MEMS傳感器將迎來(lái)新的浪潮！MEMS定義與應(yīng)用

來(lái)源：Research

摘要：MEMS技術(shù)在汽車(chē)電子、生物醫(yī)療、智慧家庭、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、消費(fèi)電子等領(lǐng)域都有著廣闊的市場(chǎng)前景。隨著萬(wàn)物互聯(lián)時(shí)代的加快到來(lái)，MEMS傳感器將迎來(lái)新的浪潮。

一、MEMS 是什么

1、MEMS 定義

MEMS（Microelectromechanical Systems，微機(jī)電系統(tǒng)）指特征尺寸在微米量級(jí)的機(jī)電系統(tǒng)，包含微傳感器、微執(zhí)行器、微結(jié)構(gòu)和微電子，具有尺寸小、功耗低、集成度高、批量化生產(chǎn)能力高等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于汽車(chē)、消費(fèi)電子、醫(yī)療、航空航天等領(lǐng)域。

圖 1：MEMS 的細(xì)分

圖 2 典型的MEMS 系統(tǒng)示意圖

傳感器是用于感知外界信息的器件。外界信息包括物理信息、化學(xué)信息、生物信息等。物理信息涉及力、聲、光、電、磁、溫度、濕度等，化學(xué)信息涉及酸堿性、可燃性、毒性等，生物信息涉及酶、抗體、激素、微生物等。MEMS 傳感器的分類(lèi)多樣，按照傳感信息的不同，可以分為加速度傳感器、壓力傳感器、磁傳感器、溫度傳感器、濕度傳感器等；按照應(yīng)用功能的不同，可以分為胎壓傳感器、陀螺儀、硅麥克風(fēng)等；根據(jù)是否需要電源，可以分為有源傳感器和無(wú)源傳感器。

MEMS 傳感器關(guān)鍵性能可以分為靜態(tài)性能和動(dòng)態(tài)性能。靜態(tài)性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)包括分辨力、重復(fù)性、線性度、閾值、使用環(huán)境、穩(wěn)定性等。動(dòng)態(tài)性能是對(duì)動(dòng)態(tài)輸入的響應(yīng)特性。理想的動(dòng)態(tài)性能是將隨時(shí)間變化的輸入信號(hào)，通過(guò)傳感器能夠輸出相同變化規(guī)律的輸出信號(hào)，即輸出信號(hào)和輸入信號(hào)具有一致的時(shí)間函數(shù)。動(dòng)態(tài)性能的評(píng)價(jià)包括頻率響應(yīng)、階躍響應(yīng)等。頻率響應(yīng)是決定被測(cè)信號(hào)頻率范圍的指標(biāo)，例如壓力傳感器的頻率響應(yīng)越高，可測(cè)信號(hào)的頻率范圍就越寬。階躍響應(yīng)則是對(duì)階躍函數(shù)信號(hào)的響應(yīng)能力，包括延遲時(shí)間、超調(diào)量等指標(biāo)。

MEMS 執(zhí)行器是在動(dòng)力源的驅(qū)動(dòng)下完成需要?jiǎng)幼鞯奈?a target="_blank">機(jī)械系統(tǒng)，包括微噴墨頭、MEMS 濾波器、EMS 揚(yáng)聲器、MEMS 微鏡、MEMS 微射流執(zhí)行器、MEMS 投影機(jī)等。相比傳統(tǒng)的執(zhí)行器，MEMS執(zhí)行器具有加速快、速度大、驅(qū)動(dòng)力小、干擾因素少等優(yōu)點(diǎn)。MEMS 執(zhí)行器的執(zhí)行方式有壓電執(zhí)行、電磁執(zhí)行、靜電執(zhí)行、熱執(zhí)行等，核心功能是將其他能量轉(zhuǎn)為機(jī)械能。MEMS 執(zhí)行器的起步早，但發(fā)展速度不及MEMS 傳感器。意法半導(dǎo)體公司執(zhí)行副總裁Benedetto 認(rèn)為：一方面是生產(chǎn)能力、產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展不完善的原因；另一方面是新技術(shù)還需要真正的應(yīng)用，如十年前手機(jī)攝像頭的提升重點(diǎn)在像素，因此用于自動(dòng)對(duì)焦的MEMS 執(zhí)行器則發(fā)展較慢。

2、MEMS 應(yīng)用

在汽車(chē)領(lǐng)域，MEMS 產(chǎn)品有壓力傳感器、加速度傳感器、陀螺儀、流量傳感器、麥克風(fēng)、紅外夜視傳感器等，應(yīng)用范圍包括汽車(chē)動(dòng)力總成、汽車(chē)底盤(pán)、駕駛安全和自動(dòng)化、舒適便捷相關(guān)系統(tǒng)等。

