从全局考虑MEMS集成

从全局考虑MEMS集成

在将微电子机械系统(MEMS)集成进更大的电子系统时工程师必须进行全局考虑，但是目前工程师所面临的问题是：如何划分和封装系统？是以单片形式集成电子电路，还是使用分立的元件？

“MEMS集成无外乎将传感器、电子器件、信号处理、以及可能的无线后端整合到一起，以便它们能在一起正常工作。”美国国家科学基金会无线集成微系统(WIMS)研究中心副总监Khalil Najafi表示。WIMS的宗旨是：针对医疗植入或手持式气相色谱分析仪等设备所使用的MEMS器件来开发测试床。

Najafi将于10月27日在波士顿举行的主题为“现实世界中的MEMS”且为期一天的会议上做主题演讲，嵌入式系统会议将在此次会议后举行。

”对于使用MEMS器件的系统，封装、测试和可靠性等实际问题非常重要，至少在原型阶段前的设计过程中就必须加以考虑，从而使器件的制造更加容易。”他表示，

传感器咨询公司Roger Grace Associates总裁兼大会副主席Roger Grace将发表MEMS行业发展报告，该报告将从制造性设计和测试的角度讨论集成问题。Grace表示他将介绍MEMS器件商用化过程中遇到的14大障碍。

了解你的应用

进行系统设计和集成的工程师需要了解制造MEMS器件的不同方法，WIMS的Najafi表示。例如，MEMS传感器可以是单片电路，也可以在同一封装中采用线邦定的方式来集成独立的MEMS和ASIC芯片，或者堆叠成一个三维结构。具体应用通常会明确采用哪种方法，但工程师需要了解各种可用的技术，这样才能做出明智的选择。

Najafi表示，MEMS器件不再是测量单个参数，而是组成了复杂仪器的核心。“如果你想进行复杂的测量的话，比方说具有多个自由度的惯性移动，那么你还需要加速计和陀螺仪，并且所有器件都有很高的性能。这样，你真正需要的是一台仪器，而不仅是一个传感器。”Najafi表示。

这意味着设计师必须理解接口、数据传送和信号处理。对于简单又独立的系统而言，低成本的集成式单片设计有时是最佳选择。但对于需要针对相关应用进行优化的MEMS系统来说，模块化的分离器件可能是最佳方案。如今许多设备都是便携或无线设备，因此电池寿命是一个很重要的课题。

图：微热电单元可以为MEMS和电子器件降温，功耗<100mW。

“越来越多的设备需要便携性，设计师通常需要使用电池给这些设备供电，所以设备功耗要低。”Najafi指出。由于测量精度与功率之间需要很好的权衡，WIMS研究人员一直致力于以最小的能耗实现最高的性能，他表示。

MEMS器件的封装可能要占到总成本的70%，大会副主席Grace指出。对此Najafi也认为，封装因素必须在晶圆级就加以考虑，“因为一旦你发布机械性MEMS结构，你必须在切割晶圆前防止它们受到污染，否则会影响良率。在切割完成后，你肯定希望它们随时可用，因此你所必须要做的也许是将它们进行线邦定。”

在Najafi的主题演讲中，他将介绍WIMS的医疗植入测试床，包括耳蜗植入和大脑皮层植入。后者用于监视大脑活动并控制肢体活动，必须记录64个独立的点，处理信号，然后以无线方式发送处理过的数据，所有这些功能都集成在一个专门针对身体内部恶劣环境而设计的很小封装内。三维堆叠式裸片将64个智能记录通道组装到尺寸仅有1×1×0.5mm的堆叠式芯片中。

除了监视大脑活动外，大脑皮层植入最终还可以用于神经控制肢体活动，病人只需通过思想就可以移动假肢。“对于假肢来说，需要将器件植入到大脑中通常用于控制正常肢体的那一部分。”Najafi表示。

Grace认为，工程师很早前就应该放弃采用局部思考方式集成MEMS器件，并采用并行工程原理。

“工程师需要特别注意MEMS中的‘S’(即系统的缩写)，”Grace表示，“目前的最大问题是，太多的工程师整日沉醉于开发设备的MEMS，这些都是独立于系统其它部分的。只有等到最后他们才开始考虑如何输出可用的信号。”

这时他们必须增加“放大、滤波、模数转换功能，甚至包括能提供智能的嵌入式内核。”他表示，“他们必须考虑增加有线或无线网络通信，并且最后还要考虑如何将它们集成进一个封装内并完成所有测试。”

Grace指出，目前电子系统中常用的并行设计方法可以帮助开发人员创建出最优的设计，这种设计能够以经济而统一的方式大批量投产，并且具有很高的良率。