比芯片還落后！中國千萬別再錯(cuò)過MEMS了！

過去，我們錯(cuò)過了芯片，華為等公司被卡脖子陷入無芯可用的境地，慘痛教訓(xùn)就在眼前。 如今，有一項(xiàng)新技術(shù)，在全球風(fēng)頭正勁，正在蓬勃發(fā)展，被譽(yù)為21世紀(jì)最有革命性的高新技術(shù)，這項(xiàng)技術(shù)就是——MEMS。 錯(cuò)過了芯片，我們中國再也不能錯(cuò)過MEMS了！

MEMS有多重要？華為也曾被卡?。?/p>

說起MEMS，可能大家都沒有太多概念，對(duì)MEMS的重要性也沒有清楚的認(rèn)識(shí)。

在今年“遙遙領(lǐng)先”的Mate 60 手機(jī)之前，華為曾發(fā)布了P50等多臺(tái)只能使用4G 網(wǎng)絡(luò)的旗艦手機(jī)。華為能設(shè)計(jì)出自己的5G芯片，但華為手機(jī)卻不能使用5G只能用4G，為什么？因?yàn)闆]有國產(chǎn)的5G射頻前端模組。

一個(gè)射頻前端模組由濾波器、低噪聲放大器、功率放大器、射頻開關(guān)等器件組成，其中濾波器是射頻前端中最重要的分立器件，濾波器的工藝就是MEMS，在射頻前端模組中占比超過50%，主要由村田制作所等國外公司生產(chǎn)。

而隨著MEMS的滲透，現(xiàn)在射頻開關(guān)也正在逐漸采用MEMS工藝。

每年數(shù)十億顆！無處不在的MEMS

5G MEMS 濾波器在智能手機(jī)上的重要性，僅是MEMS應(yīng)用的冰山一角，今天我們所使用的一切智能電子產(chǎn)品，基本都有MEMS的身影。最典型的例子，就是我們身邊的手機(jī)，搭載了大量的MEMS器件。

我們旋轉(zhuǎn)手機(jī)，視頻就會(huì)跟著轉(zhuǎn)成橫屏/豎屏，這是MEMS加速度傳感器在工作；我們轉(zhuǎn)動(dòng)、移動(dòng)手機(jī)，游戲里的人物就會(huì)跟著運(yùn)動(dòng)，這是MEMS陀螺儀+加速度傳感器在工作；我們說Hey Siri、小愛同學(xué)、小度小度……手機(jī)就會(huì)說我在，有什么事？這是MEMS麥克風(fēng)在工作。

沒有MEMS，你就用不上這么智能的手機(jī)！

隨著技術(shù)發(fā)展，4G時(shí)代，為我們帶來了在線流媒體，直播、短視頻等互聯(lián)網(wǎng)經(jīng)濟(jì)觸及到我們每個(gè)人，因此大量高制程的芯片被需求，帶來芯片熱。

現(xiàn)在，進(jìn)入5G時(shí)代，萬物互聯(lián)將所有人與物聯(lián)系在一起，逐漸步入物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，元宇宙也成為可能，除了計(jì)算核心芯片，MEMS器件也將被大量使用，為萬物帶來感知能力。

從納米尺度的原子力顯微鏡尖端，到具有數(shù)百萬個(gè)可運(yùn)動(dòng)反射鏡的數(shù)字投影芯片，從汽車、醫(yī)療、手機(jī)、VR/AR到航天航空領(lǐng)域，市場上的MEMS器件令人眼花繚亂。

▲市面上各種各樣的MEMS器件（來自Yole）

MEMS已經(jīng)廣泛應(yīng)用于噴墨打印機(jī)噴嘴、醫(yī)療診斷微流控器件，以及我們常用的移動(dòng)設(shè)備中的MEMS麥克風(fēng)、加速度計(jì)、陀螺儀、振蕩器和FBAR濾波器等。

據(jù)知名咨詢企業(yè)Yole的數(shù)據(jù)披露，現(xiàn)在，全球每年生產(chǎn)數(shù)十億顆MEMS器件，到 2026 年，全球 MEMS 市場價(jià)值將超過 1220 億美元，復(fù)合年增長率達(dá)到了11.3% ！