圖 3 汽車(chē)領(lǐng)域MEMS 應(yīng)用

受惠于2007 年蘋(píng)果手機(jī)和任天堂Wii 游戲機(jī)的誕生，MEMS 在消費(fèi)電子領(lǐng)域迎來(lái)噴薄式的發(fā)展。iPhone 6S 包含加速度計(jì)、電子羅盤(pán)、陀螺儀、MEMS 麥克風(fēng)、接近光傳感器、環(huán)境光傳感器、指紋傳感器、壓力傳感器等。

圖 4 消費(fèi)電子領(lǐng)域MEMS 應(yīng)用

在醫(yī)療領(lǐng)域，MEMS 產(chǎn)品有診斷流感的可攜帶式芯片實(shí)驗(yàn)室裝置VereFlu、可食用電子藥物、聽(tīng)力輔助MEMS、DNA 納米科技、智能生命檢測(cè)感應(yīng)器、偵測(cè)血液中癌細(xì)胞醫(yī)療裝置、低功耗心室顫動(dòng)偵測(cè)芯片、守護(hù)天使裝置等。

圖 5 醫(yī)療領(lǐng)域MEMS 應(yīng)用

3、MEMS 發(fā)展歷程

上個(gè)世紀(jì)80 年代開(kāi)始，隨著微電子行業(yè)的快速發(fā)展，以及航空、航天、汽車(chē)等行業(yè)對(duì)小尺寸高可靠傳感的實(shí)際需求，MEMS 微機(jī)電系統(tǒng)和傳感器相結(jié)合形成的MEMS 傳感器行業(yè)進(jìn)入了快速發(fā)展期。通常認(rèn)為，MEMS 傳感器行業(yè)在2000 年以前的最主要驅(qū)動(dòng)力是汽車(chē)工業(yè)。汽車(chē)領(lǐng)域MEMS 傳感器主要有壓力傳感器、加速計(jì)、陀螺儀和流量傳感器，應(yīng)用范圍包括汽車(chē)防抱死系統(tǒng)ABS、車(chē)身穩(wěn)定程序ESP、電控懸掛ECS、電動(dòng)手剎EPB、斜坡啟動(dòng)輔助HAS、胎壓監(jiān)控EPMS、引擎防抖等。

進(jìn)入21 世紀(jì)后，以手機(jī)為代表的消費(fèi)電子行業(yè)飛速發(fā)展，直接帶動(dòng)了MEMS 傳感器行業(yè)的發(fā)展。手機(jī)內(nèi)置加速計(jì)、陀螺儀、MEMS 硅麥克風(fēng)、近距離傳感器、環(huán)境光傳感器、溫濕度傳感器等，主要應(yīng)用范圍包括運(yùn)動(dòng)/墜落檢測(cè)、速度/距離計(jì)數(shù)、電源管理、GPS 增強(qiáng)/盲區(qū)消除、導(dǎo)航數(shù)據(jù)補(bǔ)償?shù)?。每臺(tái)智能手機(jī)的MEMS 傳感器已超過(guò)10 個(gè)。

未來(lái)，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和行業(yè)應(yīng)用的發(fā)展，聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)會(huì)呈現(xiàn)爆炸式增長(zhǎng)的局面。MEMS 傳感器，作為物聯(lián)網(wǎng)四層架構(gòu)（感知層、傳輸層、平臺(tái)層和應(yīng)用層）中感知層的核心器件之一，需求會(huì)進(jìn)一步增大，應(yīng)用場(chǎng)景涵蓋工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、車(chē)聯(lián)網(wǎng)、智慧醫(yī)療、智能家居等。

4、MEMS 產(chǎn)業(yè)鏈

MEMS 產(chǎn)業(yè)鏈包括設(shè)計(jì)、制造、封裝測(cè)試和應(yīng)用等環(huán)節(jié)。MEMS 產(chǎn)業(yè)生態(tài)包含全產(chǎn)業(yè)鏈IDM廠商、專(zhuān)注MEMS 設(shè)計(jì)的Fabless 廠商、MEMS 制造廠商、ASIC 制造廠商、封裝測(cè)試廠商等。全球頭部IDM 廠商包括博世、博通、德州儀器等企業(yè)。考慮到MEMS 行業(yè)動(dòng)輒數(shù)億元的重資產(chǎn)投入，與IC 行業(yè)類(lèi)似，MEMS 行業(yè)的很多企業(yè)采用Fabless 商業(yè)模式，投入資金專(zhuān)注研發(fā)，而將制造環(huán)節(jié)交由專(zhuān)業(yè)的Foundry 廠商。InvenSense 公司是一家頭部Fabless 廠商，2011 年美國(guó)上市。其他Fabless 廠商還有Knowles 公司、Memsic 美新半導(dǎo)體、敏芯微電子等。Foundry代工廠則有臺(tái)積電、中芯國(guó)際、Global Foundries 等。封裝測(cè)試環(huán)節(jié)則有Amkor、華天科技、晶方科技等。

