傳感器已無處不在，當前MEMS（微機電系統）產品的出貨量超過數百億顆，整個市場價值高達一百多億美元。然而，這個行業存在著一個巨大的問題，制約其市場規模無法快速發展到數萬億美元。每種類型的MEMS傳感器的設計與製造都必須採用專門的製造工藝，這種工藝可能需要五到七年的時間“磨合”才能實現批量生產，從而投放市場。而且產量很難擴大，除非建設第二條相同的生產線。由於每種工藝都是獨一無二的，因此很難產生像IC那樣的規模經濟效益。
上述瓶頸阻礙了物聯網在任何地方都擁有智能傳感器節點的願景，因為採用目前的MEMS製造技術，無法制造出數萬億個傳感器節點。據麥姆斯諮詢報道，為了解決瓶頸問題，英國的一家電子公司Nanusens採用一種新的方法——利用製造絕大多數IC芯片的CMOS標準生產工藝來製造MEMS傳感器。由於世界上所有主要的半導體晶圓代工廠都採用CMOS工藝，因此傳感器的產量將不再受限制。
目前，MEMS傳感器主要由兩種芯片組成：一種是製作在硅片表面的帶有活動部件的MEMS芯片，另一種是含有所有控制電路的ASIC芯片。後者可以很容易使用標準CMOS工藝來製造，但前者帶有微小的活動機械部件的芯片需要特殊工藝加工，這也是制約其產量快速增長的主要因素。
Nanusens的解決方案是通過縮小MEMS芯片，使其可以在ASIC芯片的圖層中一起形成，從而可以將兩種芯片製造/集成於同一顆芯片。MEMS結構可由金屬層構成，其製作方式與普通的CMOS芯片金屬層工藝相同。然後通過蝕刻去除周圍的二氧化硅來釋放這種結構，使其能夠自由移動。
圖1 Nanusens通過縮小MEMS結構，在CMOS層內創建納米傳感器
理論聽起來簡單，但實際上，金屬MEMS結構在釋放時，會因金屬中的應力而扭曲，且這個問題只存在於金屬的釋放過程中。因為CMOS工藝從未以這種方式釋放金屬層。Nanusens的團隊花了數年時間來研究和完善MEMS結構，使這些結構在釋放後保持穩定。Nanusens為這些設計申請了發明專利，以防止其他人抄襲他們的“MEMS-within-CMOS”突破性技術。
Nanusens製造的MEMS結構比目前的MEMS結構尺寸小十倍，有效地將它們從微米級帶入納米級，使其成為NEMS（納米機電系統）。其中一款NEMS運動傳感器結構的尺寸僅為100 x 150平方微米，佔芯片面積不到10%，其餘部分為ASIC。
圖2 MEMS傳感器的芯片佈局，其中NEMS結構部分用紅框標註
最開始，Nanusens只製造含有一種感測類型的器件，比如二維（2D）運動傳感器。然而，隨著傳感器結構變得非常小，由於可以採用相同的工藝方法，把幾種不同類型的傳感器結構製造在同一芯片上將變得很容易。還有一個額外的好處，由於ASIC部分可以被重複使用，芯片的總體尺寸只會隨著傳感器結構的增加而稍微增加。
因此，Nanusens通過使用標準的CMOS製造工藝，同時解決了成本的限制因素（規模經濟可以降低價格）和批量生產（現在它們可以在任何工廠生產），從而解決了MEMS傳感器產量增長的瓶頸。
此外，這種新型NEMS傳感器技術還有其它優勢。最終產品的封裝尺寸比目前同類產品小得多。主流的MEMS傳感器設計需要兩顆芯片，封裝後的體積約為4立方毫米。Nanusens的NEMS傳感器只含有一顆芯片，因此封裝體積要小得多，體積僅為1立方毫米。在空間有限的應用中，節省出3立方毫米顯得非常彌足珍貴，這就是為什麼該公司將耳機定為第一個目標市場的原因。
使用NEMS傳感器可以解決耳機的兩個問題。首先是電池壽命，因為耳機很小的外形尺寸意味著電池要很小。如果每個傳感器可以節約3立方毫米的空間，可以替換更大的電池以獲得更長的收聽體驗。當多個傳感器組合成一個Nanusens的NEMS傳感器時，可節省的空間就會更大。
圖3 耳機的X射線圖像顯示了封裝體內各元件的密集程度
另一個問題是，設計人員希望將越來越多的傳感器集成到耳機中，但卻遇到無法將它們再裝入狹小空間的問題。使用NEMS傳感器可解決這個障礙，它允許在耳機中添加更多的傳感器，用來檢測耳機何時可以待機或關閉，以節省電力，從而改善電池的使用壽命。例如，運動傳感器可探測耳機是否佩戴，而溫度傳感器則可判斷它們是在耳朵裡，還是在口袋裡。
“如果MEMS對你而言還不夠小，那麼NEMS應該可以滿足了。”Strategy Analytics手機組件技術服務總監Stuart Robinson說，“Nanusens已將MEMS技術推向了下一個更小的水平階段，利用CMOS工藝開發納米傳感器，使NEMS芯片與ASIC芯片在一顆芯片中。對於某些應用來說，這並不是什麼大問題，但對於融合了多種傳感器的小型設備而言它卻是顛覆者，比如集成了加速度計、陀螺儀、壓力傳感器和溫溼度傳感器的小型可穿戴設備。傳感器縮小所節省的空間為其它組件留出了更多的空間，例如更大的電池。在這些設備中，‘寸土寸金’，每一個立方毫米都很重要，因此，Nanusens的技術將成為贏家。”
圖4 使用Nanusens的NEMS傳感器可以釋放耳機內的空間，以獲得更大的電池和更多的傳感器
縮小MEMS傳感器還有另一個好處。主流MEMS結構的特徵尺寸大於1微米，而NEMS結構為0.3微米，因為它們採用的製造工藝節點在0.18微米。這意味著NEMS結構能夠更好地承受衝擊力，這對於經常掉落的可穿戴設備非常重要。NEMS具有更高的可靠性是因為在NEMS中的負載質量塊遠小於在MEMS中的負載質量塊，在同等衝擊條件下質量越小所受到的損壞就越小。負載質量塊懸浮在彈簧上，可以通過電容的變化來檢測負載質量塊的運動變化。另外，較小的結構不易受短程力的影響，比如範德華力，它會引起表面黏附，阻礙部件的運動。
Nanusens已經驗證了其技術的可製造性， Nanusens特意將許多原型樣品由不同代工廠進行加工，以證明代工廠的工藝獨立性。為驗證在大多數NEMS設計中的納米彈簧是可靠的，其納米開關已經成功地進行了超過4千萬次的運動測試。
2019年9月Nanusens將推出2D運動傳感器的首批樣品，並在2019年晚些時候推出骨傳導傳感器。由於各類傳感器的基本結構非常相似，製造工藝也相同，Nanusens將於2020年推出多種不同感測功能的NEMS傳感器，以及基於單芯片解決方案的多傳感器組合產品。
Nanusens由Josep Montanya博士、Marc Llamas博士和Daniel Fernandez博士於2014年創立，公司總部位於英國倫敦，在西班牙巴塞羅那和中國深圳設有研發辦事處。
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