SE：过去，MEMS 设备要么是大批量商品，要么是小批量、高度专业化的设备。这是在改变吗？

Schropfer : 在MEMS的早期行业中，汽车行业是新 MEMS 技术的主要驱动力。例如，福特收购了一家晶圆厂来建造自己的早期 MEMS 加速度计。随着智能手机进入我们的生活，MEMS 市场转向由消费者驱动的应用主导。虽然汽车行业的成本压力很大，但在以消费者为中心的市场（如智能手机）中，成本压力要大得多。除了这些大批量的消费类和汽车应用之外，总是有大量的专用应用使用中小批量的 MEMS 设备。我们今天看到的是，一些对安全至关重要的汽车应用正被推向消费成本模型，同时消费产品对可靠性的要求越来越高。例如，

SE：这对 MEMS 设备的经济性意味着什么？

Schropfer：与需要全新制造技术的下一代产品相比，可以利用现有工艺平台的新 MEMS 产品更容易推向市场。（这不包括芯片重新设计或对现有制造工艺的调整）。通常，MEMS 执行器比 MEMS 传感器更难商业化，尤其是当您需要在产品中包含机械触点时。这些触点在设计、工艺开发和材料选择阶段需要特别注意，以确保可靠运行。需要采用整体工程方法来加速 MEMS 执行器和传感器的开发，同时优化设计和制造技术。

SE：您认为 MEMS 有哪些新市场，现有市场有哪些变化？

Bourke：MEMS 器件所针对的市场基本上与以往相同——消费电子和汽车。从增长的角度来看，消费电子市场仍然是主要驱动力，新的和不断增加的用途不断涌现。未来的技术，如微型扬声器和气体传感，今天的市场较小，但当被移动设备采用时，增长潜力很大。气体传感和环境传感器目前用于发动机管理和车内环境监测，但更大的市场将是在智能家居环境中采用气体传感器，以及潜在的手机。基于 MEMS 的振荡器将是一种已从晶圆厂迁移到批量生产的设备。其他新市场包括：

• 用于护理点的一次性芯片实验室，使用具有显着增长潜力的微流体技术；

• 热成像，包括用于监测人体温度的微测辐射热计，以及

• 用于医学成像的压电微机械超声换能器 (PMUT)，体积小。

SE：过去，MEMS 设备要么是大批量商品，要么是小批量、高度专业化的设备。这是在改变吗？

Bourke：当我们考虑小批量、高度专业化时，我们会想到航空航天和空间应用。大批量的 MEMS 器件通常是非常受技术驱动的惯性 MEMS 器件和 RF 滤波器。制造这些设备的技术不断发展，随着这种发展，制造中的技术挑战更加苛刻。

SE：是什么让开发一种 MEMS 设备比另一种更难？

Bourke：终端市场会使一些设备更难获得批准，例如生物医学和汽车。这取决于您需要做什么才能使设备合格。可靠性要求是什么？满足设备规格的工艺要求有多复杂？测试设备以迭代设计有多容易？例如，惯性 MEMS 器件需要经过整个制造过程并在真空下进行以了解器件性能。

SE：现在 MEMS 器件被用于安全关键市场，例如汽车，需要更多的关注安全性、可靠性，甚至潜在的安全性。那有什么影响？

Schropfer：MEMS 产品在安全关键应用领域有着悠久的传统。20 多年来，MEMS 已被证明是一种非常可靠的技术。我于 1998 年在 SensoNor 开始了我的工业职业生涯，SensoNor 是最早为汽车应用开发和生产 MEMS 的公司之一，包括用于安全气囊碰撞检测的加速度计和用于胎压监测的压力传感器。这两种用途都是真正对安全至关重要的应用。硅是用于 MEMS 设备的绝佳材料，可提供高度的机械可靠性。