圖 6 MEMS 的生產(chǎn)流程

圖 7 MEMS 產(chǎn)業(yè)鏈

（1）設(shè)計(jì)

MEMS 的設(shè)計(jì)綜合了材料、結(jié)構(gòu)、力學(xué)、微電子學(xué)、光學(xué)等學(xué)科，并需要考慮制造工藝、封裝工藝、測(cè)試方法、低成本、智能化等實(shí)際需求，借助計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件（如有限元分析）等輔助設(shè)計(jì)，通過(guò)復(fù)雜的試驗(yàn)驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案可行性，最終滿足各項(xiàng)嚴(yán)苛要求。MEMS 的設(shè)計(jì)不僅僅需要科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓こ淘O(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，還需要充滿藝術(shù)想象力的工程設(shè)計(jì)能力。

（2）制造

MEMS 制造工藝主要有：

—以美國(guó)為代表的硅基微機(jī)械加工工藝。該工藝方案分為表面微機(jī)械加工工藝和體硅微機(jī)械加工工藝。

—以德國(guó)為代表的 LIGA 工藝。LIGA 工藝是利用同步輻射X 射線光刻技術(shù)，通過(guò)電鑄成型和塑鑄成型制造高深寬比的微結(jié)構(gòu)方法。該工藝的設(shè)備昂貴、周期較長(zhǎng)，與集成電路的兼容性較差。

—表面微機(jī)械加工工藝類(lèi)似于CMOS 半導(dǎo)體工藝，主要包含擴(kuò)散摻雜、鍍膜（PVD/CVD）、光刻、刻蝕（干法刻蝕/濕法刻蝕）等過(guò)程，最后使用腐蝕液取出犧牲層材料，釋放出三維空間結(jié)構(gòu)?；舅悸窞樵跀U(kuò)散摻雜好的襯底上沉積犧牲層，通過(guò)光刻與刻蝕工藝形成一定的圖形，然后沉積結(jié)構(gòu)材料并光刻出需要的圖形，最后使用腐蝕液將犧牲層“犧牲”掉，即可實(shí)現(xiàn)三維的微機(jī)械結(jié)構(gòu)件。該工藝與CMOS 半導(dǎo)體工藝具有較好的兼容性。

圖 8 表面微機(jī)械加工工藝過(guò)程

體硅微機(jī)械加工工藝流程主要包括鍍膜、光刻、刻蝕、腐蝕等工藝。該工藝通常用來(lái)制造具有一定深度的三維微機(jī)械結(jié)構(gòu)，主要是通過(guò)腐蝕液對(duì)襯底進(jìn)行腐蝕，腐蝕深度達(dá)幾百微米，甚至穿透硅片，從而得到三維立體結(jié)構(gòu)。

圖 9 體硅微機(jī)械加工工藝過(guò)程

LIGA（LIthographie 制版術(shù)、Gavanoformung 電鑄、Abformung 塑鑄）工藝由德國(guó)卡爾斯魯厄原子核研究所研發(fā)而成，通過(guò)深層同步輻射X 射線光刻技術(shù)，能夠制造出高深寬比的三維結(jié)構(gòu)，尺寸精度達(dá)亞微米級(jí)。但是該工藝技術(shù)的成本較高，生產(chǎn)周期較長(zhǎng)。

圖 10 LIGA 工藝和準(zhǔn)LIGA 工藝的流程圖

（3）封裝

MEMS 封裝技術(shù)的發(fā)展相對(duì)落后于設(shè)計(jì)技術(shù)和制造技術(shù)。MEMS 封裝不僅僅需要滿足傳統(tǒng)IC封裝的四大功能（機(jī)械支撐、環(huán)境保護(hù)、電連接、散熱），還需要考慮信號(hào)界面（如光、電、溫度、濕度等輸入信號(hào)）、立體結(jié)構(gòu)（如非平面、腔體、懸梁、薄膜、密封等）、外殼材料（須適應(yīng)產(chǎn)品的各類(lèi)應(yīng)用環(huán)境）、特殊芯片鈍化（須適應(yīng)微機(jī)電系統(tǒng)的內(nèi)部環(huán)境）、特殊可靠性要求等因素。MEMS 封裝可以分為芯片級(jí)封裝、器件級(jí)封裝和系統(tǒng)級(jí)封裝。

