MEMS傳感器是在微電子技術基礎上發展起來的多學科交叉的前沿研究領域。經過四十多年的發展，已成為世界矚目的重大科技領域之一。它涉及電子、機械、材料、物理學、化學、生物學、醫學等多種學科與技術，具有廣闊的應用前景。

作者認為未來MEMS將向三大趨勢發展：MEMS 封裝將會向標準化演進；SIP系統級的高度集成化是主要承載形式；未來 MEMS 產品將演變為低、中、高三類而不再局限于中高端。

除此之外，文中還認為：MEMS是替代傳統傳感器的唯一技術選擇；MEMS產業核心門檻在于設計理念和封測工藝；整個 MEMS 生產中，封測的成本占比達到 35%-60%以上；依靠單一種類的MEMS 產品很難支撐一個公司；工藝開發過程中呈現出“一類產品一種制造工藝”的特點；國內60%-70%的設計產品集中在加速度計、壓力傳感器等傳統領域……

微機電系統（Micro-Electro Mechanical System）是指尺寸在幾毫米乃至更小的傳感器裝置，其內部結構一般在微米甚至納米量級，是一個獨立的智能系統。

簡單理解，MEMS 就是將傳統傳感器的機械部件微型化后，通過三維堆疊技術，例如三維硅穿孔 TSV 等技術把器件固定在硅晶元（wafer）上，最后根據不同的應用場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法企及的 IC 硅片加工批量化生產帶來的成本優勢， MEMS 同時又具備普通傳感器無法具備的微型化和高集成度。

傳統 ECM 駐極體電容麥克風/Apple Watch 樓氏 MEMS 硅麥克風

MEMS是替代傳統傳感器的唯一選擇

諸如最典型的半導體發展歷史：從 20 世紀初在英國物理學家弗萊明手下發明的第一個電子管，到 1943 年擁有 17468 個電子三極管的 ENIAC 和 1954 年誕生裝有 800 個晶體管的計算機 TRADIC， 到 1954 年飛兆半導體發明了平面工藝使得集成電路可以量產， 從而誕生了 1964 年具有里程碑意義的首款使用集成電路的計算機 IBM 360。模擬量到數字化、 大體積到小型化以及隨之而來的高度集成化，是所有近現代化產業發展前進的永恒追求，MEMS也不例外。

半導體的發展歷史：從電子管-晶體管-集成電路 ? 正因為 MEMS 擁有如此眾多跨世代的優勢， 目前來看我們認為其是替代傳統傳感器的唯一可能選擇，也可能是未來構筑物聯網感知層傳感器最主要的選擇之一。 ? 1）微型化：MEMS 器件體積小， 一般單個 MEMS 傳感器的尺寸以毫米甚至微米為計量單位， 重量輕、耗能低。同時微型化以后的機械部件具有慣性小、諧振頻率高、響應時間短等優點。MEMS 更高的表面體積比（表面積比體積） 可以提高表面傳感器的敏感程度。 2）硅基加工工藝，可兼容傳統 IC 生產工藝：硅的強度、硬度和楊氏模量與鐵相當，密度類似鋁，熱傳導率接近鉬和鎢，同時可以很大程度上兼容硅基加工工藝。 3）批量生產：以單個 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切割出大約 1000 個 MEMS 芯片， 批量生產可大大降低單個 MEMS 的生產成本。 4）集成化：一般來說，單顆 MEMS 往往在封裝機械傳感器的同時， 還會集成ASIC 芯片，控制 MEMS 芯片以及轉換模擬量為數字量輸出。

