mems 你真的懂MEMS吗？

微机电系统(micro-Electro-Mechanical System)是指尺寸在几毫米甚至更小的传感器器件，其内部结构一般在微米甚至纳米数量级，是一个独立的智能系统。简单来说，微机电系统是一种硅基传感器，它是通过将传统传感器的机械部件小型化，通过三维堆叠技术将器件固定在硅片上，如三维硅穿孔TSV，最后根据不同的应用采用特殊定制的封装形式，最后切割组装而成。得益于大规模生产集成电路硅片带来的普通传感器无法实现的成本优势，微机电系统具有普通传感器无法实现的小型化和高集成度。

传统ECM驻极体电容麦克风/Apple Watch Lou的MEMS硅麦克风

比如最典型的半导体发展史:从20世纪初英国物理学家弗莱明发明的第一个电子管，到1943年17468个晶体管的ENIAC和1954年800个晶体管的计算机TRADIC，再到1954年飞兆半导体发明的平面工艺，使集成电路得以大规模生产，从而诞生了1964年第一台使用集成电路的标志性计算机IBM 360。模拟到数字、大到小、高度集成是所有现代工业永恒的追求。

半导体发展史:从管-晶体管-集成电路

因为MEMS有那么多跨代的优势，所以目前我们认为它是取代传统传感器的唯一可能的选择，也可能是未来传感器在组网结构传感层最重要的选择之一。

1)小型化:MEMS器件体积小。一般单个MEMS传感器的尺寸以毫米甚至微米为单位测量，重量轻，能耗低。同时，小型化的机械部件具有惯性小、谐振频率高、响应时间短的优点。微机电系统较高的表面体积比(表面体积比)可以提高表面传感器的灵敏度。

2)硅基加工工艺与传统IC生产工艺兼容:硅的强度、硬度、杨氏模量与铁相近，密度与铝相近，导热系数接近钼、钨。

3)批量生产:以单个5mm*5mm的MEMS传感器为例，通过硅微加工技术，可以在8英寸硅片上同时切割约1000个MEMS芯片，批量生产可以大大降低单个MEMS的生产成本。

4)集成:一般来说，单个MEMS往往封装了机械传感器，同时也集成了ASIC芯片，控制MEMS芯片，将模拟量转换成数字量输出。同时，不同的封装工艺可以集成多种不同功能、不同敏感方向或驱动方向的传感器或执行器，或者形成微传感器阵列和微执行器阵列，甚至集成多种功能的器件，形成复杂的微系统。集成微传感器、微执行器和微电子器件可以制造出高可靠性和稳定性的微机电系统。随着微机电系统技术的发展，更多的功能被集成到单个微机电系统芯片中，以实现更高的集成度。例如，在惯性传感器IMU(惯性测量单元)中，从最早的离散惯性传感器到ADI公司集成了三轴陀螺仪、加速度计、磁力计、压力传感器和ADSP-BF512 Blackfin处理器的10自由度高精度微机电系统惯性测量单元。

5)多学科交叉:微机电系统涉及电子、机械、材料、制造、信息与自动控制、物理、化学、生物等多个学科，在当今科技发展中聚集了许多前沿成果。微机电系统是传感器在结构网络化的基本物理传感层中最重要的选择之一。由于物联网，尤其是无线传感器网络，对设备的物理尺寸、功耗和成本非常敏感，传感器的小型化对物联网产业的发展至关重要。微机电系统(MEMS)微机电系统与传统半导体技术兼容，微机械通过微技术在芯片上制造，并与相应的电路集成为一体。它是在半导体制造技术的基础上发展起来的，其大规模生产能力满足了物联网对传感器的巨大需求和低成本要求。

随着物联网时代的到来，微机电系统的机遇

在全球半导体行业，PC在领先行业10多年后，逐渐让位于消费电子。随着摩尔定律逐渐达到瓶颈，制造工艺的进步已经接近其物理极限。单片3D的创始人Zvi Or-Bach认为，28 nm之后，晶圆厂可以继续制造更小的晶体，但不能更便宜。过程要求相对较低的物联网应用可能成为成熟过程的重要下游工业应用。