圖 11 MEMS 封裝的三個(gè)級(jí)別

芯片級(jí)封裝是對(duì)傳感單元、執(zhí)行單元等進(jìn)行單獨(dú)封裝，主要目標(biāo)是保護(hù)核心元器件。器件

級(jí)封裝將傳感單元、執(zhí)行單元和其他核心元器件進(jìn)行封裝，核心難點(diǎn)是接口。系統(tǒng)級(jí)封裝則將傳感單元、執(zhí)行單元、核心元器件、主要信號(hào)處理電路等統(tǒng)一進(jìn)行封裝，能夠顯著降低產(chǎn)品尺寸，核心問(wèn)題是接口、電磁屏蔽等關(guān)鍵問(wèn)題。

圖 12 壓力傳感器的芯片級(jí)封裝（金屬殼和塑料殼）

本研究簡(jiǎn)要介紹幾種關(guān)鍵的封裝技術(shù)：倒裝片封裝、晶圓級(jí)封裝WLP、3D 封裝和系統(tǒng)級(jí)封裝SIP。

倒裝片封裝是將芯片的正面朝下，直接與封裝基板進(jìn)行鍵合，該工藝方案具有小尺寸、連接路徑變短等優(yōu)點(diǎn)。從幾何結(jié)構(gòu)層面來(lái)看，倒裝片封裝將芯片向下組裝，為光信號(hào)提供了直線通路，適用于光學(xué)MEMS 的封裝。

圖 13 倒裝片封裝示意圖

晶圓級(jí)封裝WLP（Wafer Level Package）是將裝片、電連接、封裝、測(cè)試等過(guò)程均在晶圓加工過(guò)程中完成，最后再劃片。劃片后的單元芯片就是已經(jīng)完成封裝后的產(chǎn)品了。WLP 工藝生產(chǎn)的芯片尺寸與裸芯尺寸幾乎相等，連接路徑變短，散熱效果更佳，是非常良好的封裝工藝。

圖 14 晶圓級(jí)封裝WLP

3D 封裝是在垂直方向堆疊多個(gè)芯片的封裝技術(shù)，起源于快閃存儲(chǔ)器（NOR/NAND）和SDRAM的堆疊封裝，主流形式包括封裝體堆疊POP（Package on Package）和硅穿孔TSV（ThroughSilicon Via）。其中，硅穿孔TSV 技術(shù)的連接路徑長(zhǎng)度短，具有減小信號(hào)損失、降低時(shí)間延遲、降低功耗等優(yōu)點(diǎn)。

系統(tǒng)級(jí)封裝SIP（System in Package），與系統(tǒng)級(jí)芯片SOC（System On Chip）類(lèi)似，是MEMS 封裝的發(fā)展趨勢(shì)。SIP 是將2 種以上不同功能的電子組件進(jìn)行封裝，能夠提供多種功能。例如，SIP 技術(shù)能夠?qū)EMS、邏輯電路、存儲(chǔ)器、電源等集成在一個(gè)封裝系統(tǒng)內(nèi)。系統(tǒng)級(jí)封裝SIP 可以認(rèn)為是可拓展摩爾定律發(fā)展的重要組成內(nèi)容之一。

圖 15 SIP 結(jié)構(gòu)示意圖

（4）測(cè)試

MEMS 測(cè)試是MEMS 制造過(guò)程的至關(guān)重要環(huán)節(jié)，由于目前MEMS 成品率較低，缺乏標(biāo)準(zhǔn)化的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，測(cè)試復(fù)雜性和測(cè)試成本均高于IC 產(chǎn)品。MEMS 測(cè)試包括晶圓測(cè)試和成品測(cè)試。測(cè)試內(nèi)容包括電學(xué)測(cè)試和非電學(xué)測(cè)試，涉及了聲學(xué)激勵(lì)、光學(xué)激勵(lì)、磁學(xué)激勵(lì)、化學(xué)激勵(lì)、生物激勵(lì)等不同的激勵(lì)信號(hào)。

圖 16 MEMS 測(cè)試

二、行業(yè)特點(diǎn)：壁壘高，需求大，降本增效和推出新產(chǎn)品是突破點(diǎn)

1、產(chǎn)品多樣化，生產(chǎn)工藝非標(biāo)，封測(cè)是產(chǎn)業(yè)價(jià)值鏈重要環(huán)節(jié)