SE：变化、封装、芯片移位和测试等问题如何？

Schropfer：问题不在于是否可以使 MEMS 变得安全可靠，而在于如何在不花费数年的开发努力的情况下证明和表征这种安全性和可靠性。我们看到对我们所谓的“数字 MEMS 产品认证”的需求不断增长。如果提前对材料特性和制造工艺进行了充分表征，则可以在早期 MEMS 产品开发周期中考虑这些特性和制造工艺的可变性。我们可以在开发周期的早期使用虚拟实验预测和验证 MEMS 设备性能，包括可变性问题，从而降低 MEMS 市场引入的风险。安全和可靠性分析绝对是这个实验的一部分，包括失效模式调查和虚拟冲击试验的应用等方面。

Bourke：我们通常参考的第一个 MEMS 设备是汽车中的安全气囊传感器，因此可以肯定地说，它们一直用于安全关键应用。在汽车中，存在与车辆内集成的设备相关的零缺陷的驱动力。随着自治水平的提高，这种情况将继续下去，在某些情况下，这意味着在故障方面的性能达到 10-8（亿分之一）。这一挑战意味着减少可能导致服役故障的 MEMS 制造工艺导致的潜在缺陷。

SE：从 200mm 到 300mm 的移动完成了什么？是更好的过程控制和更高的产量，还是有其他好处？它如何影响产量？这是否需要全新的晶圆厂设备？

Bourke：它允许与先进的 ASIC 集成，它们仅在 300mm 处可用。300 毫米工具的设备性能也有所提高，因为它们通常是为更先进（更小）的技术节点而开发的。此外，您可以获得大批量或大芯片应用的经济性或降低成本。示例包括麦克风、芯片实验室和 PMUT。另一个潜在的好处是晶圆厂内的设备可升级到 300 毫米，因此并非所有晶圆厂都需要新设备。但重要的是要意识到许多 300mm 代工厂现在正在制造 MEMS 设备，因此工具集已经到位。

SE：MEMS 市场从一开始就一直在处理异构封装问题。这如何影响应力、潜在的热失配和材料纯度？

Schropfer：封装已经并将继续成为 MEMS 产品公认的商业化障碍。MEMS 组件的封装与 IC 的封装有很大不同，主要是因为 MEMS 器件的功能受封装影响更大。MEMS 器件通常包含对封装效应非常敏感的移动部件，并且可能经常需要以某种方式与环境相互作用。这使得 MEMS 器件极易受到基于封装的机械和温度应力的影响。

SE：那么这对包装设计有何影响？

施罗普弗：MEMS 开发人员必须将封装效应作为其 MEMS 设计的一部分，否则要冒着多次昂贵的设计和制造周期来解决封装问题的风险。一种解决方案是在 MEMS 器件的设计过程中将封装效应合并到紧凑或行为模型中，而不是简单地单独对器件进行有限元分析。不仅仿真时间减少，而且更复杂的仿真（例如蒙特卡罗分析、虚拟测试或瞬态仿真）可以包含在这些封装效果中。MEMS 工程师可以使用这些紧凑型或行为模型来研究各种复杂的 MEMS 设计相关性，例如温度相关漂移、频移以及封装设备对外部刺激（例如噪声源、振动或冲击负载）的响应。

SE：目前正在努力提高 MEMS 设备的精度，特别是惯性和陀螺仪传感器。这是怎么做的？您如何处理漂移、来自其他设备的干扰（尤其是传感器融合）和老化（更长的使用寿命）等问题？

Schropfer：为了提高MEMS惯性器件的精度，需要考虑从概念开始到生产结束的完整研发链。只关注制造前的设计，或者只关注设计完成后的制造过程是不够的。需要对设计空间和工艺开发选项进行早期探索，以优化设计和工艺阶段，并提高精度、电气性能、可靠性和产量。

SE：你能举个例子吗？

施罗普弗：大多数 MEMS 惯性传感器，如 MEMS 陀螺仪，使用梳状结构进行传感和驱动，并包括采用深蚀刻工艺（如深反应离子）制造的高深宽比沟槽。这些沟槽的详细侧壁轮廓对器件性能和产量有重大影响。MEMS 陀螺仪侧壁轮廓的不对称或变化会导致正交误差，并由于机械交叉耦合导致不可接受的良率损失。侧壁轮廓中几纳米的变化是至关重要的，但难以通过计量进行测量。如果没有深厚的设计知识，就很难理解正交误差与结构（制造）轮廓之间的关系，从而导致蚀刻配方调整的不确定性。侧壁轮廓不仅取决于蚀刻工艺配方，但受设计几何形状的强烈影响 - 所谓的图案依赖性。最后，MEMS 器件的电气性能是衡量成功的最终标准。

