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解讀「終極SoC」密碼──MEMS 完全手冊

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    • 解讀「終極 SoC」密碼 ──MEMS 完全手冊 解讀「終極 SoC」密碼──MEMS 完全手冊 www.eettaiwan.com
    • 前言 任天堂新近推出的 Wii 遊戲機已在市場上刮起了一陣旋風,其中最受人矚目的特 色便是能讓玩家以真實動作融入遊戲的無線控制器。這幕後的最大功臣便是一款 以微機電(MEMS)技術為基礎的三軸加速度感測器。任天堂的創舉不但讓遊戲機 設計進入了一全新的階段,影響所及,越多越多的消費性電子產品,包括數位相 機、筆記型電腦、手機也都開始計畫採用 MEMS 元件,以提供更佳的操控功能 或創新應用。 基本上,MEMS 是利用半導體製程技術,整合電子及機械功能製作而成的微型 裝置,主要的產品類別大致可分為加速計、陀螺儀、壓力感測器、光通訊元件、 數位光源處理(DLP)、噴墨頭,以及無線網路 RF 感測元件等,目前已逐漸應用 在包括汽車胎壓量測、光通訊網路、投影機、感測網路、數位麥克風、時脈振盪 器,以及包括遊戲機在內的各種產品之中。甚至在新一代記憶體技術、生物晶片、 顯示技術、新興能源等先進研究方面,它也扮演了一個重要的角色。 從實驗室中的基礎研究,到近來開始滲入消費性電子產品,MEMS 的廣泛應用 已成為產業發展的一個重要趨勢,值得密切關注。以下是《電子工程專輯》針對 MEMS 的相關報導與技術文章的集結,希望能讓讀者由不同的面向了解這個產 業界越來越紅的議題,掌握無限商機。 解讀「終極 SoC」密碼──MEMS 完全手冊 www.eettaiwan.com
    • 目錄 I. 產業現況 ˙當紅 MEMS 將成「終極 SoC」 ˙歐洲共 77 座 MEMS 晶圓廠 全球市佔率 16% ˙MEMS 應用廣泛 2010 年可達 950 億美元產業規模 ˙ST 首條 200mm MEMS 生產線在義大利啟動 II. 應用趨勢 ˙開創商機 MEMS 進軍主流消費性電子應用 ˙Wii 與 PS3 大評比 設計概念各有所長 ˙緊隨加速計腳步 低價 MEMS 陀螺儀鎖定消費性應用 ˙採用 MEMS 技術的噴墨印表機可顯著提升列印解析度 ˙MEMS 在聲學工具中大顯身手 III. 創新技術 ˙南科微系統技術研發有成 「3D 飛鼠」搶搭 Wii 熱潮 ˙Microvision 開發手機用超小型嵌入式投影機 ˙電池技術大躍進 MIT 構思「晶片發電機」 ˙ST 著手進行 MEMS 記憶體研究計畫 ˙採用 MEMS 技術的振盪器投入主流市場 解讀「終極 SoC」密碼──MEMS 完全手冊 www.eettaiwan.com
    • ˙Purdue 大學研製出採 MEMS 的微泵冷卻元件 ˙自裝配 MEMS 瞄準生物醫療領域 解讀「終極 SoC」密碼──MEMS 完全手冊 www.eettaiwan.com
    • I. 產業現況 當紅 MEMS 將成「終極 SoC」 上網時間 : 2007 年 03 月 15 日 在近期舉行的一場研討會上,知名市場研究機構 Gartner 的分析師 Jim Walker 指 出,微機電系統(MEMS)的未來將會由消費者需求所帶動: 「MEMS 元件中融合 了感知、運算和動作等功能,應用領域涵蓋化學、通訊、電影、光學、電子和機 械等眾多產業,是整合多種科技的產物。」 Walker 表示,隨著消費性產品成為市場主力,MEMS 可望在未來的幾年加速發 展。MEMS 製造技術結合了電子和機械特性,並且與奈米技術相容。因此 MEMS 將成為 Walker 所說的「終極 SoC」。他表示,到 2010 年,MEMS 元件市場規模 可望達到 100 億美元,而具有 MEMS 技術的產品市場規模則可能將成長到 950 億美元。 現有的 MEMS 應用中絕大部份是數位光處理器,這種處理器把數百萬個微型鏡 片整合在一個晶片上,因而能夠進行超高亮度投影顯示(ultrabright projection displays);其它諸如安全氣囊等汽車應用歷史則更為悠久。 Walker 表示,汽車應用將不斷採用更多像無線胎壓感測器這樣以 MEMS 為基礎 的感測器。但在未來幾年成長最快的 MEMS 領域將是消費性元件。他表示: 「例 如,微型矽晶麥克風已經被應用於手機中,並且這一趨勢將會增加;加速度計和 陀螺儀也將被增加到全球定位系統(GPS)以及手提電腦和手機的震動檢測器中。」 Walker 預測,基於 MEMS 的生物感測器、植入儀器,以及光學開關;是另一項 潛在成長 的 市 場 , 光 學 開 關 能 用 以 取 代 笨 重 昂 貴 的 光 電 光 (optical-to-electronic-to-optical)切換器。 (R. Colin Johnson) 歐洲共 77 座 MEMS 晶圓廠 全球市佔率 16% 上網時間 : 2007 年 01 月 09 日 根據一份國際半導體設備暨材料組織(SEMI)發佈的調查報告,歐洲目前共有 77 座生產微電機系統(MEMS)晶片的晶圓廠,多於生產電源元件和複合半導體元件 解讀「終極 SoC」密碼──MEMS 完全手冊 www.eettaiwan.com
    • 的晶圓廠數量。而根據 2006 年初 SEMI 進行的調查顯示,歐洲總共有 285 座晶 圓廠。 SEMI 歐洲區主席 Heinz Kundert 強調,該調查並未重覆計算使用同一座晶圓廠生 產 MEMS 與類比晶片的晶圓廠。目前歐洲共有 24 處地點設有半導體研發機構, 並且有超過 5 家公司擁有 12 吋晶圓廠。 該報告透露的其他關鍵數據包括:歐洲晶圓工廠無塵室面積接近 250 萬平方公 尺,從業員工超過 3 萬人。歐洲同時也擁有世界級的研究所,無塵室面積為 3 萬 6,000 平方公尺。在 285 座工廠中,102 座生產常規的類比和數位整合晶片、77 座致力於 MEMS 晶片、34 座生產功率半導體,並且有 24 座製造各種類型的複 合半導體,餘下的 48 家為封裝工廠。 此外 SEMI 表示 在歐洲的 285 座晶圓廠中, , 共有 12 座晶圓廠具備 90 奈米製程, 或者採用更先進的製程技術。 當被問到為什麼歐洲有如此多 MEMS 工廠,Kundert 表示,這是一個衡量歐洲製 造業成熟度的標準。在歐洲,舊的晶片工廠傾向於鎖定競爭者相對較少的市場, 比如 MEMS 製造業務。同時,在汽車和消費電子的 MEMS 市場成長明顯。 縱觀全球 MEMS 系統級市場,預計將從 2005 年的 480 億美元成長到 2008 年的 720 億美元,然後到 2010 年發展到 950 億美元規模。MEMS 元件市場同時也將 從 2005 年的 38 億美元成長到 2008 年的 78 億美元,並且預計 2010 年發展到 99 億美元。 儘管 SEMI 宣稱歐洲共有 77 家 MEMS 製造商,但名列全球前十大的僅有兩家, 分別為 Bosch Sensortec 和意法半導體(ST)。SEMI 估計,2006 年全球 60 億美元 的 MEMS 元件市場中,歐洲 MEMS 製造商擁有約 16%的市場佔有率。 (Peter Clarke) MEMS 應用廣泛 2010 年可達 950 億美元產業規模 上網時間 : 2006 年 10 月 25 日 微機電系統(MEMS)技術的應用市場,包括汽車安全氣囊系統、顯示系統和印表 解讀「終極 SoC」密碼──MEMS 完全手冊 www.eettaiwan.com