MEMS 產(chǎn)品具有多樣化的特征。MEMS 的應(yīng)用范圍覆蓋汽車(chē)、消費(fèi)電子、醫(yī)療、航空航天、電信等多領(lǐng)域；感知信號(hào)包括物理信號(hào)、化學(xué)信號(hào)、生物信號(hào)等；應(yīng)用環(huán)境涉及溫度、濕度、壓強(qiáng)、震動(dòng)、酸堿性等復(fù)雜環(huán)境，因此產(chǎn)品紛繁多樣。即使同一類(lèi)產(chǎn)品，也會(huì)由于采用不同的設(shè)計(jì)路徑、制造工藝、封裝工藝等，從而呈現(xiàn)不同的價(jià)值。目前，MEMS 市場(chǎng)以慣性傳感器、微流量傳感器、壓力傳感器、光學(xué)傳感器、噴墨頭、射頻、麥克風(fēng)、紅外傳感器、振動(dòng)傳感器等為主。2016 年，慣性傳感器和微流量傳感器占比均為24%，壓力傳感器占比13%，光學(xué)傳感器和噴墨頭占比10%。

圖 17 2016 年全球MEMS 市場(chǎng)中各類(lèi)產(chǎn)品的市場(chǎng)規(guī)模占比

MEMS 生產(chǎn)工藝尚未實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化。MEMS 行業(yè)遵循“一類(lèi)產(chǎn)品、一種工藝”的規(guī)律，雖然MEMS產(chǎn)業(yè)鏈與傳統(tǒng)IC 行業(yè)非常相似，但由于不同的MEMS 產(chǎn)品通常都需要采用不同的制造工藝和封裝工藝，因此并未實(shí)現(xiàn)IC 行業(yè)的高度標(biāo)準(zhǔn)化特征。事實(shí)上，正是由于MEMS 行業(yè)尚未實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化，導(dǎo)致生產(chǎn)線規(guī)模效應(yīng)不足，影響了企業(yè)研發(fā)新產(chǎn)品的動(dòng)力。

封測(cè)環(huán)節(jié)在MEMS 價(jià)值鏈中占有重要地位。由于MEMS 包含傳感器、執(zhí)行器、ASIC 等復(fù)雜子部件，需要考慮尺寸、交互接口、機(jī)械應(yīng)力、特殊環(huán)境要求等因素，無(wú)論是封裝工藝的選擇，還是封裝過(guò)程，均比傳統(tǒng)IC 封裝更加復(fù)雜。在后摩爾定律時(shí)代，先進(jìn)封裝技術(shù)被認(rèn)為是延續(xù)摩爾定律生命的關(guān)鍵，不斷提高封裝技術(shù)來(lái)促進(jìn)MEMS 的集成度是核心價(jià)值的體現(xiàn)。MEMS 生產(chǎn)過(guò)程的測(cè)試難度非常大。MEMS 測(cè)試的信號(hào)通常十分微弱，如納米級(jí)的位移、nV 級(jí)的電壓，因此對(duì)測(cè)試設(shè)備提出了極高的要求。同時(shí)，由于測(cè)試信號(hào)種類(lèi)的多樣性，以及尚未形成標(biāo)準(zhǔn)化的測(cè)試環(huán)節(jié)，既增加了測(cè)試復(fù)雜性，又提高了測(cè)試成本。封裝和測(cè)試的成本在生產(chǎn)成本的35-70%之間。以博世Bosch 的BMC050 三軸加速度計(jì)為例，MEMS 成本為0.059 美元，占總成本13%；ASIC 成本為0.224 美元，占總成本48%；封裝和測(cè)試的成本為0.165 美元，占總成本35%。一些其他研究在統(tǒng)計(jì)時(shí)，封測(cè)成本占比高達(dá)60~70%。

圖 18 博世Bosch 的BMC050 三軸加速度計(jì)成本分解

圖 19 其他研究成果中的封測(cè)成本占比數(shù)據(jù)

2、進(jìn)入壁壘高，研發(fā)和商業(yè)化周期長(zhǎng)

MEMS 綜合了材料、結(jié)構(gòu)、力學(xué)、微電子學(xué)、光學(xué)等學(xué)科，并需要考慮制造工藝、封裝工藝、測(cè)試方法、低成本、智能化等實(shí)際需求，對(duì)企業(yè)的研發(fā)能力和學(xué)習(xí)曲線都提出了極高的要求。

