近年來，MEMS 技術以其驚人的創新潛力，成爲科技領域的一顆耀眼明星。
MEMS 全稱 Micro Electromechanical System，即微機電系統，MEMS 産品将具有不同功能的微傳感器、微執行器、微結構、信号處理與控制電路、通訊 / 接口單元在矽晶圓上制作而成，是微型機械加工工藝和半導體工藝相結合的産品。
簡單來講，MEMS 是一種結合了機械和電子技術的微小裝置。
由于 MEMS 擁有小型化、低功耗、集成化、智能化等特點，被廣泛應用于消費電子、汽車、工控、醫療等領域，用于感知運動、聲音、溫度、壓力等，并且 MEMS 器件在幾乎所有市場中都得到越來越多的采用。
MEMS 是傳感器乃至整個半導體産業重要的技術分支，目前正處于第三次産業浪潮的爆發期，方興未艾。未來，随着物聯網、人工智能、自動駕駛等新興技術的發展成熟，MEMS 新産品、新功能、新應用也将不斷湧現，從而帶動 MEMS 行業規模持續增長。
根據 Yole Group 近期發布的 MEMS 年度報告《Status of the MEMS Industry 2023》顯示，MEMS 市場将以 5% 的年複合增長率，從 2022 年的 145 億美元增長到 2028 年的 200 億美元。
在這個增長過程中，消費市場仍然是 MEMS 市場中最大的細分領域。在這一細分市場中，新興的可穿戴應用将抵消最近智能手機需求量的下滑，以 4% 的年複合增長率從 76 億美元增長到 94 億美元；
汽車産業繼續從日益增加的車内自動駕駛功能中獲益，并将保持第二大市場的地位。MEMS 滲透率在自動駕駛和 ADAS 功能集成的推動下不斷增長，有助于緩沖汽車市場總體上略爲平坦或緩慢增長的局面。GNSS 定位需要用到 MEMS 慣性傳感器，激光雷達需要用到 MEMS 微鏡，實現車内舒适性需要用到 MEMS 環境傳感器，這些需求将幫助市場達到 7% 的年複合增長率，截至 2028 年市場規模可增至 41 億美元；
而工業和醫療市場在預測期的年複合增長率至少爲 5%。工業市場由工業自動化和工業 4.0 實施推動，工廠中的機器人或 AGV 等所用的慣性傳感器、振蕩器和壓力傳感器将是這一市場的關鍵。診斷和監測設備的持續小型化以及可穿戴設備的引入将增加 MEMS 組件在醫療領域中的需求。
預測期内，電信市場預計呈現 28% 的最高年複合增長率，其中用于開關的光學 MEMS 和 MEMS 振蕩器在滿足數據需求的指數級增長上将扮演越來越重要的角色。
此外，人工智能、物聯網、智慧城市等應用領域智能化趨勢明顯，随着信息時代新興領域的崛起，MEMS 傳感器的應用範圍也将不斷擴展，發展潛力巨大。
随着全球對傳感器化和數據驅動應用的需求持續增長，Yole 回顧了過去 20 年中，MEMS 行業表現出持續的創新，甚至開辟了新的産品視角。多年來，各種市場驅動因素、接連發生的危機和生态系統變化塑造了當今價值超過 140 億美元的 MEMS 産業。
01
MEMS 産業回顧
1959 年，著名物理學家 Richard Feynman 發表了題爲 "There's Plenty of Room at the Bottom" 的著名演講，首次提出微機械的概念。1987 年，加州大學伯克利分校的科學家借鑒集成電路 ( IC ) 工藝，制作出了直徑僅爲 100μm 左右的矽微靜電微電機，與人類頭發絲的粗細相當，這被認爲是 MEMS 時代到來的标志。
