談?wù)揗EMS技術(shù)原理及優(yōu)勢(shì)

可能大部分對(duì)MEMS還是比較陌生，但其實(shí)MEMS在生活中早已無(wú)處不在了，智能手機(jī)、手環(huán)、汽車、無(wú)人機(jī)、VR/AR頭戴式設(shè)備等，都應(yīng)用了MEMS器件。

既然MEMS應(yīng)用這么廣泛了，那么它到底是什么技術(shù)呢?稍安勿躁，聽(tīng)筆者慢慢道來(lái)。

1 、談?wù)凪EMS技術(shù)原理

MEMS是微機(jī)電系統(tǒng)，英文全稱是MicroElectromechanicalSystem，。是指尺寸在幾毫米乃至更小的傳感器裝置，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)。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，MEMS就是將傳統(tǒng)傳感器的機(jī)械部件微型化后，通過(guò)三維堆疊技術(shù)，例如三維硅穿孔TSV 等技術(shù)把器件固定在硅晶元(wafer)上，最后根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)合采用特殊定制的封裝形式，最終切割組裝而成的硅基傳感器。受益于普通傳感器無(wú)法企及的IC 硅片加工批量化生產(chǎn)帶來(lái)的成本優(yōu)勢(shì)，MEMS 同時(shí)又具備普通傳感器無(wú)法具備的微型化和高集成度。

MEMS主要涉及微加工技術(shù)，機(jī)械學(xué)/固體聲波理論，熱流理論，電子學(xué)，生物學(xué)等等。MEMS器件的特征長(zhǎng)度從1毫米到1微米，相比之下頭發(fā)的直徑大約是50微米。

MEMS傳感器主要優(yōu)點(diǎn)是體積小、重量輕、功耗低、可靠性高、靈敏度高、易于集成等，是微型傳感器的主力軍，正在逐漸取代傳統(tǒng)機(jī)械傳感器，在各個(gè)領(lǐng)域幾乎都有研究，不論是消費(fèi)電子產(chǎn)品、汽車工業(yè)、甚至航空航天、機(jī)械、化工及醫(yī)藥等各領(lǐng)域。

2 、MEMS是替代傳統(tǒng)傳感器的唯一選擇

模擬量到數(shù)字化、大體積到小型化以及隨之而來(lái)的高度集成化，是所有近現(xiàn)代化產(chǎn)業(yè)發(fā)展前進(jìn)的永恒追求。MEMS被看作是替代傳感器的唯一可能選擇，也可能是未來(lái)構(gòu)筑物聯(lián)網(wǎng)感知層傳感器最主要的選擇之一。其有以下優(yōu)勢(shì)：

優(yōu)勢(shì)一：微型化

MEMS器件體積小，一般單個(gè)MEMS傳感器的尺寸以毫米甚至微米為計(jì)量單位，重量輕、耗能低。同時(shí)微型化以后的機(jī)械部件具有慣性小、諧振頻率高、響應(yīng)時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)。MEMS更高的表面體積比可以提高表面?zhèn)鞲衅鞯拿舾谐潭取?/p>

優(yōu)勢(shì)二：批量生產(chǎn)

以單個(gè)5mm*5mm 尺寸的MEMS 傳感器為例，用硅微加工工藝在一片8 英寸的硅片晶元上可同時(shí)切割出大約1000 個(gè)MEMS 芯片，批量生產(chǎn)可大大降低單個(gè)MEMS 的生產(chǎn)成本。

優(yōu)勢(shì)三：集成化

一般來(lái)說(shuō)，單顆MEMS 往往在封裝機(jī)械傳感器的同時(shí)，還會(huì)集成ASIC 芯片，控制MEMS芯片以及轉(zhuǎn)換模擬量為數(shù)字量輸出。微傳感器、微執(zhí)行器和微電子器件的集成可制造出可靠性、穩(wěn)定性很高的MEMS。隨著 MEMS的工藝的發(fā)展，現(xiàn)在傾向于單個(gè)MEMS 芯片中整合更多的功能，實(shí)現(xiàn)更高的集成度。

優(yōu)勢(shì)四：多學(xué)科交叉

MEMS 涉及電子、機(jī)械、材料、制造、信息與自動(dòng)控制、物理、化學(xué)和生物等多種學(xué)科，并集約了當(dāng)今科學(xué)技術(shù)發(fā)展的許多尖端成果。MEMS是構(gòu)筑物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)物理感知層傳感器的最主要選擇之一。

由于物聯(lián)網(wǎng)特別是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)對(duì)器件的物理尺寸、功耗、成本等十分敏感，傳感器的微型化對(duì)物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展至關(guān)重要。MEMS 微機(jī)電系統(tǒng)結(jié)合兼容傳統(tǒng)的半導(dǎo)體工藝，采用微米技術(shù)在芯片上制造微型機(jī)械，并將其與對(duì)應(yīng)電路集成為一個(gè)整體的技術(shù)，它是以半導(dǎo)體制造技術(shù)為基礎(chǔ)發(fā)展起來(lái)的，批量化生產(chǎn)能滿足物聯(lián)網(wǎng)對(duì)傳感器的巨大需求量和低成本要求。