在全球頭部MEMS 企業(yè)中，通常也呈現(xiàn)每家企業(yè)專(zhuān)注1-2 個(gè)子行業(yè)的現(xiàn)象，這與不同MEMS 的技術(shù)能力要求息息相關(guān)。MEMS 的研發(fā)和商業(yè)化周期長(zhǎng)。加速計(jì)的研發(fā)周期長(zhǎng)達(dá)9 年，商業(yè)化周期長(zhǎng)達(dá)8 年，之后，耗時(shí)8 年逐步降低成本。麥克風(fēng)的研發(fā)周期為6 年，商業(yè)化周期為6 年；振蕩器的研發(fā)周期為5 年，商業(yè)化周期為6 年。整體而言，MEMS 的研發(fā)和商業(yè)化周期正在逐漸縮短，一方面與MEMS制造商不斷提升的研發(fā)能力相關(guān)，另一方面也與市場(chǎng)對(duì) MEMS 需求與日俱增相關(guān)。

圖 20 MEMS 的研發(fā)周期和商業(yè)化周期

3、全球市場(chǎng)規(guī)模穩(wěn)步增長(zhǎng)，汽車(chē)、消費(fèi)電子和醫(yī)療是核心驅(qū)動(dòng)力，行業(yè)龍頭地位穩(wěn)定

全球MEMS 市場(chǎng)規(guī)模穩(wěn)步增長(zhǎng)，2017 年約130 億美元，2022 年約250 億美元，CAGR 達(dá)14%。事實(shí)上，該增速已經(jīng)遠(yuǎn)超傳統(tǒng)半導(dǎo)體行業(yè)個(gè)位數(shù)的增長(zhǎng)。從2012 到2019 年，消費(fèi)電子、汽車(chē)電子、醫(yī)療電子三大領(lǐng)域約占全球MEMS 市場(chǎng)規(guī)模的85%。

圖 21 全球MEMS 市場(chǎng)規(guī)模預(yù)測(cè)

圖 22 MEMS 的主要應(yīng)用領(lǐng)域

2017 年，全球排名前五的MEMS 廠商分別是博通、博世、意法半導(dǎo)體、德州儀器和Qorvo，營(yíng)收分別為14.11 億美元、12.75 億美元、7.57 億美元、6.72 億美元和6.26 億美元。入圍前30 強(qiáng)的營(yíng)收門(mén)檻值是7100 萬(wàn)美元。大陸企業(yè)僅有歌爾聲學(xué)（GOER TEC）和瑞聲科技（AAC）入圍30 強(qiáng)。比較2017 年、2016 年和2015 年的30 強(qiáng)，MEMS 行業(yè)的頭部企業(yè)基本穩(wěn)定。其中，博通公司和Qorvo 公司近年來(lái)的MEMS 營(yíng)收增幅明顯，主要得益于通信射頻RF MEMS 的需求快速增加。

圖23 2017 年全球MEMS 行業(yè)30 強(qiáng)和射頻模組RF MEMS 的市場(chǎng)預(yù)測(cè)

表 1 全球頭部MEMS 廠商的主要情況

4、MEMS 降價(jià)明顯，降本增效、推出新產(chǎn)品是企業(yè)提高毛利率的鑰匙

MEMS 應(yīng)用于汽車(chē)、消費(fèi)電子和醫(yī)療行業(yè)，下游客戶為大型OEM 廠商，并且半導(dǎo)體行業(yè)產(chǎn)品通常采用代理商銷(xiāo)售（代理商收集終端客戶的需求進(jìn)行集中采購(gòu)），因此客戶集中度十分高，導(dǎo)致MEMS 廠商的價(jià)格談判能力較弱。尤其是消費(fèi)電子客戶，要求非標(biāo)準(zhǔn)化的MEMS 價(jià)格按照標(biāo)準(zhǔn)化的通用元器件進(jìn)行銷(xiāo)售，進(jìn)一步壓縮了MEMS 廠商的利潤(rùn)空間。

圖 24 MEMS 平均價(jià)格的變化曲線

由于MEMS 的制造和封裝具有傳統(tǒng)IC 的特點(diǎn)，因此CMOS 工藝是MEMS 行業(yè)降低成本的重要途徑之一。以圖像傳感器為例，基于CMOS 工藝制造的CMOS 圖像傳感器，成本低于傳統(tǒng)CCD圖像傳感器，成為消費(fèi)電子攝像模組的首選。中國(guó)MEMSIC 美新半導(dǎo)體采用標(biāo)準(zhǔn)CMOS 集成電路工藝單芯片集成MEMS 和ASIC 電路，在晶圓級(jí)結(jié)合MEMS 結(jié)構(gòu)和CMOS 標(biāo)準(zhǔn)化工藝，可使用現(xiàn)成的設(shè)備與可兼容與CMOS 制程的制造流程，制造出尺寸小、重量輕、低成本、可批量生產(chǎn)的傳感器。當(dāng)然，MEMS 制造的標(biāo)準(zhǔn)化工作仍需要行業(yè)不斷的努力，從而進(jìn)一步降低成本。

