什么是MEMS（微機(jī)電系統(tǒng)）傳感器？

什么是MEMS（微機(jī)電系統(tǒng)）傳感器？記者在蘇州敏芯微電子技術(shù)股份有限公司（以下簡稱“敏芯股份”）里感受到了它的神奇。在一間混合著各類噪聲的房間里，僅需說一句口令，“沉睡”的智能音箱就會(huì)立刻被“喚醒”，發(fā)出接受指令提示。

“MEMS聲學(xué)傳感器的出現(xiàn)，讓音箱不再只能單純播放音樂，而是成為可以與人互動(dòng)的智能終端?！泵粜竟煞輨?chuàng)始人、總裁李剛介紹，MEMS傳感器是利用半導(dǎo)體制造技術(shù)，在硅片上制造能夠采集外界信號(hào)的微電子機(jī)械系統(tǒng)，憑借微型化、低功耗、高可靠性等特性，廣泛應(yīng)用于消費(fèi)電子、汽車電子、醫(yī)療等領(lǐng)域。

在敏芯股份掛滿專利證書的產(chǎn)品展廳，記者看到，適用于無線藍(lán)牙耳機(jī)的MEMS麥克風(fēng)傳感器只有芝麻粒大小。

“我們的MEMS傳感器芯片累計(jì)出貨量達(dá)10億顆?！崩顒傉f，作為國內(nèi)最早的MEMS企業(yè)之一，敏芯股份通過15年持續(xù)研發(fā)投入，完成了MEMS產(chǎn)品芯片設(shè)計(jì)、晶圓制造、封測(cè)封裝環(huán)節(jié)的基礎(chǔ)研發(fā)和核心技術(shù)積累，實(shí)現(xiàn)了MEMS傳感器全生產(chǎn)環(huán)節(jié)自主可控。

拓展細(xì)分市場(chǎng)

MEMS聲學(xué)傳感器誕生于20世紀(jì)初期，當(dāng)時(shí)正在北京大學(xué)微電子專業(yè)學(xué)習(xí)MEMS技術(shù)的李剛對(duì)此產(chǎn)生了極大興趣。2007年，李剛帶領(lǐng)創(chuàng)業(yè)團(tuán)隊(duì)開發(fā)的MEMS傳感器創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目獲評(píng)蘇州工業(yè)園區(qū)第一屆科技領(lǐng)軍人才項(xiàng)目，同年籌備成立敏芯公司。

李剛說，那時(shí)候，智能手機(jī)興起，人們對(duì)手機(jī)功能的要求逐漸增多，除了能清晰通話，還要能錄音、攝像等，傳統(tǒng)的麥克風(fēng)已不能滿足用戶需求，MEMS傳感器成為市場(chǎng)“新寵”。敏芯股份敏銳地覺察到這一市場(chǎng)前景，決定進(jìn)行產(chǎn)品開發(fā)。

但敏芯股份的啟航之路并不順暢?！爱?dāng)我們帶著設(shè)計(jì)思路尋找產(chǎn)品研發(fā)平臺(tái)和產(chǎn)業(yè)供應(yīng)鏈時(shí)，卻連吃閉門羹?！崩顒傉f，因?yàn)镸EMS傳感器在三維空間里設(shè)計(jì)和構(gòu)架芯片，產(chǎn)量不大、工藝特殊，因此當(dāng)時(shí)國內(nèi)綜合型半導(dǎo)體企業(yè)不愿意投入生產(chǎn)。

敏芯股份一邊在行業(yè)內(nèi)挨家上門推介研發(fā)理念，一邊靠設(shè)計(jì)芯片維持生存。2008年，敏芯股份研發(fā)團(tuán)隊(duì)獲得了中國科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所的幫助，在其研發(fā)平臺(tái)上生產(chǎn)出第一批MEMS聲學(xué)傳感器芯片。

