MEMS，未来看什么？

来源:半导体行业观察发布时间:2023-09-221559浏览

近年来，MEMS技术以其惊人的创新潜力，成为科技领域的一颗耀眼明星。

MEMS全称Micro Electromechanical System，即微机电系统，MEMS产品将具有不同功能的微传感器、微执行器、微结构、信号处理与控制电路、通讯/接口单元在硅晶圆上制作而成，是微型机械加工工艺和半导体工艺相结合的产品。

简单来讲，MEMS是一种结合了机械和电子技术的微小装置。

由于MEMS拥有小型化、低功耗、集成化、智能化等特点，被广泛应用于消费电子、汽车、工控、医疗等领域，用于感知运动、声音、温度、压力等，并且MEMS器件在几乎所有市场中都得到越来越多的采用。

MEMS是传感器乃至整个半导体产业重要的技术分支，目前正处于第三次产业浪潮的爆发期，方兴未艾。未来，随着物联网、人工智能、自动驾驶等新兴技术的发展成熟，MEMS新产品、新功能、新应用也将不断涌现，从而带动MEMS行业规模持续增长。

根据Yole Group近期发布的MEMS年度报告《Status of the MEMS Industry 2023》显示，MEMS市场将以5%的年复合增长率，从2022年的145亿美元增长到2028年的200亿美元。

在这个增长过程中，消费市场仍然是MEMS市场中最大的细分领域。在这一细分市场中，新兴的可穿戴应用将抵消最近智能手机需求量的下滑，以4%的年复合增长率从76亿美元增长到94亿美元；
汽车产业继续从日益增加的车内自动驾驶功能中获益，并将保持第二大市场的地位。MEMS渗透率在自动驾驶和ADAS功能集成的推动下不断增长，有助于缓冲汽车市场总体上略为平坦或缓慢增长的局面。GNSS定位需要用到MEMS惯性传感器，激光雷达需要用到MEMS微镜，实现车内舒适性需要用到MEMS环境传感器，这些需求将帮助市场达到7%的年复合增长率，截至2028年市场规模可增至41亿美元；
而工业和医疗市场在预测期的年复合增长率至少为5%。工业市场由工业自动化和工业4.0实施推动，工厂中的机器人或AGV等所用的惯性传感器、振荡器和压力传感器将是这一市场的关键。诊断和监测设备的持续小型化以及可穿戴设备的引入将增加MEMS组件在医疗领域中的需求。
预测期内，电信市场预计呈现28%的最高年复合增长率，其中用于开关的光学MEMS和MEMS振荡器在满足数据需求的指数级增长上将扮演越来越重要的角色。

此外，人工智能、物联网、智慧城市等应用领域智能化趋势明显，随着信息时代新兴领域的崛起，MEMS传感器的应用范围也将不断扩展，发展潜力巨大。

随着全球对传感器化和数据驱动应用的需求持续增长，Yole回顾了过去20年中，MEMS行业表现出持续的创新，甚至开辟了新的产品视角。多年来，各种市场驱动因素、接连发生的危机和生态系统变化塑造了当今价值超过140亿美元的MEMS产业。

MEMS产业回顾

1959年，著名物理学家Richard Feynman发表了题为“There's Plenty of Room at the Bottom”的著名演讲，首次提出微机械的概念。1987年，加州大学伯克利分校的科学家借鉴集成电路(IC)工艺，制作出了直径仅为100μm左右的硅微静电微电机，与人类头发丝的粗细相当，这被认为是MEMS时代到来的标志。

此后，MEMS技术进入飞速发展的时代，各种MEMS产品层出不穷，应用在各种尖端技术领域。

MEMS传感器第一轮商业化浪潮始于20世纪八九十年代，MEMS压力和惯性传感器开始在汽车上的应用。2003年，随着更先进的安全功能开始融入车辆中，汽车成为主要推动力，例如安全气囊中使用的加速计、ESP系统的陀螺仪以及早期采用的用于轮胎压力监测的压力传感器是MEMS的首批汽车应用之一。

如今，受益于汽车行业安全规定及信息化、智能化浪潮，MEMS传感器在汽车领域得到飞速发展。据相关调研数据，目前平均每辆汽车包含10-30个MEMS传感器，而在高档汽车中大约会采用30甚至上百个MEMS传感器。