此後，MEMS 技術進入飛速發展的時代，各種 MEMS 産品層出不窮，應用在各種尖端技術領域。
MEMS 傳感器第一輪商業化浪潮始于 20 世紀八九十年代，MEMS 壓力和慣性傳感器開始在汽車上的應用。2003 年，随着更先進的安全功能開始融入車輛中，汽車成爲主要推動力，例如安全氣囊中使用的加速計、ESP 系統的陀螺儀以及早期采用的用于輪胎壓力監測的壓力傳感器是 MEMS 的首批汽車應用之一。
如今，受益于汽車行業安全規定及信息化、智能化浪潮，MEMS 傳感器在汽車領域得到飛速發展。據相關調研數據，目前平均每輛汽車包含 10-30 個 MEMS 傳感器，而在高檔汽車中大約會采用 30 甚至上百個 MEMS 傳感器。
第二輪的浪潮出現源于 PC 的興起，MEMS 技術在投影儀和噴墨打印頭上大量使用，惠普的 MEMS 噴墨打印頭和德州儀器用于投影應用的 DLP 在此時創造了巨大的需求，在數量和銷售額方面逐漸超過了汽車行業，德州儀器與惠普一起成爲早期市場領導者。
之後，智能手機的流行進一步推動這波浪潮的快速發展。2007 年，iPhone 的問世以及随後智能手機的廣泛采用導緻了消費領域 MEMS 需求激增，自動屏幕旋轉創造了對加速計的早期需求，而導航輔助、計步和遊戲等更先進的功能的引入進一步推動了智能手機對慣性傳感器的需求。MEMS 麥克風也開始應用于智能手機，并最終成爲業内出貨量最大的 MEMS 設備之一。
據 Yole Development 統計，單部智能手機的 MEMS 傳感器總量将從 2014 年的 12 顆上升到 2021 年的 20 顆。主要包括加速度計、陀螺儀、壓力傳感器、MEMS 麥克風等傳感器，以及射頻器件。随着智能手機的技術創新和手機廠商差異化競争的趨勢，傳感器數量還将繼續增長。
目前，MEMS 正由于 AIoT 的發展，開啓第三個發展浪潮。萬物互聯時代的核心是傳感、互連和計算，随着 AIoT 落地而湧現出的可穿戴設備、智能家居等新興應用領域也廣泛使用了 MEMS 傳感器産品。
近年來，智能手表、TWS 耳機和 VR/AR 等可穿戴設備的采用不斷增加，也推動了 MEMS 行業的發展。第二次消費浪潮以及随後對慣性 MEMS 傳感器的需求激增，使意法半導體和博世從 TI 和 HP 等早期領導者手中奪取了市場領先地位。
總結來看，MEMS 産業發展曆程大概可分爲三個階段：1990-2000 年的汽車電子化浪潮，點燃了 MEMS 傳感器的需求；2000-2010 年的消費電子浪潮，推動 MEMS 傳感器呈現多品類、多功能一體化的發展态勢；2010 年至今的物聯網及人工智能浪潮，帶動了 MEMS 傳感器單品放量、軟硬協同化發展。
Yole Intelligence 的技術與市場分析師 Pierre Delbos 表示：" 随着可穿戴技術日趨成熟，以及越來越多的終端産品進入市場，新湧現的可穿戴設備功能可以緩解智能手機購買量下滑帶來的影響，尤其是在中國市場。"
例如像無線耳機、智能手表，以及 AR/VR 頭戴設備這樣的産品擁有導航輔助、高度測量、空間音頻甚至睡眠監測等新功能，OEM 廠商正在集成更多 MEMS 組件進一步提高性能和增強功能性，這導緻了 MEMS 滲透率的提高。
根據 IDC 數據，預計到 2025 年物聯網總連接數達到 102.7 億，物聯網需求帶動 MEMS 市場規模不斷提升。物聯網産生的 MEMS 增量市場在 110 億元，占市場總量約 10%，預計 2025 年提升到 20%。