推出新產(chǎn)品也是提高產(chǎn)品毛利率的一把鑰匙。以MEMSIC 美新半導(dǎo)體為例，2017 年上半年的數(shù)據(jù)顯示，消費(fèi)類(lèi)磁傳感器的新產(chǎn)品毛利率為38.2%，老產(chǎn)品僅10.7%；消費(fèi)類(lèi)加速度計(jì)新產(chǎn)品毛利率53.42%，老產(chǎn)品僅14.29%；汽車(chē)類(lèi)MEMS 的新產(chǎn)品毛利率為23.59%，老產(chǎn)品僅1.37%。上述數(shù)據(jù)顯示，推出新產(chǎn)品能夠顯著提高產(chǎn)品的毛利率。

圖 25 MEMS 平均價(jià)格的變化曲線

5、我國(guó) MEMS 產(chǎn)業(yè)鏈完整，能力較薄弱，但發(fā)展前景樂(lè)觀

我國(guó)基本形成了完整的MEMS 產(chǎn)業(yè)鏈，設(shè)計(jì)廠商有MEMSIC 半導(dǎo)體、硅?？萍?、敏芯微電子等；代工廠商有中芯國(guó)際、華虹宏力、CSMC、ASMC、耐威科技等；封裝測(cè)試廠商有長(zhǎng)電科技、華天科技、通富微電、晶方科技等。

圖 26 我國(guó)MEMS 產(chǎn)業(yè)鏈

中國(guó)擁有全球最大的汽車(chē)市場(chǎng)和消費(fèi)電子市場(chǎng)，醫(yī)療行業(yè)也正蓬勃發(fā)展，但是中高端MEMS的自主化率仍較低。在2017 年全球MEMS 行業(yè)30 強(qiáng)中，大陸企業(yè)僅有歌爾聲學(xué)（GOER TEC，排名11 位）和瑞聲科技（AAC，排名23 位）。

我認(rèn)為我國(guó)MEMS 行業(yè)的發(fā)展前景樂(lè)觀，主要原因有：

——我國(guó)正處于半導(dǎo)體行業(yè)發(fā)展大浪潮中，大量資本注入半導(dǎo)體行業(yè)，一方面推動(dòng)了相關(guān)

硬件設(shè)施的迅速發(fā)展，同時(shí)吸引了高端行業(yè)人才加盟本土公司。MEMS 作為半導(dǎo)體行業(yè)的重要分支，能夠順勢(shì)而上。

——MEMS 行業(yè)細(xì)分繁多，贏家無(wú)法通吃全部細(xì)分行業(yè)，具有“長(zhǎng)尾效應(yīng)”。尤其是物聯(lián)網(wǎng)、醫(yī)療等行業(yè)能夠催生出大量的MEMS 新應(yīng)用。例如，瑞聲科技成功切入了MEMS 麥克風(fēng)細(xì)分市場(chǎng)和Haptics 市場(chǎng)，成為了我國(guó)MEMS 行業(yè)的標(biāo)桿性企業(yè)。

——經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，我國(guó)已經(jīng)奠定了完整的MEMS 產(chǎn)業(yè)鏈基礎(chǔ)，并培養(yǎng)了一批具有一定技術(shù)實(shí)力的MEMS 企業(yè)。MEMS 企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力不僅體現(xiàn)在技術(shù)實(shí)力，也體現(xiàn)在渠道和生態(tài)建設(shè)能力。國(guó)內(nèi)MEMS 企業(yè)揚(yáng)長(zhǎng)避短，能夠獲得發(fā)展空間。

圖 27 我國(guó)主要MEMS 企業(yè)

三、未來(lái)發(fā)展：小尺寸、集成化是技術(shù)趨勢(shì)，物聯(lián)網(wǎng)是應(yīng)用藍(lán)海

1、 小尺寸、集成化是產(chǎn)品發(fā)展趨勢(shì)

摩爾定律是集成電路行業(yè)發(fā)展的“黃金規(guī)律”，小尺寸化能夠提高性能、降低功耗、降低成本。隨著微納技術(shù)的持續(xù)發(fā)展，未來(lái)微機(jī)電系統(tǒng)MEMS 將有可能向納米尺寸發(fā)展。以MEMS加速度計(jì)為例，2009 年其管腳尺寸為3*5mm2，2014 年管腳尺寸為1.6*1.6mm2，尺寸降幅達(dá)86%。