    • 機噴墨頭等。針對該市場,SEMI 發表了一份題為「全球微機電/微系統市場和商 機」的市場研究報告,報告中指出,2005 年該產業總規模達到 480 億美元,並 可望在 2010 年成長到 950 億美元。 根據 SEMI 的數據,核心微機電元件在 2005 年的產業規模已達 53 億美元,由於 消費性電子產品的微機電元件使用量增加,預計到 2010 年產業規模可成長到 99 億美元,年複合成長率為 13%。微機電元件包括壓力感測器、加速儀、陀螺儀、 麥克風、數位顯示、微射流元件等。 此外 SEMI 並指出,用於製造微機電元件的材料和設備產業規模在 2005 年達到 10 億美元;預計到 2010 年,MEMS 材料市場的複合成長率為 15%,而 MEMS 設備市場成長率為 6%。 SEMI 新興技術高階主管 Lubab Sheet 表示:「MEMS 產業受到許多新興應用驅 動,如手機 MEMS 微型麥克風、遊戲應用中的加速器、電視中的光學微機電元 件 替代石英振盪器的 MEMS 共鳴器等 以及未來幾年將出現的微型燃料電池 」 、 , 。 ST 首條 200mm MEMS 生產線在義大利啟動 上網時間 : 2006 年 11 月 30 日 意法半導體(STMicroelectronics)日前為該公司在義大利米蘭近郊 Agrate 工廠新建 的一條 200mm (8 吋)微機電系統(MEMS)晶片生產線舉行落成典禮。ST 號稱是 世界首個採用 200mm 晶片製造 MEMS 產品的廠商,新的生產線可降低產品的單 位成本,同時還會加速現有應用的普及,以及新 MEMS 市場的開發。 到目前為止,ST 已經投資大約 4,000 萬美元將以前的一條 150mm (6 吋)生產線 改造成最先進的 MEMS 生產線。新生產線目前占地約 1,300 平方公尺,雇用 100 多名員工,專門生產 MEMS 產品,同時還支援在 Castelletto 進行的 MEMS 研發 活動。MEMS 生產線的佔地面積最終將會擴展到 2,500 平方公尺,以滿足市場的 需求。 ST 義大利分公司總經理 Pietro Palella 表示; 「我們在把現有製造技術轉移到遠東 地區、以便跟上全球製造市場的發展趨勢同時,也還在不斷充分發揮歐洲的人才 優勢。新的製造設備加強了 ST 在這個最有前景的市場上的領先地位。我們的 MEMS 技術最初是在 Castelletto 附近的設計中心開發的,它將依然是我們的 解讀「終極 SoC」密碼──MEMS 完全手冊 www.eettaiwan.com
    • MEMS 技術的創新基地,而現在讓我們感到非常驕傲的是,Agrate 擁有了世界 上最先進的 MEMS 生產線。」 (John Walko) II. 應用趨勢 開創商機 MEMS 進軍主流消費性電子應用 上網時間 : 2007 年 01 月 12 日 新興的消費性應用結合快速發展的製造、測試和封裝技術,正將不久前還是尖端 技術的微機電系統(MEMS)導入實際的應用。 MEMS 究竟能以多快的速度出現在胎壓感測、行動電話交換器與檢測皮膚問題 的‘魔鏡’新產品等主流應用中?儘管業界對此還沒有一致的意見,但在時脈元件 中以 MEMS 諧振器取代石英晶體等先進應用領域中,已為產業帶來一種 MEMS 時代已經到來的新希望。 “然而,還有許多問題仍有待解決,例如成本、需求的大幅波動,以及必須處理 量產的議題等。對我們來說,還是有一些比較單純的市場值得關注。”Knowles Acoustics 公司副總裁 Jeff Niew 表示,“雖然如此,但該技術應用的報酬也很明 顯,特別是當 MEMS 進入消費應用領域時。” 這一類應用的驅動力量來自於用戶的實際需求,如“讓行動設備變得更為智慧, 可以自動為用戶提供服務。”美商亞德諾(ADI)公司儀器和汽車轉換器產品行銷經 理 Conor Power 說道,“消費者希望所用的設備能夠遙測他們無法看到的東西, 並能夠實現他們無法親身所及的事情。” 在例如時脈元件等既有市場中,由於現有的技術供應商可直接將產品傾銷於市場 中,以避免與新出現的競爭對手正面交鋒,使 MEMS 開發人員得冒著推出新技 術的風險,德國慕尼黑的 Wicht Technologie Consulting(WTC)公司產業分析師 Jeremie Bouchaud 表示。因此,MEMS 技術的“最大競爭對手便是傳統技術。” 解讀「終極 SoC」密碼──MEMS 完全手冊 www.eettaiwan.com
    • Bouchaud 認為,MEMS 交換器等元件出現在行動電話應用將成為新技術發展的 重要里程碑。雖然一些業界分析師認為這一個關鍵時刻即將在今年發生,但是, Bouchaud 則預測這個時間點最早也要等到 2008 年以後。 德國 Electronica 2006 慕尼黑電子展中已可見到許多有關 MEMS 的聲明發表。 MEMS 供應商 Discera 公司即其一例,該公司宣佈了與頻率控制和時脈解決方案 供應商 Vectron International 公司的合作開發計劃,以取得產業界的信任。 根據非獨佔性交易原則,這兩家公司將共同在 Vectron 公司的產品中部署 Discera 技術。“我們對於 MEMS 所能帶來的整合優勢相當感興趣。”Vectron 公司市場管 理總監 Paul Gilbride 說道,“我們準備使該技術持續發揚光大。” 雖然 Gilbride 和 Discera 公司的行銷副總裁 Venkat Bahl 都未透露此次交易所涉及 的合作或產品細節,但他們均一致認為 MEMS 取代石英時脈振盪器的時機已經 成熟。在某些特定的配置下,CMOS MEMS 諧振器比石英晶體更具有成本優勢。 而且採用業經驗證的 CMOS 製程更引發用戶的興趣。 對於成立 5 年的 Discera 公司來說,此次的聲明可說是對其研發成果所作的必要 公開性認同。至今為止,Discera 公司僅完成了樣品,並且一直在克服良率的問 題,以便吸引 MEMS 供應商。Bahl 表示,Discera 公司產品良率曾高達 90%,後 來卻幾乎跌至 0,接著再回彈到 50%,最後已完全恢復到 90%,而這也是目前的 良率水準。 圖 1:先進的製造技術開啟了對於 MEMS 諧振器元件的需求。 無處不在的感測器與智慧型網路 解讀「終極 SoC」密碼──MEMS 完全手冊 www.eettaiwan.com