同時不同的封裝工藝可以把不同功能、不同敏感方向或致動方向的多個傳感器或執行器集成于一體，或形成微傳感器陣列、微執行器陣列，甚至把多種功能的器件集成在一起，形成復雜的微系統。 微傳感器、微執行器和微電子器件的集成可制造出可靠性、穩定性很高的 MEMS。隨著 MEMS 的工藝的發展，現在傾向于單個 MEMS 芯片中整合更多的功能， 實現更高的集成度。 例如慣性傳感器 IMU（Inertialmeasurement unit） 中， 從最早的分立慣性傳感器，到 ADI 推出的一個封裝內中集成了三軸陀螺儀、加速度計、磁力計和一個壓力傳感器以及 ADSP-BF512Blackfin 處理器的 10 自由度高精度 MEMS 慣性測量單元。 5）多學科交叉：MEMS 涉及電子、機械、材料、制造、信息與自動控制、物理、化學和生物等多種學科，并集約了當今科學技術發展的許多尖端成果。MEMS 是構筑物聯網的基礎物理感知層傳感器的最主要選擇之一。 由于物聯網特別是無線傳感器網絡對器件的物理尺寸、功耗、成本等十分敏感，傳感器的微型化對物聯網產業的發展至關重要。 MEMS 微機電系統結合兼容傳統的半導體工藝， 采用微米技術在芯片上制造微型機械，并將其與對應電路集成為一個整體的技術，它是以半導體制造技術為基礎發展起來的， 批量化生產能滿足物聯網對傳感器的巨大需求量和低成本要求。 物聯網給MEMS帶來新機遇

全球半導體產業中， PC 在主導產業 10 多年后， 已經逐漸讓位于消費電子， 隨著摩爾定律逐漸到達其瓶頸， 制程的進步已經漸近其物理極限。

根據 MonolithIC 3D 創辦人 Zvi Or-Bach 的觀點，在 28 納米之后， 晶圓廠可以繼續把晶體做得更小、但卻無法更便宜， 對制程要求相對較低的物聯網應用可能會成為成熟制程重要的下游產業應用。

摩爾定律正在接近極限

就目前趨勢來看， 高端制程在整個 IC 封裝工藝中， 占比已經開始相對下降。先進制程節點元件的實際工程成本，已經證明對產業界大多數廠商來說都太昂貴；因此半導體產業確實已經分頭發展，只有少數會追求微縮至 7 納米，而大多數仍維持采用 28 納米或更舊節點的設計。

未來可以預見未來大規模下游應用主要會以新的消費電子例如 AR/VR， 以及物聯網例如智能駕駛、 智慧物流、 智能家居等。而傳感器做為感知層，是不可或缺的關鍵基礎物理層部分，物聯網的快速發展，將會給 MEMS 行業帶來巨大的發展紅利。 物聯網的系統架構主要包括三部分：感知層、傳輸層和應用層。 感知層的作用主要是獲取環境信息和物與物的交互， 主要由傳感器、 微處理器和 RF 無線收發器等組成； 傳輸層主要用于感知層之間的信息傳遞，由包括 NB IOT、Zig Bee、Thread、藍牙等通訊協議組成； 應用層主要包括云計算、云存儲、 大數據和數據挖掘以及人機交互等軟件應用層面構成。感知層傳感器處于整個物聯網的最底層，是數據采集的入口，物聯網的“心臟”， 有著巨大的發展空間。
物聯網的三層架構

物聯網產業覆蓋面廣，小到手機，大到新能源汽車以及大量未聯網的設備、終端都將聯通，為市場帶來萬億市值增長潛力?；ヂ摼W、智能手機的出世推動了信息產業第二波浪潮，但目前已趨于成熟，增速較為平緩，而以傳感網、物聯網為代表的信息獲取或信息感知正在推動信息產業進入第三次浪潮，物聯網時代已經啟動。

物聯網：第三次產業化浪潮

2015 年，全球物聯網產業規模已接近 3500 億美元，中國物聯網產業規模達到7500 億人民幣。Forrester Research 預測，到 2020 年，物聯網產業的規模要比信息互聯網大 30 倍，將有 240 億臺物聯網設備接入互聯網，真正實現萬物互聯。