在上述過程中，中國及全球 MEMS 産業幾十年來風雲變幻，新舊企業起起落落，MEMS 霸主幾經易主，産業并購無數。
圖源：Yole Intelligence《Status of the MEMS Industry 2023》
從當前全球 MEMS 公司 ToP 30 名單來看，博世仍然是全球最大的 MEMS 企業，并且比 2021 年強勁增長 12%，博通仍然位居第二但增長乏力，而高通則受益于 5G 通信對 MEMS 射頻濾波器的需求，獲得了 21% 的高速增長，成功進入全球前三。意法半導體因爲汽車市場 MEMS 傳感器的增長進入 ToP4。
中國企業方面，歌爾微電子仍然是全球 MEMS 産業排名最高的中國企業，今年排名第 9，主要受消費電子需求低迷影響導緻出貨量下降，同樣是全球 MEMS 麥克風巨頭的樓氏電子也出現營收下滑的情況。
總共有 6 家中國 MEMS 企業進入全球 ToP 30，除了歌爾微電子外，還有瑞聲科技（排名 23），賽微電子全資子公司 Silex Microsystems（排名 26），台積電（排名 27），海康威視（排名 29），睿創微納（排名 30）。
可以看到，本次名單出現了海康威視和睿創微納兩家國産 MEMS 企業。
02
MEMS 技術的未來發展趨勢？
MEMS 技術在目标市場中已經較爲成熟。但随着創新正在發生，OEM 希望能夠持續優化成本、尺寸和性能，這也将進一步推動 MEMS 市場和技術需求。
爲了保持競争力，MEMS 行業始終在追求創新。
業内人士應該了解，MEMS 與生俱來就具有創新的能力，這種創新能力最早始于其極具創新性的設計、創新性的結構、以及創新性的封裝技術等。例如，在博世公司首次在專用集成電路 ASIC 中引入矽通孔技術（TSVs），并在 3 軸加速器上采用了晶圓級芯片規模封裝技術之後，與其競争對手 ST 和 mCube 相比，博世 MEMS 産品的封裝尺寸減小至 55%。此項技術突破幫助他們減小了矽芯片的尺寸，并因此很好的降低了産品成本。
此類創新競賽從未停上過。mCube 後續又憑借其 MC3600 系列加速器的創新方案再次反超博世公司，重新居于領跑地位。
如今，MEMS 領域的創新仍在繼續，這種創新不僅來自新技術，也包括成熟 MEMS 技術的新應用。
先進封裝：微型化、集成化趨勢
作爲一種技術趨勢，MEMS 傳感器和執行器不斷緻力于縮小尺寸、降低成本和提高性能，并正在轉向以異構功能集成爲關鍵的系統化。
首先，微型化不可逆，MEMS 向 NEMS（納機電系統）演進。與 MEMS 類似，NEMS 是專注納米尺度領域的微納系統技術，隻不過尺寸更小。而随着終端設備小型化、種類多樣化，MEMS 向更小尺寸演進是大勢所趨。
此外，從前端制造到封裝、模塊和系統集成，整個 MEMS 供應鏈都朝着混合能力的方向發展。
随着 MEMS 加工工藝的進步，以及 CMOS 工藝和 MEMS 工藝的集成，MEMS 傳感器可以在更小面積的芯片上集成更強大的運算與存儲能力，更好地滿足系統應用對低成本、小體積、高性能的全面要求。
多傳感器融合
現代傳感器作爲電子産品的 " 感知中樞 "，通過加入微控制單元和相應信号處理算法，還可以承擔自動調零、校準和标定等功能，實現終端設備的智能化。