    • MEMS 技術熱潮反映出在手持設備中嵌入感測器的大量應用時代來臨。在行動 電話、可攜式電腦、數位照相機或輪胎等應用中,感測器必須儘量置放在靠近目 標的位置,以便於進行檢測、測量和監視。而感測器所探測到的資訊再經過處理 後,便會發送至智慧型網路中的 CPU(或汽車中的電子控制單元)。 “感測器可以檢測到我們無法辨視的東西,然後經過處理產生所需的資料,並調 節成轉換用的訊號 ”ADI 公司微機電產品部門產品經理 Mack Lund 表示 “MEMS 。 , 技術能讓我們對於微型結構檢測其細微的移動或電容器變化等。” MEMS 還有助於使感測器或感測器處理元件變得更小、更便宜且更可靠的,因 而也使其更易於被整合於各種不同的系統和物件中,Lund 指出。 圖 2:微型元件採用 MEMS 元件取代石英晶體,將可使其具有更高價值。然而, 現在是 MEMS 發展的大好時機嗎? 德州儀器(TI)公司的首席研究員 Gene Frantz 預言,傳統的類比數位轉換器轉移到 ‘類比到資訊’(A-to-I)轉換的新時代已經來臨。而其關鍵便是 A-to-I 可將資料轉換 成‘適用的資訊’,Frantz 指出。 當上述資訊能以無線的方式與系統通訊時,感測器元件以及感測器處理器只需傳 送相關的資訊。“這樣便能節省功耗,並改善系統性能。”ADI 公司的 Lund 表示。 TI 的 Frantz 將最終產品描述為“整合了感測器、轉換圖片為資訊的 DSP、傳送資 訊的 RF 與電源的小型模組。”例如,用戶可以在家中擺放 20 個這樣的項目,以 建立一套監控系統。 新興的無線網路標準(如 ZigBee)正推動感測器在嵌入式設備中的普遍應用,TI 挪威分公司管理總監 Geir Forre 表示。“行動電話具有蜂巢式網路,而 PC 有乙太 網路。但直到最近,99%的設備不是仍未能連接,就是僅能透過有線連接。”Forre 解讀「終極 SoC」密碼──MEMS 完全手冊 www.eettaiwan.com
    • 指出。 一旦嵌入了感測器的設備鏈結到 ZigBee 等標準化無線網路時,“它便能強化設備 的價值,並能夠啟動各種增加節能、節省成本、舒適性或便利性等特色的新興應 用。”Forre 說道。 儘管產業或汽車應用領域仍是感測器的主要市場,然而 MEMS 供應商和感測器 供應商二者都對於該技術得以進入消費性設備寄予厚望。他們還對各種可能的應 用方式作了大膽的預測。 業界現正致力於開發‘殺手級應用’,ADI 公司的客戶行銷經理 Christophe Lemaire 表示。一種新的想法是能讓用戶透過傾斜手機來捲動網頁的手機加速感測器。同 樣地,手機感測器還能檢測用戶拿起手機並置於耳朵邊的動作,因此,該感測器 便能自動地關閉手機的顯示器(因為耳朵不能用來看),以節省功耗。 用戶也可以在開會時關閉鈴聲,只需把手機面朝下放在桌上即可。如果把手機翻 過來使其面朝上,便可自動啟動鈴聲。 以行動電話數位鏡面來檢測並警告皮膚所出現的問題可能是最有趣的應用了。理 論上,消費者可以用相機手機拍下他的臉部,並以手機進行影像分析以便搜尋面 皰或斑點等皮膚問題。如果手機分析結果是對使用者發出警告的話,使用者便可 以即刻採取適切的保養步驟,例如去看皮膚科醫生,或者找一個地方躲起來,直 到面皰消失並痊愈。 這樣的特色就必須在行動電話中整合影像感測器和 DSP 在影像感測器擷取到皮 。 膚影像後,再用 DSP 進行資料處理,並產生有關任何影像變化的‘適用的資訊’, TI 的 Frantz 指出。 事實上真的有一位軟體開發人員正在研究用以檢測並預測皮膚初期出現問題的 分析演算法 Frantz 最近在慕尼黑時透露。“昨晚我才跟他共進晚餐。 , ”但是,Frantz 沒未透露這位開發人員的名字或進展等細節。 (胡百安、吉田順子) Wii 與 PS3 大評比 設計概念各有所長 上網時間 : 2007 年 01 月 15 日 解讀「終極 SoC」密碼──MEMS 完全手冊 www.eettaiwan.com
    • 最近上市的 Sony Playstation 3 和任天堂 Wii 視訊遊樂器在經過拆解分析後 已然 , 將雙方針對其視訊遊戲平台戰爭在最新階段所採取的不同策略揭露無遺。在完成 PS3 的拆解報告數日後,工程諮詢公司 Semiconductor Insights 也發表了拆解 Wii 的初步結果。如同預期地,Vii 所採用的重要元件要少得多,整體設計也比 PS3 更為簡單。 Semiconductor Insights 和市場研究公司 iSuppli 在去年 11 月中旬對 PS3 進行了拆 解,其拆解報告顯示出 PS3 是一款複雜的設計,它採用了幾個大型的複雜裝配組 件 可謂是針對功耗與性能的最佳化設計 與此形成明顯對比的是 Semiconductor , 。 , Insights 在去年 11 月 19 日所發佈的 Wii 拆解報告顯示,Wii 只採用了 5、6 個重 要元件,當下就立即歸納出 Wii 的設計要點,據 Semiconductor Insights 的工程師 透露。 “PS3 中所使用的晶片更多,也更為複雜得多,”Semiconductor Insights 的首席製 程技術分析師 Don Scansen 表示,“Sony 必定針對這些元件的電源,以及處理元 件的發熱問題投注了相當大的心力。” Wii 在美國的零售價約為 250 美元,大約是低階 PS3(具備 20G 硬碟的機種售價 499 美元;另一款高階 60G 硬碟機種則售價 599 美元)的一半價格。Sony 訴求的 是願意花大錢體驗先進高解析圖形的死忠遊戲迷;而任天堂所希望打造的是一個 更為直覺式的系統,以吸引新的玩家和偶爾想玩一玩的人。 Wii 的上一代產品 GameCube 於 2001 年推出後,即曾遭受 Playstation 2 的重創, “ 任 天 堂 必 須 採 取 某 些 不 同 的 行 動 , 以 有 別 於 微 軟 的 Xbox 360 和 Sony PS3 ”Lazard Capital Markets 的資深研究分析師 Colin Sebastian 表示。 , “GameCube 看來充其量不過是一款‘me too’的產品。而在 Wii 這款新產品上,任天堂增加了 許多與眾不同的設計,將有助於擴展其市場範圍,將產品賣給除了死忠於任天堂 以外的玩家。” Wii 最具創新的特色是一款新奇的控制器──Wii Remote,它採用了運動感知技 術,使玩家可透過舞動該無線的操縱桿上下左右地控制遊戲的行動,例如,可控 制螢幕上的網球拍或棒球球棒。根據 Semiconductor Insights 公司技術市場行銷經 理 Gregory Quirk 介紹,Wii Remote“可以憑直覺來操縱,同時還具有令人驚喜的 反應性。”Semiconductor Insights 公司對於該遙控器的拆解報告揭示,這種回應 性的來源是基於由 ADI 和 ST 的感測器元件所提供的三軸運動訊號處理技術。 解讀「終極 SoC」密碼──MEMS 完全手冊 www.eettaiwan.com