可以說，MEMS無處不在！并且還在蓬勃發(fā)展！

什么是MEMS？

MEMS如此重要，那什么是MEMS？

根據(jù)百科的解釋，MEMS是：

微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS, Micro-Electro-Mechanical System），也叫做微電子機(jī)械系統(tǒng)、微系統(tǒng)、微機(jī)械等，指尺寸在幾毫米乃至更小的高科技裝置。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)一般在微米甚至納米量級(jí)，是一個(gè)獨(dú)立的智能系統(tǒng)。主要用作各種傳感器，以測量加速度、角速度、壓力、位移、流量、電量、磁場、紅外、溫度、氣體成分、濕度、PH值、離子濃度、生物濃度、觸覺等。

直觀點(diǎn)說，MEMS就是一種在極小尺寸下（一般是微米甚至納米范疇）做出我們?nèi)粘Ｋ姷墓艿馈X輪、懸臂等機(jī)械結(jié)構(gòu)的工藝。

當(dāng)然，這里只是簡單的說明，事實(shí)上現(xiàn)在的MEMS產(chǎn)品包羅萬象，如馬達(dá)、泵、陀螺儀、反射鏡面等機(jī)械裝置，用MEMS的方式也能做出來，內(nèi)部可能包括通道、孔、懸臂梁、膜、腔體等結(jié)構(gòu)。

MEMS融合了微電子加工工藝和精密機(jī)械加工等技術(shù)，涉及微電子、機(jī)械、材料、力學(xué)、化學(xué)甚至生物學(xué)等諸多科學(xué)領(lǐng)域。

MEMS叫做微機(jī)電系統(tǒng)，有多微？看下圖，螨蟲與用MEMS工藝做出的機(jī)械齒輪結(jié)構(gòu)對(duì)比，與MEMS齒輪相比，螨蟲就如同奧特曼的怪獸一般巨大。

是不是很不可思議？

下圖是一顆封裝后的MEMS麥克風(fēng)，傳統(tǒng)的機(jī)械麥克風(fēng)一般有手指頭大，而用MEMS工藝最終做出的麥克風(fēng)比手指蓋還小。

在MEMS麥克風(fēng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)上，與傳統(tǒng)麥克風(fēng)原理是一致的，聲音通過空氣傳遞到達(dá)麥克風(fēng)的薄膜，帶動(dòng)薄膜振動(dòng)，從而將聲壓轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)。

▲MEMS底層薄膜隨聲波震動(dòng)（來自歐姆龍）

因此，MEMS將小做到了極致，這是一個(gè)起點(diǎn)，科學(xué)家的想法是，未來我們一切所見到的機(jī)械工藝，都可能通過MEMS做出來，隨之帶來的是高集成度、低功耗、可規(guī)?；慨a(chǎn)等等優(yōu)勢。

目前，在汽車、醫(yī)療、消費(fèi)電子等中高端傳感器市場里，MEMS大概占據(jù)60%-70%的市場規(guī)模，傳統(tǒng)傳感器占據(jù)大概30%-40%的市場規(guī)模，發(fā)展趨勢是MEMS能夠?qū)鹘y(tǒng)傳感器進(jìn)行替代的場景都會(huì)進(jìn)行替代。

我國MEMS現(xiàn)狀，比芯片還落后！

從上文我們可以看到，MEMS傳感器是基于傳統(tǒng)傳感器的原理發(fā)展的，基本原理并無太大差別，早已在教材上躺了幾十年。

MEMS最重要的是怎么做出來，怎么量產(chǎn)，做出來之后好不好用，因此，工藝和材料才是最重要，這也是MEMS IDM廠商、代工廠商極具價(jià)值的原因。

目前，在全球MEMS IDM&代工領(lǐng)域，我國大陸本土，僅有中芯集成（SMEC）一家廠商能進(jìn)入全球前列，賽微電子旗下Silex主要產(chǎn)能在瑞典，北京產(chǎn)線仍處于產(chǎn)能爬坡階段，這與集成電路芯片領(lǐng)域的中芯國際（全球第5）、華虹集團(tuán)（全球第6）、晶合集成（全球第10）等相差甚遠(yuǎn)。