同時，傳感器市場也正在呈現多項功能高度集成化和組合化。由于設計空間、成本和功耗預算日益緊縮，在同一襯底上集成多種敏感元器件、制成能夠檢測多個參量的多功能組合 MEMS 傳感器成爲重要解決方案。
多傳感器融合技術有助于增加可獲得的數據數量，顯著提高系統的冗餘度和容錯性，從而保證決策的快速性和正确性。随着設備智能化程度的提升，單個設備中搭載的傳感器數量不斷增加，多傳感器的融合和協同提升了信号識别與收集效果。
綜合來看，先進的封裝技術，如多芯片模塊可以将多個芯片組合封裝，特别是 3D 堆疊封裝技術，代表着 MEMS 産品不斷向微型化和高集成化的發展趨勢邁進，預示着其可在有限的體積内集成更多的組件，實現更複雜更強大的功能。随着 MEMS 傳感器的技術的發展，傳感器的體積将不斷縮小，這将有利于更多應用領域，如消費電子、汽車行業等領域，更易于整合到不同類型産品中。
基于此，業界還出現了很多新技術：
密封雙模技術
當前，可聽設備和以音頻爲中心的可穿戴設備對音質和電池壽命都有很高的期望。因此，工程師必須利用先進的 MEMS 技術和創新的電路設計跟上步伐。
例如，英飛淩在 Apple Airpods Pro 中的 MEMS 麥克風中采用了密封雙膜技術，将其專有的 MEMS 技術和巧妙的 ASIC 設計發揮到極緻，這種設計可以将功耗降低兩倍，将高音頻質量和低噪聲結合在一個微型麥克風設備中，也實現了超高 SNR（信噪比）、極低失真，并且可以防止水和灰塵滞留在膜和背闆之間，從而實現幾乎無噪音音頻信号捕獲。
英飛淩 XENSIV IM69D128S MEMS 麥克風包括微型模塊封裝中的 MEMS 單元和 ASIC
據悉，英飛淩 MEMS 麥克風由最早的單背闆技術、雙背闆設計發展到現在轉向密封雙膜結構，經曆了将近 20 年。
單背闆結構就是一塊背極闆配合着一層振膜，當振膜受到聲壓作用時會在背極闆上方振動，利用振膜與背極闆之間的距離變化關系傳遞電容信号的變化，這就是 MEMS 麥克風将空氣振動的機械能轉換爲電能的基本感測原理。單背闆架構如下圖所示：
英飛淩單背闆架構示意圖
由于單背闆 MEMS 麥克風輸出的是一個單端信号，爲了增強 MEMS 麥克風的抗幹擾能力，降低本底噪音，提高 MEMS 麥克風的信噪比，2017 年，英飛淩成功量産了采用雙背闆技術差分輸出的 MEMS 麥克風産品，将 MEMS 麥克風的信噪比提升到了 69dB。
英飛淩雙背闆（Dual-back plate）架構示意圖
爲了能夠在消費級電子産品中實現錄音棚級别的音頻用戶體驗，同時進一步提高 MEMS 麥克風産品的可靠性，增強抗污染及防水能力，英飛淩于 2021 年又成功量産了采用密封雙振膜技術的新産品，信噪比進一步提升，同時 MEMS 麥克風單體就能具備 IP57 級别的防塵和防水能力。
英飛淩 MEMS 芯片（左）和密封雙振膜結構示意圖（右）
憑借密封雙膜技術帶來的高性能和低功耗的優勢，此類 MEMS 産品适用于包括 TWS、耳戴式耳機和聽力增強産品，同時也可以應用于其他空間關鍵應用，如可穿戴設備、智能手機和物聯網設備等。
激光重新密封工藝
比如，2015 年至 2018 年，博世在蘋果 iPhone 中的壓力傳感器從 LGA 封裝轉向 O 形圈防水封裝，讓蘋果提高了耐用性。在此期間，博世将 MEMS 芯片的尺寸減少了一半以上，從 0.8mm² 縮小到 0.35mm²，遵循了行業小型化的模式。
