在將微電子機械系統(tǒng)(MEMS)集成進更大的電子系統(tǒng)時工程師必須進行全局考慮，但是目前工程師所面臨的問題是：如何劃分和封裝系統(tǒng)？是以單片形式集成電子電路，還是使用分立的元件？

“MEMS集成無外乎將傳感器、電子器件、信號處理、以及可能的無線后端整合到一起，以便它們能在一起正常工作。”美國國家科學(xué)基金會無線集成微系統(tǒng)(WIMS)研究中心副總監(jiān)Khalil Najafi表示。WIMS的宗旨是：針對醫(yī)療植入或手持式氣相色譜分析儀等設(shè)備所使用的MEMS器件來開發(fā)測試床。

Najafi將于10月27日在波士頓舉行的主題為“現(xiàn)實世界中的MEMS”且為期一天的會議上做主題演講，嵌入式系統(tǒng)會議將在此次會議后舉行。”對于使用MEMS器件的系統(tǒng)，封裝、測試和可靠性等實際問題非常重要，至少在原型階段前的設(shè)計過程中就必須加以考慮，從而使器件的制造更加容易。”他表示，

傳感器咨詢公司Roger Grace Associates總裁兼大會副主席Roger Grace將發(fā)表MEMS行業(yè)發(fā)展報告，該報告將從制造性設(shè)計和測試的角度討論集成問題。Grace表示他將介紹MEMS器件商用化過程中遇到的14大障礙。

了解你的應(yīng)用

進行系統(tǒng)設(shè)計和集成的工程師需要了解制造MEMS器件的不同方法，WIMS的Najafi表示。例如，MEMS傳感器可以是單片電路，也可以在同一封裝中采用線邦定的方式來集成獨立的MEMS和ASIC芯片，或者堆疊成一個三維結(jié)構(gòu)。具體應(yīng)用通常會明確采用哪種方法，但工程師需要了解各種可用的技術(shù)，這樣才能做出明智的選擇。

Najafi表示，MEMS器件不再是測量單個參數(shù)，而是組成了復(fù)雜儀器的核心。“如果你想進行復(fù)雜的測量的話，比方說具有多個自由度的慣性移動，那么你還需要加速計和陀螺儀，并且所有器件都有很高的性能。這樣，你真正需要的是一臺儀器，而不僅是一個傳感器。”Najafi表示。

這意味著設(shè)計師必須理解接口、數(shù)據(jù)傳送和信號處理。對于簡單又獨立的系統(tǒng)而言，低成本的集成式單片設(shè)計有時是最佳選擇。但對于需要針對相關(guān)應(yīng)用進行優(yōu)化的MEMS系統(tǒng)來說，模塊化的分離器件可能是最佳方案。如今許多設(shè)備都是便攜或無線設(shè)備，因此電池壽命是一個很重要的課題。

圖：微熱電單元可以為MEMS和電子器件降溫，功耗<100mW。
“越來越多的設(shè)備需要便攜性，設(shè)計師通常需要使用電池給這些設(shè)備供電，所以設(shè)備功耗要低。”Najafi指出。由于測量精度與功率之間需要很好的權(quán)衡，WIMS研究人員一直致力于以最小的能耗實現(xiàn)最高的性能，他表示。

MEMS器件的封裝可能要占到總成本的70%，大會副主席Grace指出。對此Najafi也認為，封裝因素必須在晶圓級就加以考慮，“因為一旦你發(fā)布機械性MEMS結(jié)構(gòu)，你必須在切割晶圓前防止它們受到污染，否則會影響良率。在切割完成后，你肯定希望它們隨時可用，因此你所必須要做的也許是將它們進行線邦定。”

在Najafi的主題演講中，他將介紹WIMS的醫(yī)療植入測試床，包括耳蝸植入和大腦皮層植入。后者用于監(jiān)視大腦活動并控制肢體活動，必須記錄64個獨立的點，處理信號，然后以無線方式發(fā)送處理過的數(shù)據(jù)，所有這些功能都集成在一個專門針對身體內(nèi)部惡劣環(huán)境而設(shè)計的很小封裝內(nèi)。三維堆疊式裸片將64個智能記錄通道組裝到尺寸僅有1×1×0.5mm的堆疊式芯片中。

除了監(jiān)視大腦活動外，大腦皮層植入最終還可以用于神經(jīng)控制肢體活動，病人只需通過思想就可以移動假肢。“對于假肢來說，需要將器件植入到大腦中通常用于控制正常肢體的那一部分。”Najafi表示。

Grace認為，工程師很早前就應(yīng)該放棄采用局部思考方式集成MEMS器件，并采用并行工程原理。

“工程師需要特別注意MEMS中的‘S’(即系統(tǒng)的縮寫)，”Grace表示，“目前的最大問題是，太多的工程師整日沉醉于開發(fā)設(shè)備的MEMS，這些都是獨立于系統(tǒng)其它部分的。只有等到最后他們才開始考慮如何輸出可用的信號。”

這時他們必須增加“放大、濾波、模數(shù)轉(zhuǎn)換功能，甚至包括能提供智能的嵌入式內(nèi)核。”他表示，“他們必須考慮增加有線或無線網(wǎng)絡(luò)通信，并且最后還要考慮如何將它們集成進一個封裝內(nèi)并完成所有測試。”

Grace指出，目前電子系統(tǒng)中常用的并行設(shè)計方法可以幫助開發(fā)人員創(chuàng)建出最優(yōu)的設(shè)計，這種設(shè)計能夠以經(jīng)濟而統(tǒng)一的方式大批量投產(chǎn)，并且具有很高的良率。(end)