2 亿美元增至 188.8 亿美元。

MEMS 器件在生物医学、光学、无线、航空航天和消费产品等各个领域都有不同的应用。MEMS 也一直是新冠病毒时代的主要用途,因为它的压力传感器用于呼吸机的呼吸监测以监测患者的呼吸。除医疗设备外,MEMS 可用于由微型集成设备或结合机械和电气组件的系统组成的每个小型设备。

ELE Times通讯员 Sheeba Chauhan 借此机会与 Patrick (Rick) Oden 博士、TI 研究员、DLP 产品和研究员 – 美国物理学会、德州仪器进行了互动。对话富有洞察力,充满了MEMS的实际应用。

MEMS 器件从大批量商品或小批量向高度专业化的器件转变

MEMS 的第一个小批量产品是来自 Novasensor 的压力传感器,这是 Kurt Peterson 博士几十年前努力的产物。这个应用程序已经持续了几十年。几年前在 80 年代/ 90 年代已经提出了更高容量的产品。它们现在已成为大多数手机的主要产品,并显着提高了销量。此外,25 年来,德州仪器 (TI) 一直致力于为具有合理体积的显示应用大规模并行表面 MEMS 阵列。确实,已经从专用设备转变为通常较低的销量,转变为每年销售数百万台的设备。它主要是由对手持设备的需求和内容可视化的传播驱动的。

展望未来,下一代惯性传感器平台可能会进一步适应,以提供航位推算能力,以增强信号挑战环境中的 GPS 协调。预计还将类似地继续采用投影技术来满足相邻空间和需求。

MEMS 器件对安全关键市场以及封装、芯片移位和变化等问题的影响

存在与安全关键且通常用于汽车级 MEMS 功能相关的成本。这种对细节和可量化规格的额外关注会对各种分层汽车供应商必须转嫁给客户的设备成本产生影响。

最终,这会导致经营成本和供应商需要将其汽车产品组合与消费级产品区分开来。

制造纪律是一场永远存在的战斗。许多 MEMS 供应商被迫利用外部制造厂进行生产,这可能是一个复杂的过程,因为他们没有得到供应商的足够重视和标准制造公差要求。对于那些拥有自己生产线的生产商来说,他们可以更准确地控制他们的产品。

正在进行的改进 MEMS 设备(惯性和陀螺仪传感器)以及漂移、干扰和老化等问题的工作

许多生产商利用非常相似的正交传感范式来检测线性加速度或旋转(陀螺仪)。这使生产商处于利润减少的境地,并允许以扩大能力为目标,以将他们的产品供应与竞争对手区分开来。

最终目标是能够生成一个惯性传感器平台,该平台将通过标准 GPS 的定位精度来增强功能。它将在 1 立方英尺的体积内提供向上 5 分钟的定位精度。这可能需要为惯性系统采用不同的信号转导机制,几家初创公司和大公司正在为此研究新的途径。

在任何多系统实施方案(多芯片模块)中,电气和机械漂移和干扰考虑显然很重要,并且最终将成为最终解决方案。材料科学方面的考虑是设备开发周期中的一项要求。然而,虽然在某些领域这种情况目前正在发生,但在其他领域,它显然缺乏牵引力。

异构封装问题影响MEMS的应力、潜在热失配和材料纯度以及现有市场的变化

通常,它代表对 MEMS 器件最终目标的寄生作用。MEMS 中的第二个“M”代表机械,这是出了名的容易受到来自各种路径的漂移考虑的影响。这包括封装基础和信号转导所需材料的不匹配。

封装在 MEMS 开发工作中通常没有得到应有的重视。这通常会导致技术开发过程失败,包括那些具有成功基础传感器或执行器的过程。在可预见的未来,对尺寸和温度范围规范的不断推动将继续提高 MEMS 的封装复杂程度。

例如,在时钟领域,这是一个非常重要的考虑因素,是供应商驱动的主要规范。稳定性会受到许多因素的影响,这些因素可以创建一个复杂的可能性矩阵,人们需要了解这些可能性,才能获得产品成功。

航位推算位置精度对于手机、产品交付和一些开发公司来说是一种令人兴奋的可能性。这受到提高准确性和信号强度的愿望的影响,例如,在没有足够 GPS 覆盖的仓库或建筑物中。这将导致我们在社会中采购商品和服务的方式发生重大变化。

具有仿生能力的传感器系统在万物互联中提供化学和/或物理传感网格似乎是另一种可能性。今天,我们拥有需要通过 Internet 进行远程系统诊断的设备的 IP 地址。

新时代RF MEMS开关的用途和问题

在低功率和高功率 RF 之间切换的能力是软件可定义无线电以及 RF 天线适配等方向的重要功能。RF-MEMS 的机会提供了进行此类切换的能力,同时显着提高了效率和外形尺寸。这种类型的开关可以通过接触式 MEMS 设备来完成,这些 MEMS 设备可以形成和断开成排的机械接触。

这里出现的复杂情况之一是,虽然被切换的 RF 功率量很小,但它所处理的是最终具有纳米级接触尺寸的东西。因此,很容易产生熔断开关关闭的熔接效应。这最终是一个材料问题,系统解决方案可能会帮助它保持电源切换,直到出现已知良好的机械接触。

MEMS/NEMS 的新兴趋势和新机遇(例如,量子、物联网、非线性动力学、人工智能和机器人等)

这里的机会是巨大的!利用标准半导体制造能力来进一步降低 MEMS 的维度,可以提高性能,并有望开辟新的影响领域。

今天,我们处于量子计算时代,寻找量子交换能力的能力将成为未来几年从学术界到初创企业的热门话题。物联网 (IoT) 范式还将推动传感器和传感器系统的重大创新,以及它们如何嵌套在一起以提供集体签名。利用 MEMS 中的非线性转换将提高设备的灵敏度,否则将不存在。所有这些都将为快速增长的机器人和人工智能需求提供许多可能性。

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