中國電子元件行業(yè)協(xié)會(huì )
China Electronic Components Association
近日，特種應用MEMS和傳感器解決方案供應商A. M. Fitzgerald & Associates（英文簡(jiǎn)稱(chēng)：AMFitzgerald）和全球領(lǐng)先的高精度工業(yè)產(chǎn)品制造商住友精密（Sumitomo Precision Products，英文簡(jiǎn)稱(chēng)：SPP）宣布結成聯(lián)盟，將整合AMFitzgerald的MEMS產(chǎn)品開(kāi)發(fā)專(zhuān)長(cháng)和住友精密的外延鋯鈦酸鉛（PZT）MEMS晶圓代工廠(chǎng)“MEMS Infinity”能力。雙方的結盟將加快薄膜PZT MEMS芯片技術(shù)在中、小市場(chǎng)的商業(yè)化進(jìn)程。
薄膜PZT是一種新興的高性能壓電MEMS材料，但由于其原型襯底生產(chǎn)的品質(zhì)問(wèn)題，薄膜PZT MEMS開(kāi)發(fā)商通常需要面對難以獲得高品質(zhì)原材料的挑戰。
小批量薄膜PZT材料是許多MEMS器件的開(kāi)發(fā)基礎，一般只能由品質(zhì)略低的研發(fā)晶圓獲取，其性能與量產(chǎn)材料存在差異。這一限制增加了設計新型PZT MEMS器件的成本和難度。AMFitzgerald和住友精密結盟的目標是小批量提供高品質(zhì)的薄膜PZT壓電晶圓，同時(shí)為大規模量產(chǎn)提供便利，無(wú)需由于壓電材料問(wèn)題進(jìn)行重新設計。
AMFitzgerald是一家擁有20年歷史的MEMS設計公司，專(zhuān)門(mén)從事航空航天、醫療和工業(yè)級MEMS器件設計。住友精密則是一家提供全方位服務(wù)的專(zhuān)業(yè)MEMS代工廠(chǎng)，擁有完整的原型制造設施和薄膜PZT代工晶圓廠(chǎng)。PZT具有固體介電、鐵電壓電和熱電特性，非常適合機電和熱電器件應用。
住友精密外延PZT晶圓
MEMS需求持續增長(cháng)
盡管MEMS不像鋰電池和無(wú)線(xiàn)協(xié)議等系統那樣備受關(guān)注，但它們卻已無(wú)處不在。MEMS器件的各種優(yōu)勢推動(dòng)了其需求的持續增長(cháng)。一方面，體積更小、成本更低、性能更高的MEMS器件成為采用傳統技術(shù)傳感器的理想替代方案。另一方面，得益于MEMS器件體積小、成本低，這意味著(zhù)對于原本無(wú)法部署傳統傳感器的領(lǐng)域和應用，通過(guò)增加MEMS傳感器來(lái)升級應用已經(jīng)變得經(jīng)濟且可行。
據市場(chǎng)研究機構Yole的一項研究表明，在這種“傳感化”趨勢的推動(dòng)下，2021年MEMS傳感器市場(chǎng)規模達到了136億美元，預計到2027年將增長(cháng)至223億美元，在此期間的復合年增長(cháng)率（CAGR）達到9%。
按應用領(lǐng)域細分的MEMS市場(chǎng)增長(cháng)預測
MEMS將電子元件和機械元件結合在同一襯底上。構成MEMS器件的元件尺寸通常在0.001毫米到0.1毫米之間，整個(gè)組件的尺寸大約在0.02毫米到1.0毫米。通常，MEMS元件基于機械應力改變電氣特性的原理而工作。
目前，大多數MEMS器件都依賴(lài)始于20世紀90年代的蝕刻硅（Si）結構。過(guò)去15到20年來(lái)，壓電MEMS材料得到了長(cháng)足進(jìn)步，利用它們可以制造出廣泛種類(lèi)的MEMS器件。
硅基MEMS器件基于微小硅結構機械形變所帶來(lái)的電容或電阻變化。壓電MEMS器件則依賴(lài)壓電效應，即由機械形變產(chǎn)生微小電荷，或者反過(guò)來(lái)，由施加的小電荷產(chǎn)生機械形變。