李剛坦言，實(shí)驗(yàn)室樣品與量產(chǎn)工業(yè)品之間的差距不僅是數(shù)量，還有產(chǎn)品的質(zhì)量和穩(wěn)定的性能。

“我們最初的產(chǎn)品良品率只有30%，亟需通過量產(chǎn)進(jìn)行工藝修正?！崩顒傉f，當(dāng)時(shí)正逢國家把新型電子元器件列入高技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展項(xiàng)目，在政策和資金上給予大力支持，國內(nèi)一些半導(dǎo)體生產(chǎn)企業(yè)才把目光轉(zhuǎn)向MEMS傳感器的生產(chǎn)上。

隨后，華潤上華科技有限公司投資建設(shè)了MEMS傳感器生產(chǎn)線，與敏芯股份合作?！?家企業(yè)都組建了精銳團(tuán)隊(duì)，研發(fā)人員幾乎天天泡在生產(chǎn)線上，看測(cè)試結(jié)果、修正工藝和參數(shù)，以不服輸?shù)膭蓬^攻克了難關(guān)?！泵粜竟煞菅邪l(fā)總監(jiān)孫愷說，2012年，公司第一款使用自主研發(fā)芯片的MEMS聲學(xué)傳感器實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，因?yàn)橘|(zhì)量過硬，很快在市場(chǎng)上占據(jù)了一席之地。

目前，敏芯股份已成為多家知名品牌MEMS聲學(xué)傳感器供應(yīng)商，產(chǎn)品應(yīng)用于智能手機(jī)、平板電腦、可穿戴設(shè)備和智能家居等消費(fèi)電子產(chǎn)品領(lǐng)域，并不斷拓展到汽車、醫(yī)療等領(lǐng)域。

加大研發(fā)投入

走進(jìn)敏芯股份聲學(xué)實(shí)驗(yàn)室，孫愷和研發(fā)團(tuán)隊(duì)成員們正對(duì)著仿真嘴，利用聲學(xué)分析儀做高信噪比產(chǎn)品的噪聲測(cè)試。

“快看，咱們傳感器的信噪比已經(jīng)達(dá)到70dB（分貝），AOP（最大聲壓級(jí)）達(dá)到135，處于行業(yè)領(lǐng)先水平。”看著聲學(xué)分析儀上顯示的數(shù)值，孫愷興奮地說。

“信噪比是指信號(hào)與噪聲的比例，信噪比越高，混在信號(hào)里的噪聲就越小，聲音的音質(zhì)就越好；聲壓級(jí)則是指麥克風(fēng)在失真之前能處理聲音的最高聲級(jí)，聲壓級(jí)越高代表能處理的聲音越高?！睂O愷說，MEMS聲學(xué)傳感器在保障清晰音質(zhì)的同時(shí)，想要實(shí)現(xiàn)更遠(yuǎn)距離的語音控制及隨聲定位等功能，就必須提高信噪比和最大錄音聲壓。

為了推動(dòng)研發(fā)速度，加快產(chǎn)品迭代，敏芯股份成立了多個(gè)研發(fā)小組，針對(duì)每項(xiàng)產(chǎn)品連續(xù)開展“頭腦風(fēng)暴”，進(jìn)行成千上萬次試驗(yàn)，不斷攀登行業(yè)巔峰。李剛告訴記者，公司近年定制開發(fā)的高頻、寬頻、小型化的特殊MEMS聲學(xué)傳感器有80多種，滿足了市場(chǎng)各類需求。

敏芯股份大量的產(chǎn)品輸出源自于不計(jì)成本的研發(fā)投入。公司2019年研發(fā)投入3567.04萬元，2020年研發(fā)投入4204.34萬元，2021年研發(fā)投入7561.86萬元；研發(fā)技術(shù)人員占公司員工總數(shù)超33%；研發(fā)支出占營業(yè)收入比重超21%。

