什么是MEMS技術(shù)？
MEMS 技術(shù)于 1980 年代發(fā)明，是一種利用硅基半導(dǎo)體制造工藝制造微型機(jī)械電子系統(tǒng)的技術(shù)，最早在汽車和軍工領(lǐng)域有部分應(yīng)用，主要產(chǎn)品包括 MEMS 傳感器和 MEMS 執(zhí)行器。使用MEMS 工藝制造的器件具有小型化、可智能化的特點(diǎn)，契合物聯(lián)網(wǎng)中邊緣端設(shè)備采集不同維度、海量數(shù)據(jù)過(guò)程中對(duì)低功耗、一致性高的需求。但在 4G 網(wǎng)絡(luò)誕生以前，由于通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸和承載能力有限，MEMS 傳感器的市場(chǎng)需求亦非常有限，正如胎兒時(shí)期的人類由于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)尚未發(fā)育，相應(yīng)的感官器官的發(fā)展也會(huì)受到限制。
縱觀 MEMS 行業(yè)的發(fā)展歷史，汽車產(chǎn)業(yè)、醫(yī)療及健康監(jiān)護(hù)產(chǎn)業(yè)、通信產(chǎn)業(yè)以及手機(jī)和游戲機(jī)等個(gè)人電子消費(fèi)品產(chǎn)業(yè)相繼促進(jìn)了 MEMS 產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。尤其是 2007 年以來(lái)，隨著以智能手機(jī)為代表的消費(fèi)電子產(chǎn)品的快速普及和發(fā)展，MEMS 商業(yè)化的進(jìn)展明顯加快。從而伴隨著 4G網(wǎng)絡(luò)和智能手機(jī)的誕生，MEMS 器件在過(guò)去十余年時(shí)間里有了非常顯著的發(fā)展，根據(jù) IHS 的報(bào)告，至 2019 年整個(gè) MEMS 器件市場(chǎng)的容量為 165 億美元，而中國(guó)信通院的報(bào)告顯示，下游智能傳感器市場(chǎng)的全球市場(chǎng)總量達(dá)到 378.5 億美元。
但整個(gè) MEMS 器件及下游的智能傳感器市場(chǎng)仍然處于發(fā)展的初期，主要原因在于：
一、隨著 5G 網(wǎng)絡(luò)及之后通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸速度和承載能力的進(jìn)一步提高，邊緣端設(shè)備感知能力的市場(chǎng)需求才能進(jìn)一步有效產(chǎn)生，而 MEMS 器件的低功耗、一致性高以及微小型化極大地契合了這一需求，更多新興的 MEMS 器件需求以及現(xiàn)有 MEMS 器件的全新應(yīng)用場(chǎng)景將在未來(lái) 10 年內(nèi)持續(xù)產(chǎn)生；
二、傳感器是物聯(lián)網(wǎng)的核心數(shù)據(jù)入口，物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展帶動(dòng)智能終端設(shè)備普及，推動(dòng)MEMS 需求量增長(zhǎng)。據(jù)全球移動(dòng)通信系統(tǒng)協(xié)會(huì) GSMA 統(tǒng)計(jì)和預(yù)測(cè)，2019 年全球物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備數(shù)量為 120 億臺(tái)，預(yù)計(jì)到 2025 年將增長(zhǎng)至 246 億臺(tái)，2019 年到 2026 年將保持 12.7％的復(fù)合增長(zhǎng)率；
