近年來MEMS技術所引發的漣漪，正迅速瞄準物聯網（IoT）應用。SEMI（國際半導體產業協會）近期於歐洲的MEMS高峰會訂在9月17、18兩天於義大利的米蘭舉行。半導體科技雜誌 (SST) 訪問了幾位高峰會中的指導委員，希望藉此瞭解全球MEMS的產業發展；本文之相關回應來分別自於以下幾位專家學者：

• Stefan Finkbeiner，Bosch Sensortec公司的執行長。
  
• Benedetto Vigna，Analog MEMS公司和感測器團隊的執行副總裁兼STMicroelectronics 的總經理。 
  
• Christophe Zinck，ASE團隊的資深工程應用經理。 
  
• Eric Mounier，Yole Developpement的MEMS資深分析師。
  
• Martina Vogel，Fraunhofer ENAS的研究所所長。
  
• Yann Guillou，SEMI歐洲辦公室的事業發展經理兼MEMS高階活動經理。

問題1：你在MEMS產業中、以及它們的應用看到什麼重要的趨勢和挑戰？特別是目前最夯的IoT產業。

「MEMS感測器於IoT市場的應用（如穿戴式、智慧家庭等）將會需要更小的感測器體積，同時能進一步感測更多的資訊，並且還要更省電，如同智慧型手機一樣」，Stefan Finkbeiner博士，Bosch Sensortec的CEO如是說。「也因如此，感測器領域的應用將會獲得更多的關注，感測器的加值必將從方便變成設計價值的產品」他表示。

Finkbeiner表示，他在氣體偵測器上看到了很大的市場需求力道，例如Bosch公司生產的室內空氣品質監測器BME680。「顯而易見的，該市場趨勢是於智慧型手機上置入IoT的概念，就像是智慧家庭的例子一樣。」他說道。

另外，Fraunhofer ENAS的研究所所長Martina Vogel說：「我們看到MEMS應用幾乎存在於我們生活中的每個地方—在我們的家中、我們的車上、我們工作的場所 — 以及其他我們沒有注意到的地方。儘管這個低調的、微系統的元件正在快速的發展中，在最近二十幾年來，從最小化單一功能的系統進而進步到複合元件系統的整合上，從我們的觀點來看，我們稱此複合的整合系統為智慧整合系統」。 

從效能的觀點來看，我們區隔了兩個不同世代的智慧系統。第一和第二世代導入了各式各樣的應用。第一個世代的智慧系統包含了數種的組合，無論是針對元件連接到單一基板上，或是印刷電路板上。這些元件都是可商品化被使用於醫療應用上的，如助聽器和心律調整器；除此之外，還有車輛上的應用，如安全氣囊系統。而第二代智慧系統最為人所知的例子是促成智慧型手機的普及，這看起來是最偉大的商品化成果。

第三世代的智慧系統主要是指自動智慧技術系統或是包含擁有進階功能的次系統，如調節、數據處理、資訊/通訊等功能。因此這些系統不僅做感測，同時還可做診斷、描述和管理所獲得的相關資料。它們擁有高度的信賴性以及可符合並促進未來的使用需求，無論在搭配上、個別的、或是與其他的配合上都是適合的。以上的這些智慧系統都將會作為物聯網的硬體基礎。

從技術的觀點來看，Vogel說這些系統「並不會受到矽基技術的限制，且還可整合以聚合物為基底的技術、印刷技術（如：印刷天線、印刷感測器、顯示器或電池等）、不同的奈米技術（如旋轉元件、奈米碳管基底元件或是基底元件結合奈米顆粒等）甚至還有刺繡技術用的感測器等」。

Analog MEMS公司的執行副總裁暨STMicroelectronics感測器團隊的總經理Benedetto Vigna說：「下一波MEMS的發展正朝向制動器的方向走，這一波波漣漪的產生主要是從這些美麗的小型機械元件所建構而成的，它們很快的對準到朝向IoT的領域發展。我們開始看到許多新的應用，如微小反射元件可使得人們更方便的與科技互動，更小、更快速的智慧型手機自動對焦解決方案、和新型的3D印表機噴頭—而這些一切都只是開始而已」。