圖 28 MEMS 尺寸變化趨勢(shì)

集成化主要體現(xiàn)在封裝技術(shù)的持續(xù)提升。一方面，通過(guò)先進(jìn)封裝技術(shù)將不同的MEMS 功能進(jìn)行融合。例如，9 軸慣性測(cè)量單元將加速度計(jì)、陀螺儀、地磁計(jì)進(jìn)行融合；環(huán)境傳感器將氣體/微利、壓力、溫度/濕度、麥克風(fēng)進(jìn)行融合；光學(xué)傳感器將可見(jiàn)光傳感、接近光傳感、三維視覺(jué)傳感、多頻譜傳感進(jìn)行融合。另一方面，使用先進(jìn)的封裝技術(shù)將傳感單元、執(zhí)行單元、微電源、ASIC、MCU 進(jìn)行集成，進(jìn)一步提升MEMS 產(chǎn)品價(jià)值。本研究中列出的倒裝片封裝、晶圓級(jí)封裝WLP、3D 封裝、系統(tǒng)級(jí)封裝SIP 等封裝技術(shù)均是MEMS 實(shí)現(xiàn)高度集成化的重要方向。

圖 29 MEMS 尺寸變化趨勢(shì)

圖 30 MEMS 多功能融合

2、微執(zhí)行器將迎來(lái)發(fā)展浪潮

MEMS 執(zhí)行器在微尺度下完成需要?jiǎng)幼?，比傳統(tǒng)執(zhí)行器的控制精度更優(yōu)、能耗更低，應(yīng)用場(chǎng)景十分廣闊。意法半導(dǎo)體公司開(kāi)發(fā)的自動(dòng)對(duì)焦執(zhí)行器，比音圈電機(jī)功耗更低、速度更快；意法半導(dǎo)體與Debiotec 合作開(kāi)發(fā)的Nanopump 胰島素輸送泵，以更加簡(jiǎn)單易用的方式提升糖尿病患者的生活質(zhì)量；MEMS Drive 公司開(kāi)發(fā)了全球首款應(yīng)用于智能手機(jī)光學(xué)防抖的MEMS 光學(xué)圖像防抖穩(wěn)定器OIS 等。在目前的全球MEMS 市場(chǎng)中，增長(zhǎng)最為迅速的是射頻模組MEMS 執(zhí)行器，包括MEMS 濾波器、MEMS 諧振器、MEMS 開(kāi)關(guān)等。3D 掃描、沉浸式游戲動(dòng)作控制、面部識(shí)別、MEMS揚(yáng)聲器、超極本投影等諸多應(yīng)用場(chǎng)景成為MEMS 執(zhí)行器的發(fā)展趨勢(shì)。

3、物聯(lián)網(wǎng)是 MEMS 應(yīng)用的藍(lán)海

“物聯(lián)網(wǎng)已進(jìn)入跨界融合、繼承創(chuàng)新和規(guī)模化發(fā)展新階段，將為經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展注入新活力，培育新動(dòng)能。物聯(lián)網(wǎng)在交通、物流、環(huán)保、醫(yī)療、安防、電力等領(lǐng)域的應(yīng)用逐漸得到規(guī)?；?yàn)證，拉開(kāi)了相關(guān)行業(yè)的智能化、精細(xì)化、網(wǎng)絡(luò)化變革大幕”。在萬(wàn)物互聯(lián)的世界里，MEMS 是萬(wàn)物信息的關(guān)鍵獲取節(jié)點(diǎn)，通過(guò)掌握MEMS 節(jié)點(diǎn)獲取萬(wàn)物信息，對(duì)布局物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)的企業(yè)至關(guān)重要。

一方面，5G、車(chē)聯(lián)網(wǎng)、智慧醫(yī)療、智能家居、可穿戴設(shè)備、智慧城市等物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的發(fā)展能夠拉動(dòng)壓力傳感器、加速計(jì)、磁力計(jì)、陀螺儀、MEMS 麥克風(fēng)、MEMS 濾波器、MEMS 開(kāi)關(guān)等現(xiàn)有產(chǎn)品的需求；另一方面，受到物聯(lián)網(wǎng)對(duì)小尺寸、低功耗、集成化、智能化MEMS 的海量需求，MEMS 新產(chǎn)品將不斷踴躍，進(jìn)一步賦能物聯(lián)網(wǎng)生態(tài)圈，形成良性循環(huán)。

圖 31 2014-2024 年全球聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的數(shù)量