三、全球主要工業(yè)國(guó)家的人口出生率近年來(lái)均出現(xiàn)了不同程度的下降，用工成本和供需矛盾將進(jìn)一步凸顯，旨在減少用工人員的工業(yè)制造智能化的需求涌現(xiàn)，越來(lái)越多的制造業(yè)工廠正在經(jīng)歷智能化改造，而 MEMS 傳感器在智能化制造過(guò)程中的應(yīng)用屬于剛需，需求將不斷提升。
國(guó)內(nèi)掌握核心技術(shù)的 MEMS 企業(yè)在未來(lái) 10 年將面臨前所未有的發(fā)展機(jī)遇。首先，中國(guó)是消費(fèi)電子、汽車、工業(yè)制造的主要集中地，這就意味著中國(guó) MEMS 芯片企業(yè)可以與下游市場(chǎng)建立更為緊密的聯(lián)系。而國(guó)外的 MEMS 芯片提供商多為英飛凌、意法半導(dǎo)體、德州儀器、ADI 等大型模擬芯片廠商以及博世、霍尼韋爾等脫胎于汽車和工業(yè)制造供應(yīng)商的模組廠商，企業(yè)體系內(nèi)原有利益格局較為穩(wěn)定，相比國(guó)內(nèi)專業(yè)的 MEMS 芯片企業(yè)，其在緊貼下游的服務(wù)意識(shí)和服務(wù)半徑方面均存在一定劣勢(shì)，對(duì)新市場(chǎng)新需求的響應(yīng)也會(huì)相對(duì)落后，國(guó)內(nèi)廠商相比而言更能把握住下游市場(chǎng)新的顛覆性需求；國(guó)外模擬類芯片大廠多采用 IDM 模式，并因此得以在行業(yè)發(fā)展初期占據(jù)優(yōu)勢(shì)地位，而國(guó)內(nèi) MEMS 芯片企業(yè)在發(fā)展初期普遍受限于資金，多采用 Fabless 的模式。因此這也是國(guó)內(nèi) MEMS 產(chǎn)品的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程周期較長(zhǎng)的一個(gè)關(guān)鍵原因，同時(shí)也是目前國(guó)際 MEMS 芯片廠商仍然處于領(lǐng)先地位的重要因素。而國(guó)內(nèi) MEMS 芯片領(lǐng)先企業(yè)在制造端的投入將縮短新產(chǎn)品的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程，大大提高其在整個(gè) MEMS 行業(yè)中的競(jìng)爭(zhēng)力。
MEMS 傳感器芯片的基本特點(diǎn)
與大規(guī)模集成電路產(chǎn)品均采用標(biāo)準(zhǔn)的 CMOS 生產(chǎn)工藝不同，MEMS 傳感器芯片本質(zhì)上是在硅片上制造極微小化機(jī)械系統(tǒng)和集成電路的集合體，需要綜合運(yùn)用多學(xué)科、多行業(yè)的知識(shí)與技術(shù)、生產(chǎn)加工工藝具有明顯的非標(biāo)準(zhǔn)化和高度的定制化以及對(duì)產(chǎn)品供應(yīng)鏈體系的支撐有著非常高的要求等特點(diǎn)。MEMS 芯片具有非常強(qiáng)的工藝特征，三維制造工藝與集成電路的二維制造工藝相差甚大，這也是國(guó)家十四五規(guī)劃中明確將 MEMS 特殊工藝的突破納入其中的重要原因。
主要技術(shù)門檻是什么
（1）跨行業(yè)知識(shí)與技術(shù)的綜合運(yùn)用
MEMS 是一門交叉學(xué)科，MEMS 產(chǎn)品的研發(fā)與設(shè)計(jì)需要機(jī)械、電子、材料、半導(dǎo)體等跨學(xué)科知識(shí)以及機(jī)械制造、半導(dǎo)體制造等跨行業(yè)技術(shù)的積累和整合。MEMS 行業(yè)的研發(fā)設(shè)計(jì)人員需要具備上述專業(yè)知識(shí)技術(shù)的深入儲(chǔ)備和對(duì)上下游行業(yè)的深入理解，才能設(shè)計(jì)出既滿足客戶需求，又適合供應(yīng)商實(shí)際加工能力的 MEMS 產(chǎn)品，因此對(duì)研發(fā)人員的專業(yè)知識(shí)和行業(yè)經(jīng)驗(yàn)都提出了較高的要求。
