在將微電子機械系統(MEMS)集成進更大的電子系統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？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。”美國國家科學基金會無線集成微系統(WIMS)研究中心副總監Khalil Najafi表示。WIMS的宗旨是：針對醫療植入或手持式氣相色譜分析儀等設備所使用的MEMS器件來開發測試床。

Najafi將于10月27日在波士頓舉行的主題為“現實世界中的MEMS”且為期一天的會議上做主題演講，嵌入式系統會議將在此次會議后舉行。”對于使用MEMS器件的系統，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將發表MEMS行業發展報告，該報告將從制造性設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。

了解你的應用

進行系統設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構。具體應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，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，而是組成了復雜儀器的核心。“如果你想進行復雜的測量的話，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。

這意味著設計師必須理解接口、數據傳送和信號處理。對于簡單又獨立的系統而言，低成本的集成式單片設計有時是最佳選擇。但對于需要針對相關應用進行優化的MEMS系統來說，模塊化的分離器件可能是最佳方案。如今許多設備都是便攜或無線設備，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。
“越來越多的設備需要便攜性，設計師通常需要使用電池給這些設備供電，所以設備功耗要低。”Najafi指出。由于測量精度與功率之間需要很好的權衡，WIMS研究人員一直致力于以最小的能耗實現最高的性能，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，“因為一旦你發布機械性MEMS結構，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的醫療植入測試床，包括耳蝸植入和大腦皮層植入。后者用于監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，然后以無線方式發送處理過的數據，所有這些功能都集成在一個專門針對身體內部惡劣環境而設計的很小封裝內。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。

除了監視大腦活動外，大腦皮層植入最終還可以用于神經控制肢體活動，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設備的MEMS，這些都是獨立于系統其它部分的。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、模數轉換功能，甚至包括能提供智能的嵌入式內核。”他表示，“他們必須考慮增加有線或無線網絡通信，并且最后還要考慮如何將它們集成進一個封裝內并完成所有測試。”

Grace指出，目前電子系統中常用的并行設計方法可以幫助開發人員創建出最優的設計，這種設計能夠以經濟而統一的方式大批量投產，并且具有很高的良率。(end)