▲來源：Yole，賽微電子

在全球MEMS企業(yè)TOP 30名單中，2023年我國共有6家企業(yè)進(jìn)入，分別是歌爾微電子（Goermicro，排名9），瑞聲科技（AAC，排名23），賽微電子全資子公司Silex Microsystems（排名26），臺(tái)積電（TSMC，排名27），海康威視（Hikvision，排名29），睿創(chuàng)微納（Iray，排名30）。

在大陸本土的企業(yè)僅有歌爾微、瑞聲、海康威視、睿創(chuàng)微納四家，且除了歌爾微進(jìn)入勉強(qiáng)守住前10外，其他企業(yè)排名均靠后。

并且，歌爾微電子、瑞聲科技的MEMS Die（裸片）主要采購自英飛凌等國外企業(yè)，自主設(shè)計(jì)、生產(chǎn)比例較低。

你知道這樣有多大影響嗎？

據(jù)此前歌爾微電子招股書顯示，歌爾微電子2020年MEMS業(yè)務(wù)營收31.47億元，其中近50%收入，約15億元，要繳付給英飛凌購買其MEMS Die。

在歌爾和瑞聲身上也折射了中國傳感器產(chǎn)業(yè)面臨的嚴(yán)峻問題，目前中國MEMS行業(yè)內(nèi)主要采購英飛凌等廠商的 MEMS Die（裸片）和 ASIC芯片 來進(jìn)行封裝，這也是國內(nèi)大部分MEMS企業(yè)利潤率低下、缺乏競爭力的根本原因。

▲來源：Yole

MEMS技術(shù)自20世紀(jì)80年代末開始受到世界各國的廣泛重視，我國的MEMS產(chǎn)業(yè)起步較晚，一般認(rèn)為從2010年前后我國的MEMS產(chǎn)業(yè)才有了雛形。

現(xiàn)在MEMS主流技術(shù)途徑分別被美國、德國、日本掌握著，分別是：

以美國為代表的以集成電路加工技術(shù)為基礎(chǔ)的硅基微加工技術(shù)；

以德國為代表發(fā)展起來的利用X射線深度光刻、微電鑄、微鑄塑的LIGA技術(shù)；

以日本為代表發(fā)展的精密加工技術(shù)，如微細(xì)電火花EDM、超聲波加工技術(shù)。

目前，除少數(shù)領(lǐng)域外，中高端傳感器已完成MEMS化，而我國近90%以上的中高端MEMS傳感器芯片，需要向國外采購。

這一比例，遠(yuǎn)低于我國芯片自給率，根據(jù)IC Insights的數(shù)據(jù)，2021年中國IC市場規(guī)模1865億美元，而中國大陸IC產(chǎn)量為312億美元，自給率約為16.7%，我國MEMS器件自給率10%不到。

許多MEMS器件，我國并沒有成熟的生產(chǎn)能力，譬如前文提到的MEMS濾波器。

在投影機(jī)當(dāng)中，最核心的芯片叫做DMD，這種芯片就是一種MEMS器件，全世界只有美國的TI（德州儀器）可以生產(chǎn)。

DMD技術(shù)也稱為"數(shù)字光線處理技術(shù)"。通過數(shù)字信息控制數(shù)十萬到上百萬個(gè)微小的反射鏡，將不同數(shù)量的光線投射出去。每個(gè)微鏡的面積只有16×16微米，微鏡按矩陣行列排布，每個(gè)微鏡可以在二進(jìn)制0/1數(shù)字信號(hào)的控制下做正10度或負(fù)10度的角度翻轉(zhuǎn)。

如果美國禁止這種芯片出口，那么臺(tái)灣的揚(yáng)明、臺(tái)達(dá)等投影機(jī)引擎企業(yè)都要歇菜，世界上所有投影機(jī)都得想辦法再用回液晶這種昏暗的投影技術(shù)。