    • 如同所預期的,這份拆解報告也指出,Wii 遊戲平台採用 IBM 專為任天堂所設計 的 90 奈米處理器。該處理器代號為 Broadway,並採用 Power 架構,以及絕緣矽 技術(SOI),以提升處理能力,並降低 20%的功耗。相反地,PS3 則引人注目地 採用了同樣由 90nm 製程技術製造,且功能更強大的 IBM Cell 處理器。 據 Scansen 介紹,Wii 同時採用了傳統的嵌入式 DRAM(來自 NEC 電子),以及 1T-SRAM 的嵌入式 DRAM 建置(來自 MoSys),以提升其圖形處理器的處理能力 (由 ATI 提供的 Hollywood 處理器)。但 Scansen 接著說,90nm 的嵌入式 DRAM 組合是否能與 Playstation 3 或 Xbox 360 所提供的遊戲相媲美,尚待觀察。 相較於以藍光光碟 DVD 驅動器為主的 PS3,Wii 卻不支援 DVD 播放,它具備了 一款內部自行設計的光學驅動器 以支援遊戲機專用的格式。 , 微軟近日為了 Xbox 360 推出了一個 HD-DVD 規格的 DVD 光碟機。根據 Semiconductor Insights 的報 告,有些猜測認為,任天堂最終會推出下一代 DVD 的附加功能,很可能也會支 援 HD-DVD。 但也許在短期內,PS3 的藍光光碟機會成為 PS3 的致命傷。因為 PS3 的生產受到 用於下一代光碟機內藍光雷射二極體量產問題的拖累,Sony 不得已只好針對最 初所瞄準的日本和美國這兩個市場,大幅地削減了其出貨量。然而,據 Lazard Capital 的 Sebastian 表示,即使 Sony 調降最初所預期的超過 1 百萬套出貨量目 標,據稱 Sony 不但無法實現其對於日本市場出貨 10 萬台的承諾,而出貨到美國 市場的數量還不到其所承諾的 40 萬台之半。 與此同時 任天堂最初針對市場推出了 50 萬台 並且能夠迅速補充貨源 Sebastian , , , 表示。儘管任天堂對於預期的出貨量不像 Sony 那麼公開,但任天堂承諾要在一 年內於全球內推出 400 萬台 Wii,其中 200 萬台銷往美國。 解讀「終極 SoC」密碼──MEMS 完全手冊 www.eettaiwan.com
    • 圖:任天堂 Wii 與 Sony Playstation 3 的拆解報告比較表。 一些分析人士認為,PS3 在初期遭遇到的產量問題將會為 Wii 造就更多的機會。 但也有人認為,死忠的遊戲玩家仍會執著於 PS3 或已在市場上出現一整年的 Xbox 360。Sebastian 指出,目前有超過 1 億名的 Playstation 2 玩家,其中許多人 是積極擁護 Playstation 品牌的死忠者。也因此,當 Sony 的量產問題得到控制, 再加上 Xbox 360 附加 HD-DVD 功能的遊戲機也就緒時,下一代遊戲平台之戰才 將會真正開始白熱化。 IDC 的遊戲分析師 Billy Pidgeon 相信,新玩家將受 Wii 的簡易性吸引而樂意購 買,經驗老道的玩家則可能將其作為第二台遊樂器,因而推動 Wii 拓展其視訊遊 戲平台市場。 Pidgeon 指出,GameCube 失敗的主因在於缺少第三方遊戲開發商的支援,而這 是任天堂單打獨鬥自行開發遊戲的結果。相形之下,Wii 和任天堂的 DS 掌上型 遊戲系統則擁有“更多的第三方支援。”此外,Wii 的開發成本也不像 PS3 或 Xbox 360 那麼貴,他說,原因是產值並沒那麼高。 在 Semiconductor Insights 的拆解報告中,還有一些值得關注的其它元件包括: Broadcom 公司具備藍牙功能的 BCM2042 無線感測器、Broadcom 的 BCM4318 Wi-Fi 收 發 器 、 奇 夢 達 (Qimonda) 的 HYB18HS1232 GDDR3 、 三 星 電 子 的 K9F4G08U0A 65nm 的 4Gbit NAND 快閃記憶體和 Elpida 的 S1616AGTA 16Mbit SDRAM。 解讀「終極 SoC」密碼──MEMS 完全手冊 www.eettaiwan.com
    • (麥戴倫) 緊隨加速計腳步 低價 MEMS 陀螺儀鎖定消費性應用 上網時間 : 2006 年 12 月 20 日 由於有 MEMS 領域的新創公司推出低成本陀螺儀(Gyroscopes),該元件可能很快 在新一類消費性電子產品中 成為 MEMS 加速計(accelerometers)之外的另一個應 , 用於動作感測(motion-sensing)的元件。而這樣的趨勢令人更加確信 MEMS 即將 在手機和其它消費性電子產品中佔據一席之地。 上個月底,新創動作感測 MEMS 供應商 InvenSense,宣佈量產一系列整合式雙 軸(dual-axis)陀螺儀,目標價格是每個低於 2 美元,或者每軸價格不到 1 美元。 分析師表示,這個價格點非常重要,因為這些元件目前主要應用於汽車領域,價 格一般接近每軸 10 美元。如果每軸低於 1 美元,則陀螺儀在消費性應用領域的 比例就可能擴大,甚至取代 MEMS 加速計。後者雖然比較便宜,但一般認為它 不夠高階。 專注於 MEMS 市場研究的公司 Bourne Research 總裁兼首席分析師 Marlene Bourne 表示,手機將成為 MEMS 的「一個有趣的戰場」 ,而:「該領域將會成為 陀螺儀還是加速計的地盤呢?」 參加月初在德國慕尼黑舉辦的國際電子元件博覽會(Electronica)中一個座談會的 MEMS 企業高層們認為,手機中的動作感測是一個大有前途的應用領域。他們 還認為,可攜式電腦和遊戲機是採用動作感測技術的主要潛在領域。普遍看法 是,從明年或者 2008 年開始,中階手機將成為 MEMS 的大市場。 市場研究公司 IC Insights 的分析師 Robert Lineback 表示:「業界對消費性產品寄 予厚望,希望這些產品能夠大量使用 MEMS 動作感測器。但關鍵是把價格降下 來。」 一場價格競賽 分析師 Bourne 表示,預計 MEMS 將在手機中為一些功能提供動作感測能力,如 無鍵撥號──透過傾斜手機來滾動電話簿,或是計步器功能。如果陀螺儀價格達 解讀「終極 SoC」密碼──MEMS 完全手冊 www.eettaiwan.com