SE：这可能会增加时间并最终增加成本。解决办法是什么？

施罗普弗：需要一种同时考虑过程和设计优化的整体和并行工程方法。预测 MEMS 惯性传感器的电气性能需要了解设备设计（几何形状）以及材料和工艺参数。如果您想提高 MEMS 惯性传感器的性能、良率和可靠性，您需要共同优化设计和制造过程。这涉及并行工程方法。如果您想要更快的上市时间、更高的精度和性能以及可接受的产量，您需要具有强大设计和制造专业知识的合作伙伴。成功的关键因素之一是使用 MEMS 器件建模将电气测量结果与物理参数联系起来，以实现单元工艺优化。预测设备模型可以在电气结果（例如偏移或补偿电压）和物理几何形状（例如侧壁角度或 CD 损耗）之间进行转换。这些预测可用于选择在 fab 中进行的正确实验并减少总周期时间。

Bourke：随着惯性 MEMS 设备的发展，需要改进性能的驱动力需要接近我们从领先的半导体设备性能中看到的工具/工艺性能。惯性 MEMS 器件的正交误差和谐振频率性能与深反应离子蚀刻工艺的精度直接相关。由于设备的周期时间很长，最终结果需要将设备置于真空下，Lam 和 Coventor 一直在与我们的客户合作，以减少周期时间并不断提高这些过程的精度。

SE：RF MEMS 开关是一个新领域。我们为什么需要它们？这将解决什么样的问题？又会出现什么样的新问题？

施罗普弗：我们看到下一代电信系统和智能手机对 RF MEMS 开关的需求不断增长。由于其机械特性，RF MEMS 开关与竞争技术相比具有多个优势，包括闭合时电阻非常低，打开时电阻非常高。应用众多，包括可调滤波器、MIMO 天线、触觉无线电和 RF ID。这不是一项新技术。RF MEMS 开关的开发早在 20 多年前就开始了，但当时市场上的成功有限，只有少数公司成功地将 RF MEMS 开关商业化。商业化的一大障碍与可靠性有关。RF 开关需要承受数十亿次驱动循环。许多第一代 MEMS 开关都基于欧姆接触。找到足够坚硬以维持大量开关循环的材料，同时又足够柔软以在闭合时形成良好的欧姆接触是一个巨大的挑战。RF MEMS 开关需要一种全新的制造技术，与惯性传感器非常不同，并且基于机械材料的复合层。可靠性问题包括这些复合材料中的电气和机械应力，以及温度依赖性和对冲击和振动的敏感性。

SE：有什么变化？

施罗普弗：RF MEMS 开关可以表现出动态非线性行为，了解这种行为和相关的设计/制造限制对于这些设备的商业化至关重要。拉入（闭合）、剥离（打开）、频率滞后和瞬态行为对器件尺寸和工艺变化非常敏感，对性能和产量至关重要。在围绕它设计系统之前，您需要了解基于 MEMS 的开关的动态行为，不仅包括 MEMS 芯片，还包括其他 IC 和 RF 组件。这需要使用现实而非理想化的设备模型来完成。我看到了 RF MEMS 开关的令人兴奋的未来。虽然发展仍然具有挑战性，但 20 年前存在的许多障碍已被消除。在开发、稳定、表征用于 RF MEMS 的新制造工艺和材料。最新一代的开关大多是基于电容的设备。当基于电容的开关闭合时，可以通过机械限位器避免电极之间的直接接触，从而提高长期可靠性。可以使用仿真平台对射频开关的动态行为进行建模，并可用于将射频开关与控制电路一起进行协同设计。此外，制造工艺现在可用于在标准 CMOS 工艺上集成 RF MEMS 器件，这允许在同一芯片上制造 MEMS 器件及其周围电路。通过机械限位器可以避免电极之间的直接接触，从而提高长期可靠性。可以使用仿真平台对射频开关的动态行为进行建模，并可用于将射频开关与控制电路一起进行协同设计。此外，制造工艺现在可用于在标准 CMOS 工艺上集成 RF MEMS 器件，这允许在同一芯片上制造 MEMS 器件及其周围电路。通过机械限位器可以避免电极之间的直接接触，从而提高长期可靠性。可以使用仿真平台对射频开关的动态行为进行建模，并可用于将射频开关与控制电路一起进行协同设计。此外，制造工艺现在可用于在标准 CMOS 工艺上集成 RF MEMS 器件，这允许在同一芯片上制造 MEMS 器件及其周围电路。

