考驗製程與產品性能的MEMS微縮趨勢

針對行動應用整合，感測元件朝整合方向開發。movea

隨著行動裝置對於微機電元件的需求越來越高，幾乎已經成為新一代行動裝置、平板電腦必備的功能設計，為了降低物料清單與元件成本，微機電元件也朝向整合行動處理器或採更高整合度的形式提供關鍵應用功能，但整合度提高不僅考驗製程、元件可靠度與成本，也必須在一定要求下提供關鍵應用所要求的高精準效用...

積體電路設計或解決方案，一向以新的製程、設計方案來提供更高整合度的解決方案，像是新一代多核心行動處理器，目前已經發展至四至八核高度整合設計，藉此改善行動裝置因應巨量運算與一般待機應用的懸殊運算條件，而在MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)產品市場，除利用新穎製程持續微縮零組件的佔位面積，也利用新的整合技術透過多感測器的組合，一方面提升元件的感測精度、一方面擴增單一元件所能提供的應用功能。

MEMS是否採取整合設計 須考量研發、生產等關鍵因素

但MEMS的高度整合設計，其實頗具爭議性，即便是整合的設計方案更能提升低價格、高性能、高品質與高可靠性的設計方案，但實際上MEMS產品在研發、生產的投入相對較大，必須採取較大的產能分散開發與生產成本，採用整合與非整合設計方案各有優缺點，對功能性的影響也會有相當大的差異。

基本上「整合」設計並非MEMS微機電系統唯一的設計方案與發展途徑，即便是目前在行動裝置的SoC方案中大多利用整合MEMS功能方案，透過針對行動應用需求的配套解決方案，大幅減少料件清單同時增加SoC整合元件的附加價值，但實際上將幾個功能裸晶放在同一個整合方案，或許是個不錯的作法，至少在現有的積體電路設計方案來執行這類功能整合，並不是太困難的事，但整合的標準、介面要求等，仍需要考量市場需求與應用場合進行需求的最佳化設計。

而當新一代整合設計方案推出後，最現實的問題還是需要面對市場的嚴苛檢視，而MEMS產品需要投入市場後，在一段時間的醞釀與導入產品設計，才能確認新的整合方案是否迎合市場需求，同時也檢驗應用方案的品質與效能能否滿足終端應用的設計需求。但現實的問題是，MEMS產品受限於產品生命週期預估與實際投入成本的推算後，投放在研發、生產的成本，大多需要投入市場後的收益夠多才能打平、甚至獲利，這也常常因此為了保證產品獲利而進而限縮了整合型產品的進階設計與元件強度。

工業級MEMS元件方案 仍多採取單一感測功能整合設計

由多數的設計方案觀察，MEMS的感測元件大多會採取與主載板電子電路分離的設計，一方面是為了提供更穩定的感測環境，一方面也可以確保感測資訊可以獲得更好的訊號品質、同時便於產品的整合設計，利用single chip型態的解決方案是可以輕易達到設計目標。尤其是感測器設計方案若必須在高溫、高濕、需面對化學料槽的應用環境時，在這類惡劣應用環境中，MEMS的電路設計方案採取與主載板分離的應用型態，勢必是整合電路時的唯一設計方向。

這也是為什麼在工業級的MEMS微機電系統應用元件，即便在行動裝置大幅採取高整合設計方案的同時，面向工業應用的微機電感測元件仍舊多數採取單一功能的設計方案，頂多透過SoC的整合設計將控制電路、校準與訊息傳遞介面進行功能整合，而非將大量多元的感測單元進行功能整合，而工業用途類型的MEMS元件即便單價較高、功能也較單一，但在惡劣應用環境仍可維持相當有效、高可靠度的運作性能，而這種類型的MEMS產品可以用較低風險、較低成本與較高投報率進行產品元件的整合與開發。