Christophe Zinck，ASE團隊的資深工程應用經理表示：「未來的大趨勢與挑戰有「形成因素(特別高)、共整合性（使用於不同模組的彈性）／SiP（系統封裝，當然也包含與不同無線通訊標準的整合性）、電源損耗、當然，最重要的還是價格」。

Eric Mounier，Yole Developpement的MEMS資深分析師則說：「對我們來說，MEMS只是一個技術包含其他回應IoT感測器需求的元件而已。的確，IoT的感測器需求包羅萬象：有內部感測器、化學感測器、壓力感測器、光感測器…任何物理需求都有」。
Mournier指出物聯網應用所需的感測器有以下幾種需求：

• 低電源損耗（因為要整合在無線通訊系統的電源供應模組上）
  
• 小型化（因為需要做成小型的無線感測器）
  
• 低成本（因應IoT產業的大幅成長需求，需要低成本的感測器）
  時至今日，數種感應器的解決方案存在於不同的領域中（如慣性感應器於智慧型手機的例子），但是還有諸多強大的挑戰需要去克服：
  
• 新感應器解決方案（如MEMS 化學感應器等）。
  
• 低成本、高整合解決方案（如3D 堆疊等）。
  
• 標準化；IoT是累積了數千種不同的應用結合而成的，且需要低成本、但又在有限的體積下。基於開發成本的考量，是不可能開發一款只有單一功能的感應器的。

Mournier說：「我非常有信心MEMS將會廣泛的應用於IoT中，尤其是氣體／化學的感應上。相較於其他技術，MEMS技術於氣體偵測器上擁有很多的優勢：可降低50%以上的體積以及成本，或CMOS放大技術等」。「在微型化與成本的驅動下擁有更多消費性與產業的應用，如此為新技術開啟了一條新的道路，如MEMS」。

問題2：感應器的合成是個有趣的問題，最終的元件可能有多重的感應功能整合於一身，如能量收集、薄膜電池、微處理器／ASIC、無線通訊能力…等。這樣的目標離我們多遠？最大的挑戰為何？它需要花費多少成本？整合性如何？封裝方式？關鍵成形因素？什麼又是領先的應用呢？

ST的 Vigna 說「我們已經準備好感應器的整合之路，其包含了多重感應器的整合，有薄膜電池、微處理器/ASIC、無線通訊能力等。這兩個技術的挑戰分別是低能量射頻與高效率（能量）收集器。

Finkbeiner說Bosch Sensortec公司已經提供一個領先的邊緣感測器融合SW，整合了9軸的多重感測器元件，其主要是由ARM µController所提供的。「此單一封裝元件-BNO055-已經符合且明確的對應到動作感測和旋轉偵測的應用於物聯網的市場上。能量收集和薄膜電池或許還是個遙不可及的目標，對於提供足夠的能源在特定的情境且夠小的尺寸上而言，仍有許多該領域的研究需要去克服。至於挑戰？沒錯，成本／價格一直都是主要的問題；小尺寸也是個重要的議題，他允許較小的成形因子和更好的放置彈性」。

Fraunhofer's Vogel說，在ECSEL仍有許多工作需要去完成，尤其是EPoSS。「EPoSS產業驅使歐洲的平台在智慧型系統整合的領域中投入研究超過10年以上」她說。「其中最大的挑戰，從技術的觀點來看，當然是封裝和整合，但是對於如巨量資料的掌控以及網路資料的安全上仍有待解決」。