    • 到 InvenSense 那樣的價格點,就可能會引起手機廠商的興趣;但她同時也指出, 三軸(triaxis)加速計的價格下降速度仍快於陀螺儀。 Bourne 表示,三軸加速計的平均銷售價格(ASP)目前約為 2 美元。到 2008 年, 可能出貨量大到足以推動 ASP 降至 1 美元以下,但前提是三軸加速計被整合在 更多的手機型號之中。 一般來說,加速計感測線性動作(linear movement)。三軸加速計,如 ADI 的 ADXL330,被整合進了任天堂的 Wii 遊戲機,用以感測三個平面上的線性動作。 飛思卡爾半導體(Freescale)、意法半導體(ST)、Bosch Sensortec 和 Honeywell 等公 司也供應加速計。 相較之下,陀螺儀用於感測圍繞某個軸發生的旋轉,與重力或線性動作無關。據 InvenSense 公司,與加速計不同的是,陀螺儀測量偏航或者斜度。該公司表示, 對於手機和遊戲機、數位視訊和數位相機穩定、3D 遙控和“空中滑鼠(air mouse, 在空中揮手就可以控制螢幕上的游標)”等具備價值的應用。 目前 InvenSense 的高層們仍然認為,加速計和陀螺儀最好搭配在一起使用。 InvenSense 的創始人兼執行長 Steven Nasiri 表示:「對於加速計將進入消費產品 (如 Wii 和新力的 Playstation3),我們感到非常振奮,我們正用同樣重要的陀螺儀 來彌補缺失的另一半。」 到明年底的時候,InvenSense 希望推出一種單晶片、六軸慣性測量單元(six-axis inertial-measurement unit),它將使下一代消費產品具備先進的動作感測能力。儘 管成本仍然是關鍵問題,但這種產能可望在許多應用中打敗加速計。 在這一點上,利用 InvenSense 的雙軸陀螺儀來加強三軸加速計成本會很高,而且 需要較大的佔位面積,但理論上它會提供更加全面的動作感測能力。Nasiri 指出: 「如果把陀螺儀和加速計結合起來,就會獲得能夠感測轉動與線性運動的感測 器,提供終端產品更好的性能和市場反應。」 InvenSense 表示,該公司的整合雙軸陀螺儀系列將供應日本、台灣和美國的 OEM 廠商。其陀螺儀已被相機和 3D 遙控器等量產型消費性產品所採用。該公司上月 表示,三洋(Sanyo)已選擇其單晶片陀螺儀用於下一代數位相機的影像穩定功 能。Nasiri 不願透露其它客戶的名字,但表示接下來將會發表更多的相關訊息。 解讀「終極 SoC」密碼──MEMS 完全手冊 www.eettaiwan.com
    • (Dylan McGrath) 採用 MEMS 技術的噴墨印表機可顯著提升列印解析度 上網時間 : 2006 年 12 月 05 日 Fujifilm Dimatix 公司近期表示,該公司已大幅改善其電子用噴墨印表機的解析 度,以提供大約 20 微米的行距和間隔水準。該公司透露,在其液體墨水匣(fluid cartridge)中充分利用了基於 MEMS 的噴嘴(nozzle)技術 以附著 1 微微升(picoliter) , 的有機和無機材料墨滴。 該公司是在 2006 年初由 Fujifilm 收購 Dimatix 後所成立的。總部設於美國加州的 這家公司表示已向多家研發中心出售約 100 台電子用的噴墨印表機,這些研發中 心使用該系統來列印 RFID 標籤、感測器和其它可撓性電子產品的原型設計。 該公司行銷副總裁 Martin Schoeppler 表示,解析度的提高得益於基於微機電系統 (MEMS)技術的新一代噴嘴 可實現高達 20 微米解析度的能力則取決於基板和液 。 體,Schoeppler 說。“我們知道我們可以更進一步,在未來大約二到五年內,解 析度將可從目前的 20~25 微米行距和間隔提高到 10 微米的水準,”Schoeppler 接著表示。 可撓性顯示器背板的開發人員已經使用該系統來改善手機顯示器的畫素間隔,並 使電晶體結構適應行列驅動器的需要。同時,RFID 標籤的開發人員也已經用噴 墨印表機在 RFID 標籤上安置微型天線結構,Schoeppler 說。 研究實驗室利用印表機,便可透過一種加法製程(additive process)以產生原型設 計,而不需要在減法製程(subtractive process)中所用的光罩或微影設備。由於材 料耗用較少,因此該加法製程據稱相當適合產品開發所需的較小量。 Dimatix 正致力於研發具有多個噴嘴列印讀取頭的系統。根據 Schoeppler 的說 法,一家客戶目前正在開發的系統具有 16,000 個噴嘴。材料供應商也正為該系 統開發更多的流體,包括銀、銅、金和鎳等複合物。 這種基於 MEMS 的 20 微米解析度噴嘴尺寸大約為 14 平方微米。Dimatix 採用矽 蝕刻技術製造這些噴嘴孔。 解讀「終極 SoC」密碼──MEMS 完全手冊 www.eettaiwan.com
    • (來大偉) MEMS 在聲學工具中大顯身手 上網時間 : 2006 年 06 月 19 日 搖滾樂演奏者們曾經夢想透過一枚小小的指環,而讓配戴者隨心所欲地彈奏電吉 它。今天,一種稱為‘Hot Hand’的技術宣稱可以使這一美夢成真,而這則要歸功 於汽車安全氣囊加速計和一枚客製化音訊處理器的結合使用。 Hot Hand 技術由 Source Audio LLC 公司所發明,該公司以一顆 ADI 的加速計晶 片嵌於指環中,吉它手會將這枚指環戴在彈奏的手指上。控制訊號透過導線被傳 送到一個內建 ADI 定製 SigmaDSP 晶片的小盒中 以追蹤指環的行動 SigmaDSP , 。 是一個帶 24 位元 A/D 和 D/A 轉換器和 100 分貝動態範圍的 56 位元音訊處理器 。 兩個腳踏板透過用戶定義的預設值來控制開/關和週期循環。 “對吉它彈奏者來說 ,Hot Hand 是最具創新的 新型聲學工具之一,特別是在個人工作室 中,彈奏者可較有足夠的時間進行試驗。” 《Guitar Player》雜誌主編 Michael Molenda 表示,“Hot Hand 將可在不斷尋求獨特彈奏方 法的吉它手中流行起來,但對那些進行現場 表演,特別是不會在舞台上做誇張動作演出 的吉它彈奏者來說,卻沒有太大的吸引力。 F1: Hot Hand 的 MEMS 加速計借助細小的矽晶 因為這些效果必須藉由手的動作才能達成。” 柱塞而工作,這些矽晶柱塞在幾微米的範圍內 移動。一個電容感測器對行動進行追蹤。 “我曾經在表演中進行過嘗試,”Molenda 表 示,“我覺得能夠利用身體語言來控制吉它的效果實在是太酷了!” “我們從事微機電系統(MEMS)設備快 20 年了,工程師採用我們的感測器設計出 來的新穎設備永遠都能讓我們感到驚奇。”ADI 的業務開發工程師 Christophe Lemaire 說道。 Source Audio 公司是由兩位前 ADI 公司的員工所成立的。一位是擔任新公司總裁 解讀「終極 SoC」密碼──MEMS 完全手冊 www.eettaiwan.com