博世還推出了新的制造技術，新的激光重新密封工藝可顯着減少壓力變化，從而最大限度地發揮 iPhone 14 Pro 内慣性傳感器的性能。雖然該工藝比以前的工藝貴三倍，但它允許将 MEMS 陀螺儀和加速度計集成到同一芯片上，從而實現傳感器的進一步小型化并更好地控制腔内的真空水平。
MEMS 器件真空封裝結構
MEMS 器件真空封裝的制造工藝主要包括基底加工、薄膜沉積、真空腔室形成和密封結構制備等步驟。該結構是爲了保護其微觀結構免受外部環境影響，如溫度、濕度、氣體等，能夠有效降低器件的氣阻，提高其靈敏度和性能穩定性。
MEMS 器件真空封裝結構及其制造工藝對于确保器件的性能和穩定性至關重要。通過精确的基底加工、薄膜沉積、真空腔室形成和密封結構制備等工藝步驟，可以實現高質量的真空封裝。
然而，由于 MEMS 器件的尺寸和複雜性不斷增加，其真空封裝制造工藝也面臨着諸多挑戰。未來，随着封裝技術的不斷創新和優化，有望進一步提高 MEMS 器件真空封裝的性能和可靠性。
總結來看，随着 MEMS 技術的不斷發展，對于封裝技術的要求也将不斷提高。未來的封裝技術需要在降低成本、提高生産效率、縮小封裝體積等方面取得更多突破。例如，通過集成多種功能的封裝技術，可以減少器件間的連接，提高整體性能。此外，新型材料的開發和應用也将爲 MEMS 器件真空封裝帶來更多可能性。
在實際應用中，爲了滿足不同 MEMS 器件的需求，封裝技術應具備一定的靈活性和可定制性。爲了實現這一目标，未來研究應聚焦于多種封裝技術的融合和創新，如将微觀和宏觀尺度的封裝技術相結合，以及将傳統和新興封裝技術相結合。
總之，MEMS 器件真空封裝結構及其制造工藝在保證器件性能和穩定性方面起着至關重要的作用。未來的研究和發展将繼續專注于提高封裝技術的性能、可靠性和生産效率，以滿足不斷變化的 MEMS 器件需求。通過不斷創新和優化，有望爲各行各業提供更加高效、穩定和可靠的 MEMS 器件解決方案。
MEMS 晶圓：向 12 英寸邁進
另一個值得注意的趨勢是從 6、英寸 8 英寸到 12 英寸 MEMS 制造的轉變。雖然這對 MEMS 廠商來說需要大量投資，但它可以更好地與 12 英寸 CMOS 晶圓集成，并支持最佳設備性能。
當前全球毫無疑問的 MEMS 傳感器王者，博世正在推進位于德國東部城市德累斯頓的 12 英寸 MEMS 晶圓産線建設，該項目投資 10 億歐元。
國内 MEMS 行業也在大步向前。去年 1 月，賽微電子宣布将在合肥高新區建設 12 英寸 MEMS 生産線，預計總投資爲 51 億元，建成後月産能爲 2 萬片。
另外，在更早的 2020 年 12 月，士蘭微的 12 英寸生産線就在廈門海滄正式投産了，該項目總投資 170 億元，規劃建設兩條以功率半導體芯片、MEMS 傳感器芯片爲主要産品的 12 英寸特色工藝功率半導體芯片生産線。
此外，目前中國大陸規模最大的 MEMS 代工企業中芯集成，在今年 5 月底發布的公告稱，将在紹興濱海新區投資建設中芯紹興三期 12 英寸特色工藝晶圓制造中試線項目。
此前，計劃募集資金使用項目包括 "MEMS 和功率器件芯片制造及封裝測試生存基地技術改造項目 "，" 二期晶圓制造項目 " 以及 " 補充流動資金 "。後續調整後，新增 " 中芯紹興三期 12 英寸特色工藝晶圓制造中試線項目 "。