成立15年來，敏芯股份堅(jiān)持創(chuàng)新研發(fā)，目前已擁有自主研發(fā)、自有知識(shí)產(chǎn)權(quán)的多品類產(chǎn)品線，逐步成長為國內(nèi)為數(shù)不多的掌握多品類MEMS傳感器設(shè)計(jì)和制造工藝能力的企業(yè)。

“2021年，敏芯股份發(fā)明、實(shí)用新型專利數(shù)量較2020年分別增長150%、140%，研發(fā)人員數(shù)量同比增長40%；2022年上半年發(fā)明專利授權(quán)量是2021年全年的1.4倍?！痹诶顒偪磥恚髽I(yè)要保持生命力，僅靠模仿走不長遠(yuǎn)，必須通過研發(fā)創(chuàng)新，不斷突破自我、超越對(duì)手，才能贏得未來。

強(qiáng)化自主可控

一個(gè)MEMS傳感器的制造分為芯片設(shè)計(jì)、晶圓廠代工制造、封裝、測(cè)試等核心環(huán)節(jié)?！叭绻耆蕾囃獠慨a(chǎn)業(yè)鏈，初創(chuàng)容易上量難，成本、規(guī)模優(yōu)勢(shì)也難以發(fā)揮，還會(huì)失去核心競(jìng)爭力，無法避免陷入‘同質(zhì)化’競(jìng)爭困境?！崩顒傉f，因?yàn)镸EMS傳感器芯片的生產(chǎn)工藝具有較高的定制化特點(diǎn)，生產(chǎn)工藝要按需開發(fā)，制造、封裝、測(cè)試等環(huán)節(jié)尤為重要。

李剛對(duì)幾年前的一次封裝參數(shù)誤差事故記憶猶新。在外包的封測(cè)生產(chǎn)線上，因?yàn)閰?shù)誤差，導(dǎo)致已經(jīng)安裝在手機(jī)上的麥克風(fēng)面臨失效危險(xiǎn)?！奥晫W(xué)傳感器不同于別的零部件，它一旦失效，手機(jī)就無法使用。如果麥克風(fēng)出現(xiàn)問題，需要照價(jià)賠償手機(jī)價(jià)值，這對(duì)于一個(gè)初創(chuàng)公司來說難以承受。產(chǎn)品要設(shè)計(jì)好，更要制造好、封裝好、測(cè)試好?！崩顒傉f。

幸運(yùn)的是，這一批產(chǎn)品并沒有大面積發(fā)生故障。但這給公司敲響了警鐘，讓公司意識(shí)到，產(chǎn)業(yè)鏈必須自主可控。

2019年，敏芯股份投資建設(shè)了全資子公司，專注于MEMS封裝?！澳壳拔覀円黄?a target="_blank">封裝測(cè)試工廠已經(jīng)投入使用，MEMS傳感器封裝月產(chǎn)能達(dá)到4000萬只。明年上半年，二期工廠也將投入使用，單月封裝產(chǎn)能將有望提升到1億只?！崩顒傉f。

如今，敏芯股份成功邁入國內(nèi)MEMS行業(yè)領(lǐng)軍企業(yè)梯隊(duì)，多種產(chǎn)品的應(yīng)用場(chǎng)景已涵蓋消費(fèi)電子、醫(yī)療、工業(yè)控制、汽車電子等領(lǐng)域?！斑@些年，公司以中低端應(yīng)用為切入口，在激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭中存活了下來。目前，公司正在努力打入國際知名消費(fèi)類電子品牌大客戶的供應(yīng)鏈體系?！崩顒傉f，在研發(fā)創(chuàng)新上，敏芯股份正快馬加鞭不斷突破；在全產(chǎn)業(yè)鏈構(gòu)建上，企業(yè)也在不斷完善、補(bǔ)齊短板，確保供貨能力跟上，發(fā)揮供應(yīng)鏈優(yōu)勢(shì)。

編輯：黃飛

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