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感測器/MEMS  

尋求新應用領域 Bosch為微型MEMS產業搏下重注

上網時間: 2007年08月17日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:MEMS  DRIE  sensor  bulk micromachining 

Robert Bosch GmbH公司是全球最大的微機電系統(MEMS)感測器製造商,其MEMS晶片的生產量每年均超過1億顆。2005年,該公司成立了子公司Bosch Sensortec GMbH,以便拓展汽車應用以外的MEMS產品,並進軍消費性和其他產品領域。Bosch公司還將其專有的深反應離子蝕刻(DRIE)MEMS生產技術授權給SiTime公司,用以製造晶振和時脈晶片。

Robert Bosch公司感測器工程副總裁Horst Munzel與Bosch Sensortec公司總經理兼CEO Frank Melzer在與《EE Times》特約編輯羅克鈴的一次訪談中,追述Bosch公司的MEMS發展歷史,並透露了MEMS技術的未來發展計劃。

你們從何時開始進行MEMS的研發工作?

Munze:我們在20多年前就開始了微機械加工方面的研究工作,不過最早期的努力當然還無法直接做出產品。我在1989年加入Bosch公司,當時只有4位MEMS工程師;而今,我們單是開發MEMS晶片的工程師就超過了350位。

你們在什麼時候發表第一款MEMS晶片呢?

Munze:我們在1993年發表了一款用於引擎管理,並以金屬罐封裝的整合式壓力感測器。該感測器的精密度在整個工作溫度範圍內均優於1%。汽車製造商能用以可靠地測量出歧管空氣壓力,因此這款晶片至今仍在量產中。

它是如何建構的?

Munzel:我們使用了體微機械加工技術製造出厚約15um、面積約1mm2的矽薄膜,該薄膜被嵌入於雙極晶片的中心。我們還利用了性價比非常高的智慧型微調技術。

你們接著研發出的微機械產品是什麼?

Munzel:另外一款體微機械加工MEMS元件是具有超薄薄膜的質流(mass flow)感測器,該感測器同樣用於引擎管理,但它利用了熱量原理來測量氣流。對我們來說,這是一款突破性的產品,它可快速並準確地測量氣流的質量,因此能大幅降低燃料消耗與排放,顯著地提高引擎性能。

如今這款MEMS感測器也仍在製造嗎?

Munzel:是的,在11年後的今天它仍在量產中。這也是汽車產業的一項特性:你必須在先期花費許多時間來製造出成本極低的可靠性元件,而一旦證明該元件適合汽車使用,你就可以持續生產多年。事實上,你也必須不斷地生產,因為汽車的壽命期很長。

你們在何時開始研究表面微機械加工呢?

Munzel:在1992年,不過那時候的先進表面機械加工製程仍無法進量產。

這也是你們發明專有DRIE技術的時候嗎?

Munzel:是的,我們從那時起開始DRIE的研發。當時其他的MEMS供應商使用非常薄的多晶層,但這種多晶層因為太薄而對應力過於敏感。而要從其週圍的犧牲材料(sacrificial material)釋放機械結構的過程,則使其無法進行大量生產。

因此,我們的第一項發明是磊晶多晶矽(epi poly)和DRIE製程,它能幫助我們建立垂直於表面,並具有可變幾何尺寸的結構。然後我們發明了使用乾氫氟酸(HF)製程的釋放過程,這是另一次的技術突破。這種釋放過程比當時我們的競爭對手要簡單得多。

最後,我們發明了晶圓級封裝技術,這種技術非常穩定,使我們能用較低廉的塑膠封裝來裝配並封裝我們的MEMS晶片。

第一個使用DRIE的MEMS元件是什麼?

Munzel:它是全球首款採用塑膠封裝的加速計,與當時採用非常昂貴的陶瓷和金屬封裝的加速計相較,極具成本優勢。由於我們研發出的深厚MEMS結構非常穩定,因此我們的表面微機械加工MEMS晶片也具有極高的可靠性優勢。

這種技術持續發展到今天。2005年,我們在汽車應用中的MEMS感測器超越了1億顆大關。

所以你們所有的感測器都使用了DRIE製程嗎?

Munzel:我們所有的慣性感測器--加速計和陀螺儀都使用了磊晶多晶矽以及乾蝕刻和晶圓封裝製程。對於壓力感測器而言,我們必須為這種製程形成一個薄膜。過去我們用的是體微機械加工,但在未來我們將使用基於多孔矽製程的表面微機械加工技術。

為什麼成立Bosch Sensortec公司呢?