隨著國內設計、制造、封測等多個環節的技術和工藝正在逐步成熟，MEMS 作為物理量連接半導體的產物，將恰逢其時的受益于物聯網產業的發展， MEMS 在消費電子、汽車電子、工業控制、軍工、智能家居、智慧城市等領域將得到更為廣泛的應用，根據 Yole developpement 的預測， 2016-2020 年 MEMS 傳感器市場將以 13%年復合成長率增長， 2020 年 MEMS 傳感器市場將達到 300 億美元,前景無限。
MEMS 全球市場產值預測（億美元） 2015 年中國 MEMS 器件市場規模為 308 億元人民幣，占據全球市場的三分之一。從發展速度而言，中國 MEMS 市場增速一直快于全球市場增速。中國 MEMS 器件市場平均增速約 15 - 20%，中國集成電路市場增速約為 7 - 10%，橫向對比而言，MEMS 器件市場的增速兩倍于集成電路市場。
中國近年 MEMS 傳感器市場規模（億元）

MEMS產業鏈一覽，國外領先 MEMS 沒有一個固定成型的標準化的生產工藝流程， 每一款 MEMS 都針對下游特定的應用場合， 因而有獨特的設計和對應的封裝形式，千差萬別。 MEMS 和傳統的半導體產業有著巨大的不同， 她是微型機械加工工藝和半導體工藝的結合。MEMS 傳感器本身一般是個比較復雜的微型物理機械結構，并沒有 PN 結。但同時單個 MEMS 一般都會集成 ASIC 芯片并植在硅晶圓片上， 再封裝測試和切割，后道工藝流程又類似傳統 COMS 工藝流程。 因此MEMS 性能的提升很大程度上不會過分依賴于硅晶圓制程工藝的升級， 而更傾向于根據下游應用需求定制設計、對微型機械結構的優化、對不同材料的選擇，實現每一款傳感器的獨特功能，因此也不存在傳統半導體工藝晶圓廠不同世代的制程工藝升級路線圖（ROAD MAP）。
IC 制程工藝更接近于 2D 平面 VS MEMS3 維立體堆疊 典型的 MEMS 系統如圖所示，由傳感器、信息處理單元、執行器和通訊/接口單元等組成。其輸入是物理信號，通過傳感器轉換為電信號，經過信號處理（模擬的和/或數字的）后，由執行器與外界作用。 每一個微系統可以采用數字或模擬信號（電、光、磁等物理量）與其它微系統進行通信。MEMS 將電子系統與周圍環境有機結合在一起，微傳感器接收運動、光、熱、聲、磁等自然界信號，信號再被轉換成電子系統能夠識別、處理的電信號，部分 MEMS 器件可通過微執行器實現對外部介質的操作功能。
傳感器工作原理 MEMS 產業鏈類似于傳統半導體產業，主要包括了四大部分：前端 fabless 設計環節、 ODM 代工晶圓廠生產環節、 封裝測試到下游最終應用的四大環節。
MEMS 產業鏈劃分 全球前十名 MEMS 廠商主要包括博世、意法半導體、惠普、德州儀器、佳能、InvenSense、 Avago 和 Qorvo、 樓氏電子、松下等等。其中BOSCH 因為其在汽車電子和消費電子的雙重布局，牢牢占據著行業的第一的位置，其營收約占五大公司合計營收的三分之一。 大部分 MEMS 行業的主要廠商是以 Fabless 為主， 例如樓氏、 HP、佳能等。同時，平行的也有 IDM 廠商垂直參與到整條產業鏈的各個環節，比如 Bosch、 ST等都建有自己的晶元代工生產線。
全球主要 MEMS 廠商的生產模式定位 基于之前闡述的 MEMS 本身區別于傳統 IC 產業特征，我們認為行業的核心門檻在于兩點：設計理念和封測工藝。 前者不僅僅包括對傳統 IC 設計的理解，更需要包括多學科的綜和，例如微觀材料學、力學、 化學等等。原因是因為內部涉及機械結構，空腔，和不同的應用場景，如導航，光學，物理傳感等。可以展開細說。 后者， 因為單個 MEMS 被設計出來的使用用途、使用環境、 實現目的不同，對封裝有著各種完全不同的要求。比如對硅麥有防水和不防水區分，光學血氧濃度傳感器需要穿孔和空腔安裝透鏡，氣壓傳感器需要向外界敞開不能密封等等。在整個 MEMS 生產中，封測的成本占比達到 35%-60%以上。
MEMS 成本結構拆分 MEMS封裝和測試 MEMS 產品種類豐富、功能各異，工藝開發過程中呈現出“一類產品一種制造工藝”的特點。MEMS 芯片或器件的種類多達上萬、個性特征明顯，除了采用相同的硅材料外，不同的 MEMS 產品之間沒有完全標準的工藝，產品參量較多，每類產品品種實現量產都需要從前端研發重新投入，工藝開發周期長，且量產率較傳統半導體生產行業相比更低，依靠單一種類的MEMS 產品很難支撐一個公司。 雖然不同種類的 MEMS 從用途來說截然不同，封裝形式也是天壤之別。但是從封裝結構上來說， 大致可以分為以下 3 類：封閉式封裝（Closed Package）、開放空腔式封裝（Open Cavity Package）、眼式封裝（Open Eyed Package）。
MEMS 封裝形式 中國 MEMS 產業在 2009 年后才逐漸起步，目前尚未形成規模，產業整體處于從實驗室研發向商用量產轉型階段。 國內 MEMS 廠家在營業規模、技術水平、產品結構、產業環境上與國外有明顯差距， 60%-70%的設計產品依舊集中在加速度計、壓力傳感器等傳統領域，對新產品（例如生物傳感器、化學傳感器、陀螺儀）的涉足不多。工藝水平與經驗缺失制約代工廠發展，制造環節亟需填補空白。 微機電系統的生產制造涵蓋設計、制造和封測。由于系統器件具有高度定制化、制程控制與材質特殊的特點，封裝與測試環節至少占到整個成本的 60%。因此，為了能夠在日益嚴峻的產品價格下跌趨勢下有效降低成本，多數無晶圓或輕晶圓MEMS 供應商將封裝與測試環節外包給專業封測廠商，這也將為 MEMS 器件封裝及測試廠商帶來機遇。