（2）各生產(chǎn)環(huán)節(jié)均存在技術(shù)壁壘
與大規(guī)模集成電路行業(yè)相比，MEMS 產(chǎn)品的研發(fā)步驟更加復(fù)雜，除了完成 MEMS 傳感器芯片的設(shè)計(jì)外，還需要開(kāi)發(fā)出適合公司芯片設(shè)計(jì)路線的 MEMS 晶圓制造工藝。在晶圓制造廠商缺乏成熟的 MEMS 工藝模塊的情況下，公司需要參與開(kāi)發(fā)適合晶圓制造廠商的制造工藝模塊，即使在晶圓制造廠商已經(jīng)具備成熟制造工藝模塊的情況下，公司也需要根據(jù)公司的芯片設(shè)計(jì)路線確定每款芯片的具體工藝流程。由于 MEMS 傳感器需要與外界環(huán)境進(jìn)行接觸，感知外部信號(hào)的變化，所以需要對(duì)成品的封裝結(jié)構(gòu)和封裝工藝進(jìn)行研發(fā)與設(shè)計(jì)，以降低產(chǎn)品失效的可能性。由于MEMS 傳感器承擔(dān)了對(duì)外部信號(hào)的獲取和轉(zhuǎn)換等功能，下游應(yīng)用場(chǎng)景多樣，產(chǎn)品內(nèi)部的極微小型機(jī)械系統(tǒng)對(duì)外界應(yīng)用環(huán)境相對(duì)敏感，因此公司還需要負(fù)責(zé) MEMS 專業(yè)測(cè)試設(shè)備系統(tǒng)和測(cè)試技術(shù)的開(kāi)發(fā)，以滿足 MEMS 傳感器產(chǎn)品性能和質(zhì)量測(cè)試的需求。因此，MEMS 傳感器行業(yè)在芯片設(shè)計(jì)、晶圓制造、封裝和測(cè)試環(huán)節(jié)都具有壁壘。
（3）技術(shù)工藝非標(biāo)準(zhǔn)化
MEMS 傳感器具有一種產(chǎn)品一種加工工藝的特點(diǎn)。MEMS 傳感器產(chǎn)品種類多樣，各種產(chǎn)品的功能和應(yīng)用領(lǐng)域也不盡相同，使得各種 MEMS 傳感器的生產(chǎn)工藝和封裝工藝均需要根據(jù)產(chǎn)品設(shè)計(jì)進(jìn)行調(diào)試，晶圓和成品的測(cè)試過(guò)程也采取非標(biāo)準(zhǔn)工藝，因此 MEMS 傳感器產(chǎn)品不存在通用化的技術(shù)工藝，需要從基礎(chǔ)研發(fā)開(kāi)始對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)、生產(chǎn)工藝、設(shè)備開(kāi)發(fā)和材料選取等各生產(chǎn)要素經(jīng)歷長(zhǎng)時(shí)間的研發(fā)和投入，并在大量出貨的過(guò)程中不斷對(duì)上述生產(chǎn)要素進(jìn)行完善和優(yōu)化。
MEMS傳感器的發(fā)展現(xiàn)狀
MEMS 傳感器目前已經(jīng)廣泛運(yùn)用于消費(fèi)電子、汽車、工業(yè)、醫(yī)療、通信等各個(gè)領(lǐng)域，隨著人工智能和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，MEMS 傳感器的應(yīng)用場(chǎng)景將更加多元。MEMS 傳感器是人工智能重要的底層硬件之一，傳感器收集的數(shù)據(jù)越豐富和精準(zhǔn)，人工智能的功能才會(huì)越完善。