摩尔定律接近极限

就目前的趋势来看，高端工艺在整个IC封装工艺中的比重已经开始相对下降。先进工艺节点组件的实际工程成本，已经被业内大多数厂商证明过于昂贵；所以半导体行业确实是分开发展的，只有少数会追求小型化到7 nm，而大部分还是采用28 nm或者更老的节点设计。

可以预见，未来大规模的下游应用将主要使用AR/VR等新型消费电子，以及智能驾驶、智能物流、智能家居等物联网。传感器作为传感层，是不可缺少的关键基础物理层。物联网的快速发展将给微机电行业带来巨大的发展红利。

物联网的系统架构主要包括感知层、传输层和应用层三个部分。传感层的作用主要是获取环境信息和物体之间的交互，主要由传感器、微处理器和射频无线收发器组成；传输层主要用于传感层之间的信息传输，由NB IOT、Zig Bee、Thread、蓝牙等通信协议组成。应用层主要包括云计算、云存储、大数据和数据挖掘、人机交互等软件应用层。传感层传感器位于整个物联网的最底层，是数据采集的入口，是物联网的“心脏”，有很大的发展空。

物联网三层架构

物联网行业覆盖面广，从手机到新能源汽车，以及大量未连接的设备和终端，将为市场带来万亿的市值增长潜力。互联网和智能手机的出现推动了第二波信息产业，但已经成熟，增长率相对平缓。以传感器网络和物联网为代表的信息获取或信息感知正在推动信息产业进入第三次浪潮，物联网时代已经开始。

物联网:第三次工业化浪潮

2015年，全球物联网产业规模接近3500亿美元，中国物联网产业规模达到7500亿人民币。Forrester Research预测，到2020年，物联网行业的规模将是信息互联网的30倍，240亿个物联网设备将接入互联网，真正实现物联网。

随着我国设计、制造、封装和测试技术和工艺的逐渐成熟，微机电系统作为连接半导体的物理量产品，将在适当的时候受益于物联网产业的发展。微机电系统将广泛应用于消费电子、汽车电子、工业控制、军事工业、智能家居、智能城市等领域。根据Yole发展预测，从2016年到2020年，微机电系统传感器市场将以13%的复合年增长率增长。2020年，MEMS传感器市场将达到300亿美元，前景无限。

微机电系统全球市场产值预测(1亿美元)

2015年，中国微机电系统器件市场规模为308亿元人民币，占全球市场的三分之一。从发展速度来看，中国微机电系统市场的增长率一直高于全球市场。中国MEMS器件市场平均增长率在15-20%左右，IC市场增长率在7-10%左右。横向比较，MEMS器件市场的增速是IC市场的两倍。

近年来我国微机电系统传感器市场规模(亿元)

微机电产业链概述，国外领先

微机电系统没有固定的标准化生产工艺，每个微机电系统都针对特定的下游应用，因此有独特的设计和相应的封装形式，差异很大。

微机电系统不同于传统的半导体工业，它是微加工技术和半导体技术的结合。微机电系统传感器本身通常是一种相对复杂的微物理和机械结构，没有PN结。但与此同时，单个的微机电系统通常与专用集成电路芯片集成在一起，种植在硅片上，然后进行封装、测试和切割。后一个过程类似于传统的COMS过程。

因此，在很大程度上，MEMS性能的提升并不太依赖于硅片制造工艺的升级，更倾向于根据下游应用需求定制设计，优化微机械结构，选择不同的材料来实现各个传感器的独特功能。因此，对于不同代传统半导体晶圆厂的制造工艺升级，并没有路线图。

集成电路制造工艺更接近2D平面VS MEMS3-D堆栈

典型的微机电系统由传感器、信息处理单元、执行器和通信/接口单元组成，如图所示。它的输入是物理信号，由传感器转换成电信号。经过信号处理(模拟和/或数字)后，执行器与外界相互作用。每个微系统可以使用数字或模拟信号(电、光、磁和其他物理量)与其他微系统通信。微机电系统将电子系统与周围环境有机结合。微型传感器接收自然信号，如运动、光、热、声音和磁性，然后转换成电子系统可以识别和处理的电信号。一些微机电系统器件可以通过微致动器在外部介质上工作。

