許多行業(yè)專家們認(rèn)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(huì)是怎么樣，那一刻遲早會(huì)來(lái)。MEMS器件，尤其是壓電MEMS，在2015年也許將迎來(lái)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(biāo)準(zhǔn)制造過(guò)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(gè)十分健全的器件，在此基礎(chǔ)上擴(kuò)展也相對(duì)簡(jiǎn)單。摩爾時(shí)代以來(lái)，光刻源已經(jīng)從可見(jiàn)光到極端的紫外線，單一模式代替了多重圖像，浸沒(méi)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(shí)間比摩爾當(dāng)初的設(shè)想更加長(zhǎng)遠(yuǎn)，但每個(gè)晶體管的成本不再下降。

MEMS器件的瓶頸

微機(jī)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(jī)電系統(tǒng)直接與現(xiàn)實(shí)世界的互動(dòng)。一些最常見(jiàn)的應(yīng)用包括加速度計(jì)、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(shí)是能量轉(zhuǎn)換器：他們收集機(jī)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(rèn)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(shí)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(chǔ)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(guò)靜電感應(yīng)有時(shí)被稱為電容轉(zhuǎn)導(dǎo)。在靜電器件中，移動(dòng)機(jī)械結(jié)構(gòu)形成一個(gè)空氣電容器的一部分。能量轉(zhuǎn)換的效率是由這個(gè)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(dòng)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(huì)提高性能，但這就產(chǎn)生了另一個(gè)一直困擾靜電MEMS問(wèn)題——靜摩擦。如果極板太近，他們會(huì)粘住，可能永遠(yuǎn)不會(huì)產(chǎn)生分開(kāi)。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(jī)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(shí)，其內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時(shí)在它的兩個(gè)相對(duì)表面上出現(xiàn)正負(fù)相反的電荷。

常見(jiàn)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(zhǎng)高純度晶棒，然后切成薄片進(jìn)行處理。這一過(guò)程并不適合先進(jìn)的MEMS加工，許多材料更會(huì)污染標(biāo)準(zhǔn)CMOS集成電路生產(chǎn)過(guò)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(jìn)了壓電MEMS產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

AlN有許多優(yōu)點(diǎn)：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(shì)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?？煽俊?/p>

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(jī)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(jìn)入加速商業(yè)化，因?yàn)橹圃鞓I(yè)基礎(chǔ)設(shè)施現(xiàn)在能大量生產(chǎn)壓電MEMS。一個(gè)有趣的優(yōu)勢(shì)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(lái)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(dòng)，壓電式MEMS尺寸減少是由高質(zhì)量壓電薄膜驅(qū)動(dòng)。當(dāng)前壓電薄膜通常是1微米左右，但研究人員正在生長(zhǎng)不到25nm厚的薄膜。只要壓電系數(shù)不減少，膜層越薄，信號(hào)生成越多，換能表現(xiàn)越好。由此相對(duì)容易看出，壓電MEMS器件幾何圖形在幾年內(nèi)可以縮小超過(guò)一個(gè)數(shù)量級(jí)。

一旦MEMS制造行業(yè)看到壓電MEMS體積減小，將會(huì)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(kuò)展。

如果壓電MEMS可實(shí)現(xiàn)摩爾的神奇的組合預(yù)測(cè)，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(jí)減少M(fèi)EMS傳感器的尺寸和成本還很久遠(yuǎn)。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(kuò)展，及其廣泛的經(jīng)濟(jì)效益，也許會(huì)重生。
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