壓電MEMS執行器（揚聲器）和MEMS傳感器（麥克風(fēng)）示例
作為微型執行器，壓電MEMS器件能比硅基深硅蝕刻MEMS執行器提供更大的力。壓電MEMS傳感器也比硅基MEMS傳感器更靈敏、更精確。
硅 vs. 壓電材料
硅基MEMS加速度計具有在半導體襯底上蝕刻的一端固定在襯底上，另一端懸置的結構。懸臂部分與襯底絕緣，作為可動(dòng)電極，襯底作為固定電極。硅基MEMS器件應用的蝕刻技術(shù)與集成電路的蝕刻技術(shù)有類(lèi)似之處。
當MEMS器件運動(dòng)時(shí)，由于慣性作用，可動(dòng)電極的自由端會(huì )輕微彎曲。彎曲時(shí)，它與固定電極之間的距離會(huì )發(fā)生變化，由此導致固定電極和可動(dòng)電極之間的電容發(fā)生變化。附近的電子元件通常蝕刻在同一硅襯底上，可將電容變化轉換成軟件可讀的信號，以顯示加速度的強度。
壓電MEMS加速度計在壓電薄膜襯底上蝕刻有類(lèi)似的可動(dòng)結構。當發(fā)生運動(dòng)時(shí)，壓電材料會(huì )在彎曲作用下產(chǎn)生微小電流。同樣，附近的電子元件會(huì )將這些電流轉化為可讀信號。
AlN vs. PZT
壓電MEMS材料主要有兩種類(lèi)型：氮化鋁（AlN）和PZT。薄膜AlN比薄膜PZT成熟的更早，更快成為一種可量產(chǎn)制造技術(shù)。據AMFitzgerald公司創(chuàng )始人Alissa M. Fitzgerald博士稱(chēng)，薄膜AlN的應用范圍包括射頻濾波器、麥克風(fēng)、振蕩器、觸摸傳感器等。
Fitzgerald博士繼續說(shuō)，薄膜AlN相比薄膜PZT更適合那些運動(dòng)更小的器件或傳感器應用，但是薄膜PZT的應用潛力更為廣泛，最適合晶圓級或芯片級電子集成。薄膜PZT的應用范圍包括噴墨打印頭、自動(dòng)對焦執行器、超聲波換能器、麥克風(fēng)/揚聲器、微鏡、微泵及微流控、陀螺儀、能量收集器等。
PZT并不新鮮。多年來(lái)，醫用超聲一直采用厚膜PZT換能器。然而，厚膜器件與薄膜器件相比非常昂貴。直到最近，薄膜PZT才開(kāi)始具有商業(yè)價(jià)值。要將薄膜PZT廣泛應用于MEMS器件，還需要采取的措施之一，就是將小批量原型晶圓做到完全量產(chǎn)的質(zhì)量水平，而這正是AMFitzgerald和住友精密結盟的目標。
縮短設計流程
如今，PZT MEMS的開(kāi)發(fā)流程基本上分為兩個(gè)原型階段。首先，使用研發(fā)質(zhì)量的晶圓進(jìn)行初始設計；然后，選擇MEMS代工廠(chǎng)，對設計進(jìn)行調整和優(yōu)化，以適應MEMS代工廠(chǎng)批量生產(chǎn)的優(yōu)質(zhì)材料。
雙方的結盟將縮短設計流程
MEMS代工廠(chǎng)選擇階段也存在問(wèn)題。Fitzgerald解釋說(shuō)，大型MEMS晶圓廠(chǎng)對客戶(hù)群是有選擇的。他們只想要每年銷(xiāo)售上億顆MEMS器件的客戶(hù)，但是許多創(chuàng )新都來(lái)自規模略小的市場(chǎng)及客戶(hù)，這意味著(zhù)每年需要的晶圓產(chǎn)量并不大。這使得中間市場(chǎng)的創(chuàng )新變得非常困難。
通過(guò)為小批量MEMS原型制造提供量產(chǎn)級質(zhì)量的晶圓，消除了MEMS代工廠(chǎng)階段的重新設計。初始設計就可以在最終量產(chǎn)條件下完成。有了AMFitzgerald和住友精密的結盟，非大規模特種工藝市場(chǎng)的開(kāi)發(fā)商，將更容易獲得成功產(chǎn)品設計及量產(chǎn)所需要的高質(zhì)量原材料。