Munzel:因為我們看到了對於非汽車MEMS感測器應用領域的潛在需求。對於消費性產品來說,你接近用戶的方法、出貨的時機選擇以及感測器產品本身都有著不同的要求,因此我們成立了Bosch Sensostec公司以服務這些新市場。我們的車用感測器產品線仍然保留在Bosch公司負責引領MEMS開發的汽車電子事業部。

Frank Melzer:Bosch Sensortec成立於2005年,它一直與Bosch的汽車電子事業部保持著密切合作關係。我們依賴Bosch公司在產品開發和量產方面的核心技術與經驗。但我們的市場所要求的開發時間和產品壽命週期比較短,為了以最快的方式使我們的組織符合新市場的要求,我們成立了獨立運作的Bosch Sensortec公司。

Bosch Sensortec公司所製造的MEMS元件有哪些?

Melzer:目前為止,我們有加速計和壓力感測器。

這些產品與Bosch的汽車加速計和壓力感測器採用的是相同的設計嗎?

Melzer:不是的,它們是全新的產品,但它們在相同的技術平台上執行,也在相同的晶圓廠中製造。我們為消費產品採用特殊的設計;例如,我們的SMB380加速感測器具有更低的功耗(約200mA),尺寸也比任何汽車感測器更小(約3x3x0.9mm)。

為什麼你們將諧振器業務授權給SiTime公司?

Melzer:我們一直在為下一代MEMS元件尋求新的應用領域,其中一個想法是為諧振器貢獻一些技術資源。而這正是SiTime一直在做的事。

SiTime公司獲得的是獨家授權嗎?

Melzer:是的,但也附帶一些限制條件。

你們擁有SiTime公司的股權嗎?

Melzer:是的,因為我們也是SiTime公司的投資者。

Bosch公司是否打算開發自己的諧振器?

Melzer:不會的,諧振器將只由SiTime公司來開發。

未來計劃開發什麼樣的新型MEMS元件?

Munzel:針對汽車應用,我們正開發一款晶片功能相當複雜的胎壓感測器。它包含一個完整的射頻發射器和一個低頻的收發器,而且它必須具有很低的功耗。這種元件必須在輪胎中至少用上十年的時間而不用更換電池。

我承認我們進入該市場的時機已經晚了,但我們擁有優質的設計,以及在壓力感測器製造方面的豐富經驗,同時,我們的用戶也熱切盼望取得這樣的產品。

它是一款單晶片解決方案嗎?

Munzel:它採用的是單封裝,兩個晶片。

你們如何保護感測器免受輪胎內惡劣環境的影響?

Munzel:我們在保護感測器中的MEMS電路方面有著豐富的經驗,我們至今已經製造了4,000萬個壓力感測器,用於引擎管理、乘客安全系統和排廢應用。這些應用場合都具有嚴苛環境和高侵蝕的可能性。

目前還有其他正在開發中的MEMS感測器類型嗎?

Mnuzel:這裡我只舉一個例子,我們正在開發二氧化碳(CO2)感測器,它可以測量環境溫度和微弱至300ppm時的CO2濃度。現已有樣品可提供。

這種感測器可應用在什麼地方?

Munzel:汽車製造商可以用這種感測器來最佳化汽車空調系統的能耗。

Bosch公司已擁有用於檢測汽車翻滾的MEMS陀螺儀,但是否計劃開發用於消費市場的MEMS陀螺儀呢?

Melzer:大家都對陀螺儀很感興趣,但陀螺儀目前仍存在著裸晶較大、高成本和高功耗等缺點,因此還無法被消費市場所接受。大多數的應用實際上並不需要陀螺儀,三維加速感測器就完全可以應付了。

你認為用於消費電子領域的MEMS感測器未來發展如何?

Melzer:未來的MEMS元件將包含具有豐富功能的感測器,以及性價比更好的感測器。

Frank MelzerFrank Melzer

現任Bosch Sensortec公司總經理兼執行長

曾任Robert Bosch公司在德國、美國和西班牙的技術與管理等多職

德國斯圖加特大學機械工程博士、加拿大多倫多大學Rotman管理學院MBA

Horst MunzelHorst Munzel

Robert Bosch GmbH公司感測器工程副總裁

曾任Darmstadt E.Merk光阻材料研發小組領導人

曾任Robert Bosch公司微機械加工技術部門負責人、感測器技術總監

曾任Robert Bosch公司(澳洲墨爾本)功率二極體微型工廠經理

德國Rhine-Westphalian科技大學半導體物理碩士、Darmstadt工科大學博士

羅克鈴




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