許多行業(yè)專家們認為，即使線寬仍然在縮小，摩爾定律卻很難繼續(xù)降低成本。很難想象，當(dāng)處理器的處理能力不能逐年增加的世界將會是怎么樣，那一刻遲早會來。MEMS器件，尤其是壓電MEMS，在2015年也許將迎來屬于它的摩爾定律。

集成電路的摩爾定律

1959年，仙童半導(dǎo)體的Jean Hoerni發(fā)明了平面晶體管， 行業(yè)先驅(qū)、飛兆半導(dǎo)體公司和英特爾的創(chuàng)始人羅伯特·諾伊斯和戈登·摩爾，引領(lǐng)了這種器件的商業(yè)化，而其定義的集成電路標準制造過程一直持續(xù)到2012年英特爾FinFET的商業(yè)化。

平面晶體管的迷人之處在于它是一個十分健全的器件，在此基礎(chǔ)上擴展也相對簡單。摩爾時代以來，光刻源已經(jīng)從可見光到極端的紫外線，單一模式代替了多重圖像，浸沒式光刻技術(shù)已成為家常便飯，3d FinFets已經(jīng)取代了2d平面晶體管。所有的這些努力讓摩爾定律發(fā)展時間比摩爾當(dāng)初的設(shè)想更加長遠，但每個晶體管的成本不再下降。

MEMS器件的瓶頸

微機電系統(tǒng)（MEMS）是使用類似于用于集成電路制造的微型器件。與經(jīng)典的集成電路相比，后者只在電子領(lǐng)域，MEMS器件卻是機電系統(tǒng)直接與現(xiàn)實世界的互動。一些最常見的應(yīng)用包括加速度計、陀螺儀、麥克風(fēng)、壓力傳感器、振蕩器、能源收集器和射頻濾波器。

所有這些MEMS器件的核心其實是能量轉(zhuǎn)換器：他們收集機械或化學(xué)能量并將其轉(zhuǎn)換成電能，并像集成電路一樣處理信息。也許可以認為MEMS器件是一種信息，而不是能源、傳感器、陀螺儀或麥克風(fēng)。例如，從真實的物理世界獲取信息并轉(zhuǎn)換成以電為代表的信息可以由集成電路處理，存儲在數(shù)字媒體或傳輸數(shù)據(jù)。

傳統(tǒng)上，這種轉(zhuǎn)換是通過靜電感應(yīng)有時被稱為電容轉(zhuǎn)導(dǎo)。在靜電器件中，移動機械結(jié)構(gòu)形成一個空氣電容器的一部分。能量轉(zhuǎn)換的效率是由這個電容器的特性決定的，表面積越大、越接近電容板、轉(zhuǎn)換效率越高。這就是為什么許多靜電MEMS器件擁有大量的梳齒驅(qū)動陣列，以最大化電容極板的表面積。

減少極板之間的距離也會提高性能，但這就產(chǎn)生了另一個一直困擾靜電MEMS問題——靜摩擦。如果極板太近，他們會粘住，可能永遠不會產(chǎn)生分開。靜電能量轉(zhuǎn)換的物理特性死死的限制了MEMS器件的尺寸、性能、成本和可靠性。

另一種思路

壓電是另一種可選的MEMS換能機制。壓電效應(yīng)是某些電介質(zhì)在沿一定方向上受到外力的作用而變形時，其內(nèi)部會產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時在它的兩個相對表面上出現(xiàn)正負相反的電荷。

常見的工業(yè)壓電材料包括鉛鋯鉭鐵礦（鈦、鈮酸鋰、鉭酸鋰、氮化鋁和石英。傳統(tǒng)上，壓電材料很難生產(chǎn)，通常需要數(shù)周或數(shù)月的生長高純度晶棒，然后切成薄片進行處理。這一過程并不適合先進的MEMS加工，許多材料更會污染標準CMOS集成電路生產(chǎn)過程。

壓電式MEMS的突破發(fā)生在射頻濾波器制造商率先使用濺射的氮化鋁薄膜制造FBAR和BAW型諧振器。AlN射頻濾波器已經(jīng)有了十分成功的產(chǎn)品，例如Avago和Qorvo（前TriQuint），大大推進了壓電MEMS產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

AlN有許多優(yōu)點：它與CMOS兼容；它可以使用低成本的濺射沉積工藝；它很容易腐蝕而且有優(yōu)秀的力學(xué)性能。許多學(xué)術(shù)研究中心研究AlN十多年，目前，幾大MEMS代工廠均能生產(chǎn)高質(zhì)量的濺射AlN薄膜。

壓電式MEMS設(shè)備使用壓電效應(yīng)而非靜電力，這是其關(guān)鍵優(yōu)勢所在。壓電式MEMS將不使用空氣電容器，因此可以免受靜摩擦，非常可靠。

唯一限制壓電性能的是壓電薄膜本身的質(zhì)量，主要控制壓電系數(shù)如何有效地機械應(yīng)變力轉(zhuǎn)換成電荷。在許多情況下，壓電轉(zhuǎn)換比靜電更有效率。

壓電MEMS器件正在進入加速商業(yè)化，因為制造業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施現(xiàn)在能大量生產(chǎn)壓電MEMS。一個有趣的優(yōu)勢在于：壓電MEMS比靜電不僅僅是性能和可靠性，而且有潛力在未來幾十年指數(shù)降低MEMS器件的尺寸和成本。正如晶體管成本降低是由門線寬驅(qū)動，壓電式MEMS尺寸減少是由高質(zhì)量壓電薄膜驅(qū)動。當(dāng)前壓電薄膜通常是1微米左右，但研究人員正在生長不到25nm厚的薄膜。只要壓電系數(shù)不減少，膜層越薄，信號生成越多，換能表現(xiàn)越好。由此相對容易看出，壓電MEMS器件幾何圖形在幾年內(nèi)可以縮小超過一個數(shù)量級。

一旦MEMS制造行業(yè)看到壓電MEMS體積減小，將會有更多的投資在更薄、壓電系數(shù)更高的壓電薄膜上，MEMS將享受摩爾定律式的成本、大小和性能擴展。

如果壓電MEMS可實現(xiàn)摩爾的神奇的組合預(yù)測，既減少尺寸、提升性能，又能降低成本，潛在收益將是巨大的。然而，有一件事是肯定的，指數(shù)級減少MEMS傳感器的尺寸和成本還很久遠。如今不幸的摩爾定律即將終結(jié)，不幸之中有一些安慰——摩爾式的技術(shù)擴展，及其廣泛的經(jīng)濟效益，也許會重生。
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