去年 12 月，12 英寸先進智能傳感器及特色工藝晶圓制造産線項目——廣州增芯一期第一階段項目正式動工，增芯是 12 英寸先進智能傳感器及特色工藝晶圓制造産線，爲 MEMS 制造生産線項目。計劃 2024 上半年通線，2025 年年底滿産，将建設月加工 2 萬片 12 英寸的晶圓制造量産線。
很明顯可以看出，全球 MEMS 晶圓的産能正向 12 英寸過渡，中國半導體也在朝着這個方向努力。12 英寸 MEMS 制造日益成爲現實，除了它帶來的額外産能之外，還看到 12 英寸制造在小型化以及整體設備可用性和質量方面的其他關鍵優勢。
此外，MEMS 傳感器制造商正試圖通過爲 MEMS 傳感器添加軟件、處理和計算能力，賦予其額外的功能，從而擺脫商品化周期并提升價值鏈。MEMS 傳感器與邊緣或雲中的 AI/ML/DL 相結合的應用正在開辟一條道路。
03
機遇背後，MEMS 挑戰尚在
近年來，随着 MEMS 技術的不斷進步和應用領域的不斷拓展，全球 MEMS 産業持續呈現出良好的發展态勢。
雖然 MEMS 技術已經取得了顯著的進展，但仍存在一些挑戰需要克服。
首先，MEMS 技術的制造工藝要求非常高，包括納米級别的加工和控制，這增加了生産成本和制造難度。爲了推動 MEMS 技術的發展，需要不斷改進制造工藝，提高生産效率和可擴展性。其次，MEMS 器件的可靠性和穩定性也是需要關注的問題。由于 MEMS 器件的微小尺寸和複雜結構，容易受到環境因素和振動等影響，可能導緻性能不穩定或壽命縮短。因此，需要加強對 MEMS 器件的可靠性測試和可持續性設計，确保其在各種應用環境下能夠穩定工作。此外，MEMS 技術還需要與其他技術領域進行深度融合，以實現更廣泛的應用。例如，與人工智能、大數據和雲計算等技術結合，可以實現 MEMS 傳感器數據的智能分析和應用。通過數據挖掘和機器學習算法，可以提取出有價值的信息，并爲各個領域的決策提供支持。
MEMS 在封裝方面同樣存在挑戰，目前的 MEMS 封裝技術大都是由集成電路封裝技術發展和演變而來，但是由于其應用環境的複雜性，使其與集成電路封裝相比又有很大的特殊性，不能簡單将集成電路封裝直接去封裝 MEMS 器件。
與 IC 封裝類似，MEMS 封裝在機械支撐、環境保護和電氣連接 3 個方面存在差異性。除此之外，在實際的 MEMS 封裝中，還必須考慮下面一些因素：首先，封裝必須給傳感器帶來的應力要盡可能小，材料的熱膨脹系數（CTE）必須與矽的熱膨脹系數相近或稍大，由于材料的不匹配，很容易導緻界面應力，從而使芯片發生破裂或者分層。對于應力傳感器，在設計時就必須考慮封裝引起的應力給器件性能的影響，其次，對于一般的 MEMS 結構和電路封裝，散熱是必須要給予充分重視的，高溫下器件失效的可能性會大大增加，而對于熱流量計和紅外傳感器，适當的熱隔離會提高傳感器的靈敏度。
總之，MEMS 技術憑借其獨特的特點和廣闊的應用前景，成爲科技領域的一股強勁力量。作爲 "More than Moore" 的重要方向和突破口，并在人工智能、物聯網等熱點應用風口催化下，MEMS 産業迎來了巨大的戰略機遇期。
雖然面臨一些挑戰，但通過不斷的研發和創新，相信 MEMS 技術将繼續邁向更高峰。
就像行業專家林雪萍在文章中所述："MEMS 傳感器仍然是一種預言，萬物有眼，劇透未來。MEMS 廠家的一舉一動，就像是一本關于未來産品的參考書，預示着各種可能的智能之路。"
未來，改變當今 MEMS 格局的市場在哪裏？
