考验制程与产品性能的MEMS微缩趋势

针对移动应用整合，传感元件朝整合方向开发。movea

随着移动设备对于微机电元件的需求越来越高，几乎已经成为新一代移动设备、平板电脑必备的功能设计，为了降低物料清单与元件成本，微机电元件也朝向整合移动处理器或采更高整合度的形式提供关键应用功能，但整合度提高不仅考验制程、元件可靠度与成本，也必须在一定要求下提供关键应用所要求的高精准效用...

集成电路设计或解决方案，一向以新的制程、设计方案来提供更高整合度的解决方案，像是新一代多核心移动处理器，目前已经发展至四至八核高度整合设计，借此改善移动设备因应巨量运算与一般待机应用的悬殊运算条件，而在MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)产品市场，除利用新颖制程持续微缩零组件的占位面积，也利用新的整合技术透过多传感器的组合，一方面提升元件的传感精度、一方面增单一元件所能提供的应用功能。

MEMS是否采取整合设计 须考量研发、生产等关键因素

但MEMS的高度整合设计，其实颇具争议性，即便是整合的设计方案更能提升低价格、高性能、高品质与高可靠性的设计方案，但实际上MEMS产品在研发、生产的投入相对较大，必须采取较大的产能分散开发与生产成本，采用整合与非整合设计方案各有优缺点，对功能性的影响也会有相当大的差异。

基本上「整合」设计并非MEMS微机电系统唯一的设计方案与发展途径，即便是目前在移动设备的SoC方案中大多利用整合MEMS功能方案，透过针对移动应用需求的配套解决方案，大幅减少料件清单同时增加SoC整合元件的附加价值，但实际上将几个功能裸晶放在同一个整合方案，或许是个不错的作法，至少在现有的集成电路设计方案来执行这类功能整合，并不是太困难的事，但整合的标准、界面要求等，仍需要考量市场需求与应用场合进行需求的最佳化设计。

而当新一代整合设计方案推出后，最现实的问题还是需要面对市场的严苛检视，而MEMS产品需要投入市场后，在一段时间的酝酿与导入产品设计，才能确认新的整合方案是否迎合市场需求，同时也检验应用方案的品质与效能能否满足终端应用的设计需求。但现实的问题是，MEMS产品受限于产品生命周期预估与实际投入成本的推算后，投放在研发、生产的成本，大多需要投入市场后的收益够多才能打平、甚至获利，这也常常因此为了保证产品获利而进而限缩了整合型产品的进阶设计与元件强度。

工业级MEMS元件方案 仍多采取单一传感功能整合设计

由多数的设计方案观察，MEMS的传感元件大多会采取与主载板电子电路分离的设计，一方面是为了提供更稳定的传感环境，一方面也可以确保传感信息可以获得更好的信号品质、同时便于产品的整合设计，利用single chip型态的解决方案是可以轻易达到设计目标。尤其是传感器设计方案若必须在高温、高湿、需面对化学料槽的应用环境时，在这类恶劣应用环境中，MEMS的电路设计方案采取与主载板分离的应用型态，势必是整合电路时的唯一设计方向。

这也是为什麽在工业级的MEMS微机电系统应用元件，即便在移动设备大幅采取高整合设计方案的同时，面向工业应用的微机电传感元件仍旧多数采取单一功能的设计方案，顶多透过SoC的整合设计将控制电路、校准与信息传递界面进行功能整合，而非将大量多元的传感单元进行功能整合，而工业用途类型的MEMS元件即便单价较高、功能也较单一，但在恶劣应用环境仍可维持相当有效、高可靠度的运作性能，而这种类型的MEMS产品可以用较低风险、较低成本与较高投报率进行产品元件的整合与开发。

整合优势相对明显 已成MEMS热门设计方向

但MEMS的整合设计，仍有相当大的诱因与优势！早期多功能芯片单元想透过集成电路进行整合，在集成电路的整合设计制程条件相对较差，并不容易做到高度整合的设计方案，同时也容易因为不确定的问题影响最终产品的良率与精度表现，但近年的集成电路设计与制程，已经大幅改善了良率问题与整合应用方案，在基础矽芯片技术也有了更完整的掌握度。

尤其在摩尔定律与纳米科技的IC技术进展，大幅增加了MEMS元件高度整合的稳定度与良率表现，同时整合型MEMS较受关注的成本问题，也可运用新的整合设计方案压低终端整合元件的产制成本。

但回到先前讨论的市场问题，整合型产品毕竟仍须受市场青睐、导入，才能有效回收先期投入的开发与设计成本。

而在系统单芯片整合设计方案中，以解决过往开发元件必须改善的性能、成本、可靠度与品质问题，利用MEMS的系统芯片开发，可以在更小的芯片尺寸置放更多元的传感功能，利用更多的环境参数参照进行传感数据的实时比对、验证与排除错误信息的运算需求，而新一代的整合芯片已可具备更高的品质水准，甚至可以轻易达到10亿小时以上的平均故障时间(MTBF)。

若自现有的MEMS微机电技术解决方案检视，将大量传感方案利用单芯片整合，的确有相当明显的设计优势，尤其是在高噪讯应用环境下，使用撷取小信号可以承受的最小物理应力、线路寄生电容、电磁干扰、元件的漏电流等影响的确有整合的改善优势。在MEMS的IC设计中采取Cross-Quading设计技术与搭配部分改善由温度或其他环境现况造成的影响外，在微缩的整合线路条件下，MEMS可具有更靠的连接特性、更低的热延迟问题，成为高度功能整合型MEMS产品的绝佳元件优势。

提高信号位准提升抗噪能力 势必影响MEMS元件尺寸、功耗与成本

而改善前述环境与噪讯问题，另一种设计方案则采取相对冲突、却有效的设计途径，例如，将各功能元件的产生信号提高位准，但这种设计方案并不合宜，因为提升元件的信号位准必须针对撷取信号搭配放大电路进行提升，这会造成集成电路的功耗增加，同时又必须采取更大的矽芯片避免较大的信号不致于打穿元件，这代表着元件会在尺寸更大、功耗更高。

同时又要求更低的阻抗，实际的设计应用时，工程师会在传感元件取得信号后，在利用一套信号补偿电路进行传感信号的位准提升，再透过线路将线上的信号传送至主控载板上进行处理。这种设计作法会让线路的复杂度增加，同时传感端点与主控电路的互连成本提升，但效率却未能因此增加，反而还增加了不少成本，甚至影响了装置的可靠度与稳定度。

即便以目前的发展趋势观察，主流、大量的MEMS零组件需求，会大量集中在高度整合的设计方案上，但实际上整合设计仍非MEMS最佳的设计方案，基本上整合型的MEMS开发难度与时程会远远超越单一功能型态的MEMS元件产品，尤其在处理系统级整合设计方案时，耗费的开发时程会更久，而高度整合的设计方案也必须在成本、功能与整合度达到市场需求的设计甜蜜点，让解决方案可以更吸引人同时在批价与性能也能满足终端产品设计。

对于高度整合型的产品，以目前的市场需求与趋势，大多集中在移动设备、可携式产品的中？低端MEMS传感需求，这类MEMS微机电解决方案所需的是更高的整合设计、更小的元件占位面积、更低的元件功耗与更划算的元件批价。至于在要求特殊极端恶劣环境的传感应用需求方面，并非高度整合型MEMS所能应付，反而是需要特殊的系统增强特性、更高精度？可靠度与耐用度的设计方案，这类特殊用途的MEMS产品自然也可以拥有更高的毛利与售价。