传感器的工作原理

MEMS产业链类似于传统半导体行业，主要包括前端无晶圆设计、ODM代工厂生产、封装测试和下游最终应用四个部分。

微机电产业链部门

全球前十的MEMS厂商主要有博世、意法半导体、惠普、德州仪器、佳能、英伟信、Avago和Qorvo、卢氏电子、松下等。博世因其在汽车电子和消费电子领域的双重布局而稳居行业第一，其收入约占前五大公司总收入的三分之一。

无晶圆厂是大多数微机电行业的主要制造商，如娄氏、惠普、佳能等。同时，平行IDM厂商垂直介入整个产业链的各个环节，如博世、ST等都有自己的晶圆代工厂生产线。

世界主要微机电系统制造商的生产模式定位

基于微机电系统本身不同于传统集成电路行业的特点，我们认为行业的核心门槛在于两点:设计理念和封装测试过程。

前者不仅包括对传统IC设计的理解，还包括多学科综合，如微材料科学、力学、化学等。原因是它涉及到机械结构，空腔体，以及不同的应用场景，比如导航、光学、物理传感等等。可以展开阐述。

后者，因为单个MEMS是针对不同的用途、环境和目的而设计的，所以对封装有各种完全不同的要求。比如防水和不防水的硅麦是有区别的，光学氧浓度传感器需要打孔和空腔安装镜头，气压传感器需要对外开放，不能密封。在整个微机电系统生产中，封装和测试成本占35%-60%以上。

微机电系统成本结构分割

第一，设计过程

作为微机电系统的核心门槛之一，国内公司因其无晶圆厂的轻资产特性和核心门槛，正在积极投资半导体设计。中国有许多著名的无晶圆厂，如海思、展讯、RDA、全志科技、国科、兰琪科技等。

而国内MEMS行业无晶圆厂的规模相对较小，但市场规模有很大发展空。面对巨大的国内消费电子市场，国内无晶圆厂公司生产和销售产品以满足国内一些低端市场的需求是一条捷径。比如苏州民信，其微硅麦克风传感器产品已经渗透到以消费类电子产品为主的各种子应用中，并成功应用到摩托罗拉、索尼、华硕、联想、魅族、小米等品牌客户的产品中。

我国的MEMS设计企业主要集中在华东地区，约占全国企业总数的55%，其中上海、苏州、无锡为工业中心:

上海:申迪、思睿、恒力、新民、威廉、明东、文祥、田颖、巨哥

苏州:明欣、双桥、维多、能达、文浩、圣塞诺、梅西

无锡:美心、乐尔、康辛斯克、威奥、翡翠、碧创、那威、新奥威、沃普

其他:深圳盛瑞、山东戈尔、河北美泰、山西科泰、郑州微生、北京水木智信、浙江大理、武汉高德、成都国腾、xi安立德、天津微纳芯等。

国内微机电企业布局

二、制造流程:贴牌、包装、检测

前十的统计中，设计都是中国的，制造和包装多是外国的。但外资增长弱于中资，所以中国制造业和检测包装行业的实际增长应该高于统计平均数据。尤其是测试封装的增速高于行业:长江电子科技5年复合增速16.5%，华天科技26.94%，通福微电子8.25%，方静科技34.2%。

IC行业可以通过单一流程支撑整个产品生成，产品制造流程高度标准化，量产相对简单。但MEMS产品种类丰富，功能各异，工艺发展呈现出“一种产品，一种制造工艺”的特点。有上万个具有明显个性特征的MEMS芯片或器件。除了使用相同的硅材料外，不同的MEMS产品之间没有完整的标准工艺，产品参数很多。要实现每一类产品的量产，都需要再投入前端研发，工艺开发周期长，量产率低于传统半导体生产行业。依靠单一种类的微机电系统产品很难支持一家公司。