整合優勢相對明顯 已成MEMS熱門設計方向

但MEMS的整合設計，仍有相當大的誘因與優勢！早期多功能晶片單元想透過積體電路進行整合，在積體電路的整合設計製程條件相對較差，並不容易做到高度整合的設計方案，同時也容易因為不確定的問題影響最終產品的良率與精度表現，但近年的積體電路設計與製程，已經大幅改善了良率問題與整合應用方案，在基礎矽晶片技術也有了更完整的掌握度。

尤其在摩爾定律與奈米科技的IC技術進展，大幅增加了MEMS元件高度整合的穩定度與良率表現，同時整合型MEMS較受關注的成本問題，也可運用新的整合設計方案壓低終端整合元件的產製成本。

但回到先前討論的市場問題，整合型產品畢竟仍須受市場青睞、導入，才能有效回收先期投入的開發與設計成本。

而在系統單晶片整合設計方案中，以解決過往開發元件必須改善的性能、成本、可靠度與品質問題，利用MEMS的系統晶片開發，可以在更小的晶片尺寸置放更多元的感測功能，利用更多的環境參數參照進行感測數據的即時比對、驗證與排除錯誤訊息的運算需求，而新一代的整合晶片已可具備更高的品質水準，甚至可以輕易達到10億小時以上的平均故障時間(MTBF)。

若自現有的MEMS微機電技術解決方案檢視，將大量感測方案利用單晶片整合，的確有相當明顯的設計優勢，尤其是在高噪訊應用環境下，使用擷取小訊號可以承受的最小物理應力、線路寄生電容、電磁干擾、元件的漏電流等影響的確有整合的改善優勢。在MEMS的IC設計中採取Cross-Quading設計技術與搭配部分改善由溫度或其他環境現況造成的影響外，在微縮的整合線路條件下，MEMS可具有更靠的連接特性、更低的熱延遲問題，成為高度功能整合型MEMS產品的絕佳元件優勢。

提高訊號位準提升抗噪能力 勢必影響MEMS元件尺寸、功耗與成本

而改善前述環境與噪訊問題，另一種設計方案則採取相對衝突、卻有效的設計途徑，例如，將各功能元件的產生信號提高位準，但這種設計方案並不合宜，因為提升元件的信號位準必須針對擷取信號搭配放大電路進行提升，這會造成積體電路的功耗增加，同時又必須採取更大的矽晶片避免較大的信號不致於打穿元件，這代表著元件會在尺寸更大、功耗更高。

同時又要求更低的阻抗，實際的設計應用時，工程師會在感測元件取得訊號後，在利用一套信號補償電路進行感測信號的位準提升，再透過線路將遠端的信號傳送至主控載板上進行處理。這種設計作法會讓線路的複雜度增加，同時感測端點與主控電路的互連成本提升，但效率卻未能因此增加，反而還增加了不少成本，甚至影響了裝置的可靠度與穩定度。

即便以目前的發展趨勢觀察，主流、大量的MEMS零組件需求，會大量集中在高度整合的設計方案上，但實際上整合設計仍非MEMS最佳的設計方案，基本上整合型的MEMS開發難度與時程會遠遠超越單一功能型態的MEMS元件產品，尤其在處理系統級整合設計方案時，耗費的開發時程會更久，而高度整合的設計方案也必須在成本、功能與整合度達到市場需求的設計甜蜜點，讓解決方案可以更吸引人同時在批價與性能也能滿足終端產品設計。

對於高度整合型的產品，以目前的市場需求與趨勢，大多集中在行動裝置、可攜式產品的中？低階MEMS感測需求，這類MEMS微機電解決方案所需的是更高的整合設計、更小的元件佔位面積、更低的元件功耗與更划算的元件批價。至於在要求特殊極端惡劣環境的感測應用需求方面，並非高度整合型MEMS所能應付，反而是需要特殊的系統增強特性、更高精度？可靠度與耐用度的設計方案，這類特殊用途的MEMS產品自然也可以擁有更高的毛利與售價。