▲TI的DMD芯片

第三次浪潮之巔，MEMS我們還有機(jī)會(huì)！

與芯片產(chǎn)業(yè)相比，MEMS產(chǎn)業(yè)發(fā)軔較晚，MEMS 起源可追溯至 20 世紀(jì) 50 年代，但MEMS 產(chǎn)業(yè)真正發(fā)展始于 20 世紀(jì) 80 年代，目前，全球整個(gè)MEMS產(chǎn)業(yè)正處于第三次浪潮爆發(fā)期。

MEMS第一次產(chǎn)業(yè)浪潮是20 世紀(jì) 80 年代至 90 年代：汽車行業(yè)的快速發(fā)展，汽車電子應(yīng)用如安全氣囊、制動(dòng)壓力、輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)等需求增長，巨大利潤空間驅(qū)使歐洲、日本和美國的企業(yè)大量生產(chǎn) MEMS，推動(dòng)了 MEMS 行業(yè)發(fā)展的第一次浪潮。

MEMS第一次產(chǎn)業(yè)浪潮是20 世紀(jì) 90 年代末至 21 世紀(jì)初：本階段早期，噴墨打印頭和微光學(xué)器件的巨大需求促進(jìn)了 MEMS 行業(yè)的發(fā)展。而 2007 年后，手機(jī)、小家電等消費(fèi)電子產(chǎn)品對(duì) MEMS 的強(qiáng)勁需求，掀起了 MEMS 行業(yè)發(fā)展的第二次產(chǎn)業(yè)化浪潮。

MEMS第一次產(chǎn)業(yè)浪潮是2010 年并持續(xù)至今：產(chǎn)品應(yīng)用的擴(kuò)展，使 MEMS 行業(yè)呈現(xiàn)新的趨勢。MEMS 產(chǎn)品逐步應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)、可穿戴設(shè)備等新領(lǐng)域，應(yīng)用場景日益豐富，正漸漸覆蓋人類生活的各個(gè)維度。此外，MEMS 是當(dāng)前移動(dòng)終端創(chuàng)新的方向，新的設(shè)備形態(tài)（如可穿戴設(shè)備）需要更加微型化的器件和更為便捷的交互方式。

因此，全球MEMS產(chǎn)業(yè)還處于第三次產(chǎn)業(yè)浪潮爆發(fā)期，尚未形成成熟的市場競爭格局。

同時(shí)，借著“芯片危機(jī)”的東風(fēng)，我國對(duì)MEMS、傳感器產(chǎn)業(yè)也前所未有的重視，已出臺(tái)許多政策。

歌爾、瑞聲等中國MEMS頭部企業(yè)，已加大自研MEMS芯片研發(fā)投入力度，近幾年我國MEMS產(chǎn)業(yè)發(fā)展速度明顯加快。

結(jié)語

MEMS器件非常重要，是21世紀(jì)最具革命性的高新技術(shù)，將在消費(fèi)電子、醫(yī)療、汽車、航天航空等許多領(lǐng)域帶來創(chuàng)新改變。

經(jīng)過多年發(fā)展，我國雖已形成了設(shè)計(jì)、生產(chǎn)制造、封裝測試、系統(tǒng)集成的完整產(chǎn)業(yè)鏈條，但產(chǎn)業(yè)整體仍然相對(duì)落后。

然而全球MEMS產(chǎn)業(yè)尚未進(jìn)入成熟期，仍處于第三次發(fā)展浪潮中，能否隨著這股浪潮將我國MEMS產(chǎn)業(yè)帶動(dòng)發(fā)展起來，就看我們能否抓住這個(gè)機(jī)會(huì)了。

目前，MEMS產(chǎn)業(yè)被寫入國家“十四五”規(guī)劃當(dāng)中，全國各地多條MEMS產(chǎn)線/中試線動(dòng)工建設(shè)，一批杰出的傳感企業(yè)正在進(jìn)行高端MEMS器件的本地化設(shè)計(jì)、制造和生產(chǎn)，MEMS產(chǎn)業(yè)的中國力量正在崛起！

錯(cuò)過了芯片，中國不能再錯(cuò)過MEMS了！

審核編輯 黃宇