    • 的 Roger Smith,他曾是 ADI 音訊產品部門總監;另一位是則擔任工程副總裁的 Jesse Remignanti,他曾是 ADI 音訊系統和軟體工程師。這對搭檔說服了他們的 前 老 板 , 以 便 開 發 針 對 Sound Audio 601(SA601) 系 統 單 晶 片 的 定 製 版 SigmaDSP 並因而彌補低功率版本 ADI 加速計晶片(iMEMS ADXL320)功能上的 , 不足。之後,兩人還請到了前 Kurzweil 音樂系統公司的首席科學家 Bob Chidlaw 一起來進行開發。 Source Audio 公司的首個 Hot Hand 產品採用 SigmaDSP-iMEMS 組合,而得到了 wah-wah 顫音和音量強度效果。其它的吉它效果也將相繼推出。 “當我們還在 ADI 研發 SigmaDSP 晶片的時候,我們就有了將 SigmaDSP 與加速 計 晶 片 整 合 的 想 法 。 這 樣 的 想 法 最 終 促 使 我 們 成 立 了 Source Audio 公 司。”Remignanti 回憶時說,“後來我們又鼓動 Bob Chidlaw 參與進來,因而使音 色更加完美 Bob 曾在鋼琴採樣音色極富盛名的 Kurzweil 公司擔任音質設計師 ” 。 。 在利用 Hot Hand 所產生的強度效果中,可以使用慢起音波封(envelope)來模擬小 提琴等弓弦樂器的聲音。其它音量強度控制效果還包括顫音或振幅調變。通常, 顫音受低頻振盪器控制,但是在 Hot Hand 中,顫音可以透過揮動手指、手、手 腕或前臂以進行控制。 “你可以透過敲擊琴弦來增加聲音,之後將手抬高可以獲得更高強度的聲音,你 也可以獲得顫音效果,速度則受手的位置所控制。”Remignanti 介紹,“我們不是 只使用標準的 wah-wah 顫音效果,雖然我們的確有這種效果,而且還是 Bob Chidlaw 利用系統化的高深數學模型設計出來的原始 Cry Baby (由 Jimi Hendrix 推廣的踏板效果)精確模型。” “我們最新的 wah-wah 顫音效果整合了低通和帶通濾波器,而且加上了所謂的多 峰濾波器,就像兩個或更多順序連接的 wah-wah 效果,這是 Source Audio 公司 才有的獨特效果。” Source Audio 公司準備建置的下一個效果已經完成了原型設計。它使用相同的硬 體設置,但是將提供弗蘭格(flanger,訊號的延遲)和相位器(Phaser,訊號濾波和 重新混合)效果。這些效果通過梳狀濾波器以及行動帶通波峰來實現。通常這是 由低頻振盪器所控,但在 Hot Hand 應用中卻由手勢控制。 (羅克鈴) 解讀「終極 SoC」密碼──MEMS 完全手冊 www.eettaiwan.com
    • III. 創新技術 南科微系統技術研發有成 「3D 飛鼠」搶搭 Wii 熱潮 上網時間 : 2007 年 04 月 27 日 工研院的微系統科專團隊進駐南台灣創新園區 3 年,已帶動產業進駐園區及合作 開發相關技術,先後發展出多項個人運動娛樂及行動影音相關技術研發成果,包 括 3D 飛鼠、微機電(MEMS)麥克風、攜帶型微噴霧器及微型無線生理監控系統 等,並陸續於市場推出量產產品。 經濟部技術處表示,目前已促成 17 家微系統相關廠商進駐南創園區,從 2004 年 促成 6,000 萬產業合作 至 2005 及 2006 年連續兩年促成上億元台幣的產業投資 , , 累計促進廠商投資約 18 億元以上,其中以微慣性感測技術原理開發完成的 3D 飛鼠,可與遊戲機或 PC Game 結合,在電子遊戲機 Wii 的市場熱潮下,將可協 助國內廠商搶入龐大的遊戲市場。 在技術處科技專案「南部產業關鍵技術計畫」中「微奈米系統應用技術」所開發 出的 3D 飛鼠技術,是利用微慣性感測技術原理,可與機器互動、可感測並追蹤 人體肢體的動作,可平移、可旋轉、可在玻璃上使用、還可自由在空中使用,利 用它簡報者就可以享受「無線一身輕」自在遊走的瀟灑;若要進行桌球、網球及 拳擊等運動類遊戲時,只要在手腕戴上「3D 飛鼠」,不論是揮拳、或是揮拍,都 可以達到互動遊戲及起身運動的效果,讓操作電腦及一般數位家電產品變得更輕 鬆自在,不必受限於固定的操作點。 技術處表示,新型的「3D 飛鼠」若應用在遊戲上就跟 Wii 一樣,可以將自己化 身為螢幕上的人物,真實的與對手競賽,取代用搖桿或鍵盤的手指頭運動。研發 的技術不僅可用於 TV Game 更可搭配 PC Game,而且身上至少可配戴至少三個 以上的感應滑鼠,可玩的遊戲更多元。此外該相關技術亦佈局了綿密的專利網, 包含元件、模組以及系統應用的專利達 20 案 57 件,將可快速的協助廠商切入龐 大的遊戲及滑鼠新應用市場。目前技術已移轉國內半導體公司開發慣性模組,並 有遊戲機開發廠商合作投入產品設計。 解讀「終極 SoC」密碼──MEMS 完全手冊 www.eettaiwan.com
    • 目前微系統技術全球市場在 2004~2008 年複合成長率達 16%;全世界的發展逐漸 由傳統的工業、資訊與車用領域,朝向通訊與消費性領域發展。經濟部表示,國 內廠商已具備發展微機電關鍵元件的實力,政府持續運用科專支持相關技術的開 發,鎖定以個人化生活、更輕巧便利、人機互動介面為發展方向,藉由微機電元 件、系統與應用設計等技術,開發出智慧互動應用技術、電聲感測微系統、適應 性微致動系統及微型健康照護等應用產品及技術平台,引領創新應用及創造行動 影音獨特附加價值,協助南部產業開創新局。 Microvision 開發手機用超小型嵌入式投影機 上網時間 : 2007 年 02 月 05 日 美國業者 Microvision 成功開發出採用 2 軸 MEMS 掃描儀和雷射光源的嵌入式超 小型投影機樣機,目標是將其應用於手機、PDA 以及數位相機等行動設備中。 該公司的目標是將投影機像相機一樣嵌入手機中。 Microvision 現在已擁有 2 家合作企業,目前正以 2008 年實現投產為目標推進開 發進程。關於投產後的價格,預計將投影儀嵌入手機中後,手機的總體價格為 400~500 美元。關於超小型投影機的應用,除手機外,還計劃將其用做 iPod 等可 攜式播放器或 PSP 等可攜式遊戲機的週邊設備。透過簡單的介面進行連接後, 便能以較大的畫面欣賞 iPod Movie 或 PSP 的圖像。 該款樣機的光通量為 10~15lm。影像解析度相當於 WVGA。光源方面採用了美 國 Novalux 公司生產的半導體雷射光源 NECSEL。技術上的主要特點是體積小、 耗電低、成本低以及色域廣。另外由於採用了雷射光源,即使將影像投射到彎曲 的物體上,也可在整個畫面上顯示對準焦點的圖像。 電池技術大躍進 MIT 構思「晶片發電機」 上網時間 : 2006 年 10 月 31 日 MIT(麻省理工學院)的科學家們正密切合作,開發一種微型氣體渦輪發電機,並 希望它能取代目前的電池技術,在將來為筆記型電腦及手機提供電源。 解讀「終極 SoC」密碼──MEMS 完全手冊 www.eettaiwan.com