隨著國家政策扶持，近兩年中國 MEMS 產線投資興起， 2014 年國內 MEMS 代工廠建設投資超過 1.5 億美元，但是技術的匱乏和人才的缺失依然是產業短板。MEMS 技術與 IC 技術有本質差異，技術核心領域在于工藝和制造， MEMS 制造結構復雜、高度定制化、依賴于專用設備，且具有很強的規模效應。目前，本土MEMS產業明顯落后國際水平，國內市場嚴重依賴進口，市場份額基本被Bosch、ST、 ADI、 Honeywell、 Infineon、 AKM 等國際大公司寡頭壟斷，中高端 MEMS傳感器進口比例達 80%，傳感器芯片進口比例高達 90%。 MEMS 制造目前主要分為三類，純 MEMS 代工、 IDM 企業代工和傳統集成電路 MEMS 代工。與其將 MEMS 看做一種產品倒不如把它看成一種工藝， MEMS器件依賴各種工藝和許多變量。只有經過多年的工藝改進及測試， MEMS 器件才能真正被商品化。 研發團隊一般需要大量時間來搜索有關工藝及材料物理特性方面的資料。利用單一一種材料(如多晶硅)制得的器件可能需要根據多晶硅的來源及沉積方法來標記工藝中的變化。因此每一種工藝都需要長期、大量的數據來穩定一個工藝。 國內 MEMS 代工廠華潤上華、中芯國際、上海先進等，硬件條件雖與國際水平相近，但開發能力遠不及海外代工廠；中國 MEMS 代工企業還未積累起足夠的工藝技術儲備和大規模市場驗證反饋的經驗，加工工藝的一致性、可重復性都不能滿足設計需要，產品的良率和可靠性也無法達到規模生產要求。因此商業化階段的本土設計公司更愿意同 TSMC、 X-Fab、 Silex 等海外成熟代工廠合作。 代工環節薄弱導致好的設計無法迅速產品化并推向市場，極大地制約了中國MEMS 產業的發展，產業中游迫切需要有工藝經驗和高端技術的廠商填補洼地。雖然大部分 MEMS 業務仍然掌握在 IDM 企業中，隨著制造工藝逐漸標準化，MEMS 產業未來會沿著傳統集成電路行業發展趨勢，將逐步走向設計與制造分離的模式。純 MEMS 代工廠與 MEMS 設計公司合作開發的商業模式將成為未來業務模式的主流。
MEMS 代工企業類型比較 MEMS 技術自八十年代末開始受到世界各國的廣泛重視，對比傳統集成電路，該系統擁有諸多優點，體積小、重量輕，最大不超過一個厘米，甚至僅僅為幾個微米，其厚度更加微小。 MEMS 的原材料以硅為主，價格低廉，產量充足批量生產，良率高。同時使用壽命長，耗能低，但由于 MEMS 的工藝難度高，其良率仍然與傳統 IC 制造相比有一定的差距。 就工藝方面，目前全球主要的技術途徑有三種，一是以美國為代表的以集成電路加工技術為基礎的硅基微加工技術；二是以德國為代表發展起來的利用 X 射線深度光刻、微電鑄、微鑄塑的 LIGA 技術；三是以日本為代表發展的精密加工技術，如微細電火花 EDM、超聲波加工。 盡管 MEMS 和 IC 在封裝和外觀上具有相似性，但實質上 MEMS 在芯片設計和制造工藝方面與 IC 不同。