物聯(lián)網(wǎng)生態(tài)系統(tǒng)的核心是傳感、連接和計(jì)算，隨著聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的不斷增長(zhǎng)，對(duì)智能傳感器數(shù)量和智能化程度的要求也不斷提升。未來(lái)，智能家居、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、車聯(lián)網(wǎng)、智能城市等新產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域都將為MEMS 傳感器行業(yè)帶來(lái)更廣闊的市場(chǎng)空間。因其得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)，MEMS 傳感器應(yīng)用絕不僅局限于可穿戴設(shè)備，未來(lái)醫(yī)療、人工智能以及汽車電子等領(lǐng)域的傳輸?shù)讓蛹軜?gòu)均要依賴 MEMS 傳感器來(lái)布局。
從目前全球的發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看，汽車工業(yè)和消費(fèi)類電子的市場(chǎng)已經(jīng)發(fā)展的足夠發(fā)達(dá)，成為了MEMS 傳感器的發(fā)展基礎(chǔ)。未來(lái)，醫(yī)療、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、智慧城市等應(yīng)用領(lǐng)域智能現(xiàn)代化趨勢(shì)明顯，MEMS 傳感器的發(fā)展?jié)摿艽蟆?/span>
未來(lái)的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)：
（1）MEMS 和傳感器呈現(xiàn)多項(xiàng)功能高度集成化和組合化的趨勢(shì)。由于設(shè)計(jì)空間、成本和功耗預(yù)算日益緊縮，在同一襯底上集成多種敏感元器件、制成能夠檢測(cè)多個(gè)參量的多功能組合MEMS 傳感器成為重要解決方案。
（2）傳感器智能化及邊緣計(jì)算。軟件正成為 MEMS 傳感器的重要組成部分，隨著多種傳感器進(jìn)一步集成，越來(lái)越多的數(shù)據(jù)需要處理，軟件使得多種數(shù)據(jù)融合成為可能。MEMS 產(chǎn)品發(fā)展必將從系統(tǒng)應(yīng)用的定義開(kāi)始，開(kāi)發(fā)具有軟件融合功能的智能傳感器，促進(jìn)人工智能在傳感器領(lǐng)域更廣闊的應(yīng)用。
（3）傳感器低功耗及自供能需求日趨增加。隨著物聯(lián)網(wǎng)等應(yīng)用對(duì)傳感需求的快速增長(zhǎng)，傳感器使用數(shù)量急劇增加，能耗也將隨之翻倍。降低傳感器功耗，采用環(huán)境能量收集實(shí)現(xiàn)自供能，增強(qiáng)續(xù)航能力的需求將會(huì)伴隨傳感器發(fā)展的始終，且日趨強(qiáng)烈。
（4）MEMS 向 NEMS 演進(jìn)。隨著終端設(shè)備小型化、種類多樣化，推動(dòng)微電子加工技術(shù)特別是納米加工技術(shù)的快速發(fā)展，智能傳感器向更小尺寸演進(jìn)是大勢(shì)所趨。與 MEMS 類似，NEMS（納機(jī)電系統(tǒng)）是專注納米尺度領(lǐng)域的微納系統(tǒng)技術(shù)，只不過(guò)尺寸更小。
（5）新敏感材料的興起。薄膜型壓電材料具有更好的工藝一致性、更高的可靠性、更高的良率、更小的面積，可用于 MEMS 執(zhí)行器、揚(yáng)聲器、觸覺(jué)和觸摸界面等。未來(lái) MEMS 器件的驅(qū)動(dòng)模式預(yù)計(jì)將從傳統(tǒng)的靜電梳齒驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向壓電驅(qū)動(dòng)。
（6）更大的晶圓尺寸。相比于目前業(yè)界普遍 應(yīng)用的 6 英寸、8 英寸晶圓制造工藝，更大的晶圓尺寸能夠很大程度上降低成本、提高產(chǎn)量，并且晶圓尺寸的擴(kuò)大與芯片特征尺寸的縮小是相應(yīng)促進(jìn)和互相推動(dòng)的。例如，用 12 英寸晶圓工藝線制造的 MEMS 產(chǎn)品已經(jīng)出現(xiàn)。