3、 MEMS產(chǎn)業(yè)鏈

MEMS沒(méi)有一個(gè)固定成型的標(biāo)準(zhǔn)化的生產(chǎn)工藝流程，每一款 MEMS都針對(duì)下游特定的應(yīng)用場(chǎng)合，因而有獨(dú)特的設(shè)計(jì)和對(duì)應(yīng)的封裝形式，千差萬(wàn)別。

MEMS產(chǎn)業(yè)鏈類似于傳統(tǒng)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)，主要包括了四大部分：前端fabless 設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)、ODM 代工晶圓廠生產(chǎn)環(huán)節(jié)、封裝測(cè)試到下游最終應(yīng)用的四大環(huán)節(jié)。

全球前十名MEMS 廠商主要包括博世、意法半導(dǎo)體、惠普、德州儀器、佳能、InvenSense、Avago 和Qorvo、樓氏電子、松下等等。其中 BOSCH因?yàn)槠湓?a target="_blank">汽車電子和消費(fèi)電子的雙重布局，牢牢占據(jù)著行業(yè)的第一的位置，其營(yíng)收約占五大公司合計(jì)營(yíng)收的三分之一。

大部分MEMS 行業(yè)的主要廠商是以Fabless 為主，例如樓氏、HP、佳能等。同時(shí)，平行的也有IDM 廠商垂直參與到整條產(chǎn)業(yè)鏈的各個(gè)環(huán)節(jié)，比如Bosch、ST等都建有自己的晶元代工生產(chǎn)線。

4 、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)帶動(dòng)MEMS發(fā)展

如今，業(yè)界正定義出一個(gè)利用MEMS技術(shù)的新型態(tài)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域。

“我認(rèn)為在未來(lái)十年，MEMS消費(fèi)應(yīng)用的出貨量和收入仍將持續(xù)大幅超過(guò)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)MEMS市場(chǎng)，”IHS總監(jiān)暨M(jìn)EMS感測(cè)器資深首席分析師JeremieBouchaud表示，“IHS預(yù)期在2018年時(shí)，全球MEMS消費(fèi)與行動(dòng)應(yīng)用將達(dá)到57億美元，比由工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)MEMS市場(chǎng)產(chǎn)生的3.34億美元收入更高得多?！?/p>

預(yù)計(jì)在2018年時(shí)，以工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)推動(dòng)的MEMS工業(yè)應(yīng)用將帶來(lái)3.34億美元的市場(chǎng)規(guī)模。

在工業(yè)應(yīng)用中，建筑物自動(dòng)化將是最主要的收入來(lái)源，其次依序是資產(chǎn)追蹤、智慧電網(wǎng)(包括智慧電表)、智慧城市、智慧工廠、地震監(jiān)測(cè)、無(wú)人機(jī)以及機(jī)器人等。資料中心處理在從IoT裝置而來(lái)的大量資訊時(shí)，也將帶動(dòng)對(duì)于光纖MEMS的需求，包括從OXC到WSS到MEMS晶圓探棒等。

5、 中國(guó)MEMS產(chǎn)業(yè)的布局

國(guó)內(nèi)MEMS 行業(yè)的fabless 規(guī)模相對(duì)較小，但市場(chǎng)規(guī)模來(lái)說(shuō)具備很大的發(fā)展空間。面對(duì)國(guó)內(nèi)巨大的消費(fèi)電子市場(chǎng)，自產(chǎn)自銷滿足國(guó)內(nèi)部分中低端市場(chǎng)需求，也是國(guó)內(nèi)Fabless 司的一個(gè)捷徑。中國(guó)MEMS 設(shè)計(jì)企業(yè)主要集中于華東地區(qū)，約占全國(guó)企業(yè)總數(shù)的55%，其中，以上海、蘇州、無(wú)錫三地為產(chǎn)業(yè)集中地。

從市場(chǎng)來(lái)看，中國(guó)擁有全球規(guī)模最大的集成電路市場(chǎng)，加之物聯(lián)網(wǎng)的催化，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)對(duì)加速度計(jì)、高精度壓力傳感器、硅麥克風(fēng)、陀螺儀、射頻儀器、氣體傳感器、電子羅盤等MEMS器件的需求日益迫切。

MEMS產(chǎn)業(yè)鏈復(fù)雜，涉及的廠商眾多，設(shè)計(jì)、制造、封裝測(cè)試廠商都在積極布局MEMS，目前我國(guó)已逐漸形成完整MEMS的產(chǎn)業(yè)鏈。