Vogel說市場報告指出IoT未來的兩個趨勢：
(1) 印刷電路系統將可達到-低成本感測器。印刷科技，如卷對卷（R2R）適用於非常大面積以及低成本。同時預期一次性的元件擁有較短的使用壽命。
(2) 感應器於無機物的感應上。元件將會擁有完全的整合性於感應器、製程RF、能量收集於單一微小晶片上(<1mm2)。

ASE公司的Zinck說他覺得這件事並沒離我們這麼遙遠，「但這些感應合成是十分明確的，且目前的模組常常使用傳統的ASIC、MEMS…等。下一個巨大的挑戰是共整合的挑戰，未來的市場將會需要剛好且適用的晶片；除此之外，小且有效的SiP並不會那麼容易就符合需求，除非你能混和最佳解決方案適用於市場的需求。(當然，就是效能和成本)。

Zinck說，目前也有許多挑戰如封裝、其中必須包含間隔物以避免元件、天線（特別是穿戴式）等元件於封裝和測試時受影響。

問題3：我們聽到很多關於穿戴式及醫療的應用，但關於智慧家庭、智慧城市、智慧電網，以及無人駕駛車的發展呢？

Vigna說：「目前已經有許多MEMS的應用在智慧環境、智慧駕駛和智慧物流上，我們已經擁有許多客戶使用ST MEMS、MCU、類比、電源以及連接產品於智慧恆溫系統、智慧照明、智慧計量、和智慧駕駛應用等。若你覺得這些聽起來還不夠，我想這是因為穿戴式和醫療的應用感覺比較性感罷了」。

Finkbeiner說：「關於感應器於其他IoT市場的應用如智慧家庭、智慧電網等都已經廣泛的被應用或已經在開發中…至於在現今的環境建構中，還有什麼不足，意思是更上一層的整合，就是將廣大的感測數據蒐集和整合，同時將它們放上雲端。舉例來說，這將會需要一個標準的作業方式，如何將感測數據置於更高或更簡要的層次，這都要依靠MEMS感應器供應者所提供的範疇。在Bosch公司我們建立了Bosch Connected Devices & Solutions的事業單位，該單位主要是針對我們的MEMS感應器開發完整的解決方案」。

Vogel表示：「在數年前，Frost和Sullivan指出智慧是新的綠色科技，也就是『智慧地球』概念，事實上，更進一步的應用是指新世代的網絡和資訊技術。智慧城市即將降臨全球，全球化的概念於智慧生產上逐漸在發展。物聯網IoT包含智慧電網、智慧健康、智慧城市、智慧建築、智慧家庭、智慧生產以及智慧移動…等，不僅提供廣大的機會，同時也帶來硬體端的高度整合智慧系統。數以萬計的連接器需求將會促使產業迅速的成長。電子元件和系統將是無所不在的關鍵應用技術，衝擊所有產業鏈以及幾乎生活的所有需求」。

Zinck說：「穿戴式和醫療用是驅動SiP發展低能耗最重要的關鍵因子，特別是在低成本的必須考量下。智慧家庭、智慧城市…等均使用了許多MEMS和感應器，但挑戰並不全然一樣；有一些是類似的，特別是智慧家庭（低耗能、無線通訊模組等）」。

汽車是另一個不同的議題，Zinck表示，「我們所看到的趨勢無疑是朝小型化發展，但這意味者我們必須要將原本含鉛的封裝方式改成無鉛，明確的技術發展像是可攜式的側面QFN。同時關於汽車擁有以下兩種類別需要明確區隔：

(1)  非安全性的應用（如同資訊娛樂）：基本上類似的趨勢如同消費者用的MEMS、搭配更多的感測器於一身（如電話、壓力等）。
(2) 安全性應用：非常強大的功能將會被使用，但是部分「智慧化SiP」已經準備好應用於如QFN 7x7 TPMS（它的特色是加速度計+ASIC+壓力感應）。

本文獲亞格數位授權刊登
原文請參閱《半導體科技雜誌 SST-AP Taiwan》
【本文僅反映專家作者意見，不代表本報立場。】

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