IC 一般是平面器件，通過數百道工藝步驟，在若干個特定平面層上使用圖案化模板制造而來，表現出特定的電學或電磁學功能來實現模擬、數字、計算或儲存等特定任務。理想狀態下， IC 基本元件（晶體管）是一種純粹的電學器件，幾乎所有的 IC 應用和功能方面具有共通性。 相對地，MEMS 是一種 3D 微機械結構。基于硅工藝技術， MEMS 相比于傳統的“大型器件”，微米級別的 MEMS 器件能夠更廣泛、靈活地應用在汽車電子、消費電子等領域。 中國MEMS產業 國內 MEMS 行業的 fabless 規模相對較小， 但市場規模來說具備很大的發展空間。面對國內巨大的消費電子市場， 自產自銷滿足國內部分中低端市場需求，也是國內 Fabless 司的一個捷徑。 例如蘇州敏芯最近宣布 MEMS 傳感器出貨量超一億顆， 他的微硅麥克風傳感器產品已經滲透至以消費類電子產品為主的各個細分應用中，成功應用在 MOTOROLA， SONY， ASUS，聯想，魅族，小米，樂視等品牌客戶的產品上。 中國 MEMS 設計企業主要集中于華東地區，約占全國企業總數的 55%，其中，以上海、蘇州、無錫三地為產業集中地： 上海： 深迪，矽睿，麗恒，芯敏，微聯，銘動，文襄，天英，巨哥 蘇州： 明皜，敏芯，雙橋，多維，能斯達，汶灝，圣賽諾爾，希美 無錫： 美新，樂爾，康森斯克，微奧，杰德，必創，微納，芯奧微，沃浦 其他： 深圳瑞聲，山東歌爾，河北美泰，山西科泰，鄭州煒盛，北京水木智芯，浙江大立，武漢高德，成都國騰，西安勵德，天津微納芯等。
國內 MEMS 企業布局 從產品使用領域結構來看，國內 MEMS 公司在營業規模、技術水平、產品結構、與國外有明顯差距， 60%-70%的設計產品集中在加速度計、壓力傳感器等傳統領域。工藝開發是我國 MEMS 行業目前面臨最主要的問題， 產品在本身技術實力和生產工藝還有待于進步。
中國傳感器產品結構 雖然國內主要集中在初級階段，中低端應用。但從近幾年的發展來看，中國地區已經成為過去五年全球 MEMS 市場發展最快的地區。 2015 年，我國 MEMS 市場規模接近 300 億元，且連續兩年增幅高達 15%以上；而且從中長期來看，國內 MEMS 行業的發展增速會快于國外， 到 2020 年，我國傳感器市場增幅將進一步提升，年平均增長率將達到 20%以上，繼續保持全球前列。 從國內市場來看，我國擁有全球規模最大的集成電路市場。蘋果、三星、小米、華為、中興等手機品牌在中國設廠生產，加之汽車電子、物聯網、無人機、智能家庭等概念產品的逐步興起，以及可穿戴設備的蓬勃發展，國內市場對硅麥克風、加速度計、陀螺儀、電子羅盤、射頻儀器、高精度壓力傳感器、氣體傳感器等MEMS 器件的需求快速增長。 根據 SEMI的估計，中國市場在全球市場的占比將從2010年的 9.2%增長到 2015年占比 15.10%。