    • MIT 的研究人員希望明年春天能獲得初步成果 並希望最終能把這個尺寸僅有原 , 體積四分之一的微型發電機置入矽中。考慮到目前數百萬筆記型電腦電池的召回 問題,MIT 的這一計劃也具有格外重大的意義。 , MIT 首席研究員 Stuart Jacobson 「要製造這樣一個自給自足的發電機絕非易事 」 在近期的一次訪談中說到。包括壓縮機、旋轉渦輪、軸承系統和燃燒室在內的組 件及功能都必緊密配合。 當意識到傳統的焊接及鉚接方法不奏效時,研究人員開始轉向蝕刻矽晶圓。整體 研究稱之為微機電系統(MEMS)。這一努力整合了來自該所大學航空與太空系、 MIT 氣體渦輪實驗室、微系統技術實驗室和電磁及電子系統實驗室的研究人員。 開發人員已將 6 塊矽晶圓堆疊起來,這些晶圓均採用了一種特殊蝕刻製程。據一 次 MIT 新聞發佈會透露,微型化的元件包括以 2 萬次/秒旋轉的渦輪葉片,一個 微型發電機可產生 10 瓦功率。 「目前尚未有來自軍方對此計劃的資金支援」,Jacobson 稱早期應用的一種構想 是微型發電機將是一個「獨立的盒子」 ,戰士能像夜視裝備穿戴上這種供電設備。 戰士們目前所使用的電池相對較重,且往往很快就消耗完了。 Jacobson 認為有希望在兩到三年內能進行現場測試。此後,就能為筆記型電腦和 手機提供電源。他預想著有一天技術會發展到能生產小型火箭發動機和小型雷射 器。 (W. Gardner) ST 著手進行 MEMS 記憶體研究計畫 上網時間 : 2006 年 06 月 15 日 意法半導體(ST)正在研究一種以微電機系統(MEMS)為基礎的資料儲存技術,該 技術有機會成為奈米級非揮發性記憶元件;ST 並正針對該技術進行一項歐洲合 作研究計畫。 解讀「終極 SoC」密碼──MEMS 完全手冊 www.eettaiwan.com
    • 意法技術與製造執行副總裁 Laurent Bosson 表示,該公司已啟動一個關於所謂的 「探針儲存(probe storage)」MEMS 記憶體元件開發計畫;他還表示,與重要夥 伴的聯合開發計畫也正在進行中 該公司半導體前端技術與製造部門副總裁 Orio 。 Bellezza 則表示,意法半導體將來在 MEMS 探針儲存方面的路線可能類似於惠 普(HP)的原子量級儲存(Atomic Resolution Storage,ARS)樣品。 Bellezza 指出,意法半導體與惠普曾在開發噴墨列印頭時聯合研究過 MEMS;雖 然 ARS 計劃基於聚合體儲存介質(polymeric storage medium),但確定適合商業化 的最佳儲存介質,將是意法的歐洲研究計劃的重點課題之一。 Bellezza 對《EE Times》表示: 「有三種可供選擇的材料系統,即相變化記憶體 (phase-change memory) 所 採 用 的 聚 合 體 和 硫 化 物 (chalcogenide) , 以 及 鐵 電 (ferroelectric)物質。」 (Peter Clarke) 採用 MEMS 技術的振盪器投入主流市場 上網時間 : 2006 年 06 月 14 日 微機電系統(MEMS)從 60 年代開始就一直致力於進入主流市場 隨著一些 MEMS 。 應用取得成功,使得更多的競爭者正進入這個領域。但這些競爭者所瞄準的市場 目標多半不大,只有 SiTime 公司刻意地推出能與石英晶體振盪器接腳相容的 MEMS 第一套振盪器系列產品。 “我們打算提供一款與標準 CMOS 製程完全相容的矽 MEMS 振盪器來徹底改變 石英晶體產業,”SiTime 公司策略聯盟經理 Joe Brown 表示。“真空管已經被電晶 體所取代,而現在,石英晶體也將可能被矽技術所取代。” ADI 公司推出可作為安全氣囊感測器應用的 iMEMS 加速計,以及 TI 公司推出 的 DLP 晶片,使得 MEMS 開始成為一個大量生產的產業。最近,Akustica 公司 推出的矽 MEMS 麥克風感測器也已引起重視。現在,SiTime 公司正努力成為一 家更大規模的企業,因為幾乎在目前生產的所有電子設備中都以石英晶體振盪器 作為時基。 解讀「終極 SoC」密碼──MEMS 完全手冊 www.eettaiwan.com
    • Gartner 公司則預測類比石英晶體市場發展相當持平,年銷售額在 10 億美元以 上,出貨量為 10 億顆,平均售價為 15 美分。但 SiTime 公司的產品雖然仍處於 試產階段 卻已售出超過 100 萬個原型產品 而開始進軍這個龐大的市場 SiTime , , 。 預計 2006 年底開始量產該產品。 “目前業界的共同的看法是,在大多數應用中 MEMS 振盪器的性能與傳統的石英 振盪器不相上下,”In-Stat 公司特約分析師 Stephen Cullen 說。“但我預期,最初 的應用將出現在振盪器尺寸縮減以符合成本優勢之處。” 長期來看,SiTime 公司和 Discera、Innovative 公司等競爭者們可能會迴避這個問 題。這些公司不會以低成本的石英晶體來進行競爭,而是透過 MEMS 時基與 CMOS 晶片的整合來降低成本。 Cullen 說,“該技術的長期優勢是我們可以把 MEMS 和 CMOS 矽整合在同一個 晶片上,以減少尺寸並因而降低總成本。最終目標是把 MEMS 時脈整合在每個 需要時脈的晶片中,而不是從單一的石英晶體上引出多個時脈訊號。” SiTime 公司打算將 MEMS 振盪器授權給消費晶片製造商以實現該單晶片方案, 使製造商可以把 MEMS 時基與應用系統的電路一起整合在 CMOS 晶片上。 解讀「終極 SoC」密碼──MEMS 完全手冊 www.eettaiwan.com
    • 圖 2: MEMS 振盪器的內部架構,該振盪器與石英晶體振盪器接腳相容。 “我們的技術是明確可行的,LSI Logic、Actel 與 Cypress 等半導體製造商都已經 採用了,因為該技術恰好與其計劃一致,”SiTime 公司行銷副總裁 John McDonald 說。 這種單晶片方案是要讓 CMOS 晶片製造商重組現有的晶粒,以便與整合型 MEMS 時基協同工作,但這可能需花費多年。作為過渡的方案,SiTime 公司打 算下一步先推出一種特殊的雙晶片方案,該方案把 MEMS 晶片置於標準 CMOS 晶粒上面,從上面提供所有的時脈訊號。 對消費性晶片主要製造商來說,單晶片和雙晶片方案具有一個隱藏的優勢,即可 在單一晶片上為多個 PLL 提供幾個時脈頻率的能力。因此,可以把整個晶片的 所有時序訊號都放在騎背式的 MEMS 晶片中,以降低目前大多數消費晶片的複 雜性,並可削減 MEMS 振盪器的高成本,特別是與單一頻率的石英晶體相較。 “透過改變音叉的幾何結構,”Brown 說,“我們可以把來自多個振盪器的多個頻 解讀「終極 SoC」密碼──MEMS 完全手冊 www.eettaiwan.com