虽然不同种类的微机电系统有不同的应用，但封装形式也很不同。但是从包装结构上来说，大致可以分为以下三类:封闭式包装、开放式空腔包装和开放式眼睛包装。

微机电系统封装形式

2009年后，中国的微机电系统产业逐渐起步，尚未形成规模。整个行业正处于从实验室研发到商业量产的过渡阶段。国内MEMS厂商在业务规模、技术水平、产品结构、产业环境等方面与国外存在明显差距。60%-70%的设计产品仍然集中在加速度计和压力传感器等传统领域，涉及的新产品(如生物传感器、化学传感器和陀螺仪)很少。工艺水平和经验的缺乏制约了代工厂的发展，制造环节急需填补空。

微机电系统的制造包括设计、制造和封装。由于高度定制的系统设备、过程控制和特殊材料的特点，包装和测试环节至少占总成本的60%。因此，在产品价格日益严峻的下行趋势下，为了有效降低成本，大部分无晶圆或轻晶圆的MEMS供应商将封装测试环节外包给专业封装测试厂商，这也将为MEMS器件封装测试厂商带来机遇。

近年来，在国家政策的支持下，我国对微机电系统生产线的投资有所增加。2014年，国内MEMS代工厂建设投资超过1.5亿美元，但技术和人才的匮乏仍是行业短板。微机电系统技术和集成电路技术有着本质的区别。技术的核心领域在于工艺和制造。微机电系统制造结构复杂，高度定制化，依赖专用设备，规模效应强。目前国内MEMS行业明显落后于国际水平，国内市场严重依赖进口。市场份额基本被博世、ST、ADI、霍尼韦尔、英飞凌、AKM等国际大公司垄断。高端MEMS传感器进口比例达到80%，传感器芯片进口比例达到90%。

目前，微机电系统制造主要分为三类:纯微机电系统代工、IDM代工和传统集成电路微机电系统代工。与其把MEMS当产品，不如把它当工艺。微机电系统器件依赖于各种工艺和许多变量。只有经过多年的工艺改进和测试，微机电系统器件才能真正商业化。R&D团队通常需要大量时间来搜索有关工艺和材料物理特性的信息。由单一材料(如多晶硅)制成的器件可能需要根据多晶硅的来源和沉积方法标记工艺变化。因此，每个流程都需要长期的、海量的数据来稳定一个流程。

华润尚华、SMIC、上海先进等国内MEMS代工厂硬件条件与国际水平相近，但开发能力远不及海外代工厂；中国的MEMS代工厂企业没有积累足够的工艺技术储备和大规模市场验证反馈的经验。加工工艺的一致性和重复性达不到设计要求，产品的成品率和可靠性达不到大规模生产的要求。因此，处于商业化阶段的本土设计公司更愿意与TSMC、X-Fab、Silex等海外成熟代工厂合作。

代工的弱势导致好的设计无法快速的产品化并投放市场，极大的制约了我国MEMS行业的发展。行业中游急需有工艺经验和高端技术的厂商来填补萧条。虽然大部分微机电系统业务仍在IDM企业，但随着制造技术的逐步标准化，未来微机电系统行业将随着传统集成电路行业的发展趋势，逐步走向设计与制造分离的模式。纯MEMS代工厂和MEMS设计公司开发的商业模式将成为未来商业模式的主流。

微机电铸造企业比较

自20世纪80年代末以来，微机电系统技术越来越受到世界各国的重视。与传统集成电路相比，该系统具有体积小、重量轻、最多不超过一厘米，甚至只有几微米，厚度更小等优点。微机电系统的原材料主要是硅，价格低廉，产量充足，成品率高。同时使用寿命长，能耗低。然而，由于微机电系统的高工艺难度，其成品率仍远低于传统集成电路制造。

就技术而言，目前世界上有三种主要的技术方法。一种是以美国为代表的基于集成电路加工技术的硅基微加工技术；二是德国利用X射线深光刻、微电铸、微铸造开发的LIGA技术；三是日本开发的精密加工技术，如微细电火花加工、超声波加工等。