MEMS 行業發展趨勢 1） MEMS 封裝將會向標準化演進， 模塊平臺標準化意味著更快的反應速度。 根據 Amkor 公司的觀點， MEMS 的整合正在向標準化、 平臺化演進。從之前眾多分散復雜的封裝形式（Discrete Packaging）逐漸演化到以密封模壓封裝（Overmolded）、集成電路便面裸露封裝（Exposed Die Surface）、空腔封裝（Cavity Package） 這三種載體為主的封裝形式。
MEMS 封裝向標準化演進 2） SIP（System In Package） 系統級的高度集成化會是 MEMS 未來在互聯網應用場合的主要承載形式。 隨著下游最重要的應用場景物聯網的快速發展， MEMS 在 IOT 平臺的產品未來會逐漸演化到 SIP 封裝就顯得尤為重要。往往單個 MEMS 模塊會集成包括 MCU（Microcontroller Unit）、 RF 模塊（Radio Frequenc，例如藍牙， NB IOT 發射模塊） 和 MEMS 傳感器等多個功能部分。 系統級的封裝帶來的同樣是快速響應速度和及時的產品更新換代，這對于消費電子產品來說極端重要。目前很多代工廠或者封裝廠例如 Amkor 都在推廣標準化的 IOT MEMS 平臺產品。
MEMS 在 IOT 應用領域的 SIP 封裝 而采用的封裝形式主要會以空腔封裝 （Cavity Package）和混合空腔封裝 （HybirdCavity Package）。 3）未來 MEMS 產品可能會逐漸演變為低端、中端和高端三類。 低端 MEMS 主要應用于消費電子類產品如智能手機、平板電腦等。中端 MEMS 主要應用于GPS 輔 助導 航 系 統 、工 業 自 動 化 、 工 程 機械 等 工 業 領 域 。根據 Yole Developpment 報告，作為智能感知時代的重要硬件基礎， 2014 年中低端MEMS 傳感器市場規模達到 130 億美元，預計到 2018 年，中低端 MEMS 市場產值將以 12%～13%的復合增長率增長至 225 億美元。 在今后 5 到 10 年內隨著 MEMS 技術的成熟，以智能手機以及平板電腦為主要應用對象的低端MEMS 市場利潤將逐漸下降，但未來在可穿戴設備、物聯網領域還有一定機遇；以工業、醫療及汽車為應用對象的中端 MEMS 還將持續提供增長和盈利；未來以工業 4.0 和國防軍工市場也應用對象的高端 MEMS 將為帶來顯著的超額收益。 據市場研究機構預測，高端 MEMS 市場在 2016 年~2021 年的其年復合增長達到 13.4%，而同期全球 MEMS 市場的復合年增長率僅為 8.9%，其中軍事航天、高端醫療電子和工業 4.0 應用四個領域將會占未來高端 MEMS 市場營收的 80%。

審核編輯 黃宇