    • 率嵌入到 CMOS 晶圓的前四層之中,因而讓每個晶片都可以根據需要連接到多 個不同的時基。” 由於所有的振盪器都可內建於一顆晶片中,我們就不必在一個電子設備中使用多 個時基晶片。Brown 說,“你可以把一個 32kHz 的即時時脈、一個執行在幾百 MHz 的通訊頻率振盪器、任何數量的 KHz 或 MHz 振盪器以及其所有的 PLL 放 在一個單晶片上。而這是石英振盪器無法做到的。quot; 元件內部 SiTime 公司的振盪器以內部 MEMS 諧振器為基礎,並用以取代石英晶體諧振 器。其他公司已針對表面聲波(SAW)濾波器、陶瓷濾波器和薄膜膨脹聲學諧振器 (FBAR)等 RF 和 IF 應用開發出可替代石英晶體的固態諧振器。SiTime 公司表示 其 MEMS 諧振器不僅可用於這些應用系統,而且可以較低的成本添加到系統 中,同時,可靠性更高、體積更小且無需量身定製。 SiTime 公司的首款產品 SiT8002 與 Epson 公司的 SG-8002 接腳相容,但抖動更 小、相位雜訊和功耗更低,且封裝尺寸更小,該公司表示。 為了製造 MEMS 振盪器,SiTime 公司首先在絕緣矽(SOI)晶圓加入四個光罩平 面,在此基礎上加工機械的‘音叉’或連接到基底一側的‘樑’(beam),並用一種深 溝蝕刻製程與其他部份隔開。該製程為高 10 微米、寬度可依照所需頻率來決定 的樑開了一條 400 奈米寬的溝,當樑在被電極以靜電方式驅動時可以自由振盪。 在樑的另一側設有一個電容感測器,以檢測振盪頻率並驅動用來調節該訊號的 PLL ,產生類似於傳統石英晶體的時基。 為確保長期的可靠性,SiTime 公司在一個圍繞整個晶圓的多晶矽層上長出一種 磊晶包覆,以安全穩定地把 MEMS 振盪器包裹起來,並提供一個可在其上發展 正常 CMOS 電路的極光滑表面 為了消除可能的污染(如濕氣) 包覆作業在 1,100 。 , 攝氏度下完成。該磊晶包覆可以把結構與環境隔離開來,以使環境因素不致影響 性能,確保長期的穩定性,而這便是長久以來一直困擾 MEMS 的難題。 困擾 MEMS 諧振器設計者的還有溫滯特性不良和溫度係數偏大(達 30ppm/攝氏 度)等一些難題 。SiTime 公司聲稱,透過向其雙晶片方案的 CMOS 部份增加電路, 這些問題已得到解決。 解讀「終極 SoC」密碼──MEMS 完全手冊 www.eettaiwan.com
    • “在我們的晶圓表面上存在約 0.8%的頻率偏移,”Brown 說,“所以,我們把這些 諧振器連接到 CMOS 晶片以便把頻率偏移壓縮到正負 5ppm 以內 該電路也執行 。 溫度補償和 A/D 轉換,並用 PLL 把頻率鎖定在期望的頻率。quot; 另外,Brown 也宣稱 SiTime 公司的 MEMS 第一套振盪器系列產品可以完全精確 的頻率‘立即啟動工作’,而石英晶體則要求一般可使電路其他部份等待時脈穩定 下來才能繼續工作的預熱時間。他進一步指出,MEMS 諧振器因高頻率而微縮 尺寸也相當容易。 “MEMS 第一套振盪器系列產品技術最引人注目的一個特點是,”Brown 說,“當 該振盪器尺寸隨著高頻率而微縮時,其性能實際上是在提高;石英振盪器則完全 相反,其性能會隨著尺寸縮小而降低。” 該公司聲稱已經使用標準的 CMOS 光罩蝕刻技術為其像音叉一的諧振器製造出 許多幾何結構。成功的幾何結構包括一種只在中間相連的 4 樑結構、一種單樑結 構和一種碟式結構,所有這些結構都需要在頻率和性能之間進行不同的權衡折 衷。 (R. Colin Johnson) Purdue 大學研製出採 MEMS 的微泵冷卻元件 上網時間 : 2006 年 05 月 09 日 Purdue 大學的工程師們日前研製出採用 MEMS 的微泵冷卻元件(micro-pump cooling device),據稱該產品小到足以安置在電腦晶片上,透過蝕刻通道在晶片 上以循環流動達到冷卻功能。 該元件被整合在一片約 1 平方公分的矽晶片上。原型包含許多注滿水的微通道, 凹槽寬度大約為 100 微米。通道涵蓋有數百個電極,可以每個通道產生流動電場 的方式接收變化的電壓脈衝。流動場產生離子或帶電原子和分子,受到行動場的 吸引。泵壓行為由電水動力產生,利用離子和電場的相互作用來促使液體流動。 Purdue 大學冷卻技術研究中心主任 Suresh Garimella 表示: 「我們的目標是研製晶 片自有的先進冷卻系統,能夠應付未來晶片所要面對的更為極端的散熱情況。」 解讀「終極 SoC」密碼──MEMS 完全手冊 www.eettaiwan.com
    • 同時,研究人員也承認依舊面臨幾項主要挑戰。Garimella 表示: 「其中之一是進 一步開發全面和精確的數學模型,因為這是一個非常複雜的動態系統。」 (John Walko) 自裝配 MEMS 瞄準生物醫療領域 上網時間 : 2006 年 02 月 15 日 用於建造三維微機電系統的技術將可望被應用在新興的生物醫療領域。約翰‧霍 普金斯大學醫學院(Johns Hopkins University School of Medicine)的物理化學家 David Gracias 及其同事在最近的實驗中建構了為數眾多的金屬立方體,大小約為 100 微米,未來可望被用於人體的投藥工具。 儘管這些立方體還沒有在活體上進行測試,但在流體系統內的基本流程和作業已 經過驗證,Gracias 表示, 「我們談論的是一個完整的全新包裝及傳送設備,有可 能推動新一代『靈巧藥丸』的誕生。長期目標是能夠將這些治療用容器直接植入 到傷口或疾病部位。」 目前許多 MEMS 研究人員已開發出採用微影成型和蝕刻製作三維形狀的複雜製 程,但 Gracias 決定標新立異地採用自裝配方法。針對立方體結構,他首先定義 了方形的平面金屬圖案,代表沒有折疊的立方體,然後在正方形的邊緣導入焊 料。當系統被加熱到焊料的熔點時,液體焊料的表面張力促使正方形折疊成立方 體狀。而後將焊料冷卻並固化,並黏合三維形狀。 Gracias 指出,由於微影在數個步驟內確定了大量的金屬圖形,而且因為裝配完 全自動化,因此該方法有可能被應用在量產中。 金屬陣列 有許多種類的金屬可被使用。研究人員在試驗性的藥品傳送應用中選擇了塗層為 金的鎳。金作為不反應外層,可防止人體內的任何毒性反應,鎳的磁特性將允許 透過磁共振成像掃描體內的金屬立方體。事實上,這所大學醫學院的成像專家已 證實這種實驗立方體可用於 MRI 系統的追蹤。 解讀「終極 SoC」密碼──MEMS 完全手冊 www.eettaiwan.com
    • Gracias 採用自裝配加工技術的靈感來自他在哈佛大學 George Whitesides 實驗室 的研究。Whitesides 開創了多種多樣的二維薄膜的分子自裝配技術。在哈佛實驗 室工作期間 Gracias 研發了一些用於自裝配三維電子元件的方法 當 Gracias 2003 , 。 年來到約翰‧霍普金斯時,他創立了一所實驗室,以開發這一概念。 Gracias 表示,他發現,諸如分子耦合或表面張力等自然過程能被用於製作自裝 配結構,尺寸從 1nm 到 1mm 不等。透過減少會導致不必要形狀的影響,同時強 化能讓系統滿足設計目標的反應,就能在流體中創造這種基本結構形式。 該元件包含碳奈米管、半導體奈米線和大型自裝配結構。目前的計劃是尋求在一 個三維配置內整合超過 1 萬個電子元件。預計下一階段將是把電子元件導入到立 方體內。這些元件可能被作為生物感測器或在人體內受到無線訊號的控制,以執 行各種動態功能。 (Chappell Brown) 解讀「終極 SoC」密碼──MEMS 完全手冊 www.eettaiwan.com