虽然微机电系统和集成电路在封装和外观上相似，但微机电系统在芯片设计和制造工艺上与集成电路有本质的不同。一般来说，IC是一种平面器件，它是通过数百个工艺步骤，在几个特定的平面层上使用图案化的模板来制造的，显示特定的电或电磁功能，以实现特定的任务，如模拟、数字、计算或存储。理想情况下，ic的基本元件(晶体管)是纯电气器件，几乎所有的IC应用和功能都具有通用性。相比之下，微机电系统是一种三维微机械结构。与传统的“大器件”相比，基于硅技术的微尺度微机电系统器件可以广泛灵活地应用于汽车电子、消费电子等领域。

微机电系统在中国的主要传感器设计公司包括美信半导体、郝明传感、思睿科技、申迪半导体、敏感微电子等。同时，国内MEMS企业规模相对较小，个别企业年销售额超过1亿美元的很少；高端传感器以进口产品为主，整个MEMS传感器以国外品牌为主。《中国传感器产业发展白皮书》(2014年)显示，中国高端传感器进口比例为80%，传感器芯片进口比例高达90%，说明当地高端传感器技术和产业化落后。从产品使用领域结构来看，国内MEMS公司在业务规模、技术水平、产品结构等方面与国外差距明显，60%-70%的设计产品集中在加速度计、压力传感器等传统领域。工艺开发是目前我国MEMS行业面临的最重要的问题，产品的技术实力和生产工艺有待提高。

中国传感器产品结构

虽然国内主要集中在初级阶段，但应用于中低端。但从近几年的发展来看，中国已经成为过去五年全球MEMS市场增长最快的地区。2015年中国MEMS市场规模接近300亿元，连续两年增速高达15%；而且从中长期来看，国内MEMS行业的增速会比国外快。到2020年，中国传感器市场的增长率将进一步提高，年均增长率超过20%，并将继续走在世界前列。

微机电系统产业发展趋势

1) MEMS封装将向标准化演进，模块平台标准化意味着更快的响应速度。

据Amkor公司称，微机电系统集成正在向标准化和平台化方向发展。从之前的多种分立封装形式，逐渐演变为三种封装形式，即包覆成型封装、集成电路裸片表面和空腔体封装。

微机电系统封装向标准化的演变

2)封装系统级的高度集成将是未来微机电系统在互联网应用中的主要承载形式。

随着物联网这一最重要的下游应用场景的快速发展，未来IOT平台上的MEMS产品将逐步向SIP封装演进显得尤为重要。通常，单个微机电系统模块会集成多个功能部件，包括单片机(微控制器单元)、射频模块(如蓝牙、铌IOT发射模块)、微机电系统传感器等。系统级封装也带来了快速的响应速度和及时的产品更换，对于消费类电子产品来说是极其重要的。目前，许多铸造厂或封装厂如安科正在推广标准化的IOT微机电系统平台产品。

微机电系统在IOT应用领域的SIP封装

采用的封装形式主要有空腔体封装和混合空腔体封装。

微机电系统在IOT应用领域的SIP封装

3)未来MEMS产品可能会逐渐演变为低端、中端、高端三大类。

低端MEMS主要用于智能手机、平板电脑等消费类电子产品。中端MEMS主要应用于GPS辅助导航系统、工业自动化、工程机械等工业领域。根据Yole Developpment报告，作为智能传感时代的重要硬件基础，低端MEMS传感器的市场规模在2014年达到130亿美元，预计到2018年，低端MEMS市场产值将增长到225亿美元，复合增长率为12% ~ 13%。

未来5到10年，随着MEMS技术的成熟，以智能手机和平板电脑为主要应用对象的低端MEMS市场利润将逐渐下降，但未来在可穿戴设备和物联网领域仍有一定的机会；面向工业、医疗和汽车应用的中端微机电系统将继续增长和盈利；未来，同样应用于工业4.0和国防市场的高端MEMS，将带来显著的超额回报。根据市场研究机构的预测，2016-2021年高端MEMS市场的复合年增长率将达到13.4%，而同期全球MEMS市场的复合年增长率仅为8.9%。其中，军事、航空航天、高端医疗电子和工业4.0应用将占未来高端MEMS市场收入的80%。