Bourke：如今，RF MEMS 开关面临的最大挑战是可靠性。RF MEMS 开关在性能方面具有潜在优势，但它们面临着来自不断改进的 RF-SOI 解决方案的激烈竞争，这些解决方案在当今市场上占据主导地位。

SE：MEMS 麦克风已经讨论了一段时间。这些麦克风提供什么样的响应，为什么这只是市场的一小部分？是纯粹的体积，还是真的很难设计和制造？这些将与哪些类型的电子产品配对？是否需要机器学习才能优化声音？

Schropfer：MEMS 麦克风越来越受欢迎。2020 年对 MEMS 麦克风公司来说是个好年头。满足生活方式、医疗保健、汽车和工业应用需求的多个终端用户市场推动了对 MEMS 麦克风的强劲需求。MEMS 麦克风广泛用于智能手机，提供出色的语音质量，几乎没有背景噪音，支持智能语音识别应用。人工智能现在可以用于准确解释语音命令，并提供创新的增值服务，例如虚拟助手和即时语言翻译能力。

SE：这些设备的关键指标是什么？

施罗普弗：MEMS 麦克风是基于薄膜的设备。在 MEMS 麦克风开发中存在许多挑战。在使用 MEMS 麦克风的每个应用中，关键性能参数是灵敏度和信噪比 (SNR)。通过增加膜尺寸来增加灵敏度通常不符合成本效益。我们看到了更复杂的机械结构，例如单个麦克风内的多个薄膜和背板。膜很薄，通常由不同材料的多层堆叠组成。材料层应力是这些麦克风的设计和制造中必须解决的问题。优化信噪比需要同时优化机械结构和周围的电子设备，这些优化要求都是相互关联的，必须同时解决。MEMS 和周围电路的设计必须同时进行，因为它们都会影响灵敏度和 SNR。MEMS 器件和 CMOS 电子器件都受操作和工艺变化的影响，设计中也必须考虑这些变化。实验的虚拟设计可用于查看 MEMS 和 CMOS 设计组件中的相互依赖性，但设计人员必须弥合 MEMS 麦克风机械部分所需的高模型精度与 MEMS 麦克风所需的快速仿真速度之间的差距。周边电路。MEMS 器件和 CMOS 电子器件都受操作和工艺变化的影响，设计中也必须考虑这些变化。实验的虚拟设计可用于查看 MEMS 和 CMOS 设计组件中的相互依赖性，但设计人员必须弥合 MEMS 麦克风机械部分所需的高模型精度与 MEMS 麦克风所需的快速仿真速度之间的差距。周边电路。MEMS 器件和 CMOS 电子器件都受操作和工艺变化的影响，设计中也必须考虑这些变化。实验的虚拟设计可用于查看 MEMS 和 CMOS 设计组件中的相互依赖性，但设计人员必须弥合 MEMS 麦克风机械部分所需的高模型精度与 MEMS 麦克风所需的快速仿真速度之间的差距。周边电路。

Bourke：MEMS 麦克风已经部署了相当长的时间。除 RF MEMS 器件外，MEMS 麦克风在单位出货量方面最为成熟。它们在手机中已经很成熟，并且随着家庭助理（例如 Alexa 和 Google）的使用增加，市场继续增长。今天的 MEMS 麦克风具有与录音室品质麦克风相似的性能。它们不断发展以提高信噪比。未来，我们将看到电容式麦克风向压电式麦克风的转变。