第二轮的浪潮出现源于PC的兴起，MEMS技术在投影仪和喷墨打印头上大量使用，惠普的MEMS喷墨打印头和德州仪器用于投影应用的DLP在此时创造了巨大的需求，在数量和销售额方面逐渐超过了汽车行业，德州仪器与惠普一起成为早期市场领导者。

之后，智能手机的流行进一步推动这波浪潮的快速发展。2007年，iPhone的问世以及随后智能手机的广泛采用导致了消费领域MEMS需求激增，自动屏幕旋转创造了对加速计的早期需求，而导航辅助、计步和游戏等更先进的功能的引入进一步推动了智能手机对惯性传感器的需求。MEMS麦克风也开始应用于智能手机，并最终成为业内出货量最大的MEMS设备之一。

据Yole Development统计，单部智能手机的MEMS传感器总量将从2014年的12颗上升到2021年的20颗。主要包括加速度计、陀螺仪、压力传感器、MEMS麦克风等传感器，以及射频器件。随着智能手机的技术创新和手机厂商差异化竞争的趋势，传感器数量还将继续增长。

目前，MEMS正由于AIoT的发展，开启第三个发展浪潮。万物互联时代的核心是传感、互连和计算，随着AIoT落地而涌现出的可穿戴设备、智能家居等新兴应用领域也广泛使用了MEMS 传感器产品。

近年来，智能手表、TWS耳机和VR/AR等可穿戴设备的采用不断增加，也推动了MEMS行业的发展。第二次消费浪潮以及随后对惯性MEMS传感器的需求激增，使意法半导体和博世从TI和HP等早期领导者手中夺取了市场领先地位。

总结来看，MEMS产业发展历程大概可分为三个阶段：1990-2000年的汽车电子化浪潮，点燃了MEMS传感器的需求；2000-2010年的消费电子浪潮，推动MEMS传感器呈现多品类、多功能一体化的发展态势；2010年至今的物联网及人工智能浪潮，带动了MEMS传感器单品放量、软硬协同化发展。

Yole Intelligence的技术与市场分析师Pierre Delbos表示：“随着可穿戴技术日趋成熟，以及越来越多的终端产品进入市场，新涌现的可穿戴设备功能可以缓解智能手机购买量下滑带来的影响，尤其是在中国市场。”

例如像无线耳机、智能手表，以及AR/VR头戴设备这样的产品拥有导航辅助、高度测量、空间音频甚至睡眠监测等新功能，OEM厂商正在集成更多MEMS组件进一步提高性能和增强功能性，这导致了MEMS渗透率的提高。

根据IDC数据，预计到2025年物联网总连接数达到102.7亿，物联网需求带动MEMS市场规模不断提升。物联网产生的MEMS增量市场在110亿元，占市场总量约10%，预计2025年提升到20%。

在上述过程中，中国及全球MEMS产业几十年来风云变幻，新旧企业起起落落，MEMS霸主几经易主，产业并购无数。

图源：Yole Intelligence《Status of the MEMS Industry 2023》

从当前全球MEMS公司ToP 30名单来看，博世仍然是全球最大的MEMS企业，并且比2021年强劲增长12%，博通仍然位居第二但增长乏力，而高通则受益于5G 通信对MEMS射频滤波器的需求，获得了21%的高速增长，成功进入全球前三。意法半导体因为汽车市场MEMS传感器的增长进入ToP4。

中国企业方面，歌尔微电子仍然是全球MEMS产业排名最高的中国企业，今年排名第9，主要受消费电子需求低迷影响导致出货量下降，同样是全球MEMS麦克风巨头的楼氏电子也出现营收下滑的情况。

总共有6家中国MEMS企业进入全球ToP 30，除了歌尔微电子外，还有瑞声科技（排名23），赛微电子全资子公司Silex Microsystems（排名26），台积电（排名27），海康威视（排名29），睿创微纳（排名30）。

可以看到，本次名单出现了海康威视和睿创微纳两家国产MEMS企业。

MEMS技术的未来发展趋势？

MEMS技术在目标市场中已经较为成熟。但随着创新正在发生，OEM希望能够持续优化成本、尺寸和性能，这也将进一步推动MEMS市场和技术需求。

为了保持竞争力，MEMS行业始终在追求创新。

业内人士应该了解，MEMS与生俱来就具有创新的能力，这种创新能力最早始于其极具创新性的设计、创新性的结构、以及创新性的封装技术等。例如，在博世公司首次在专用集成电路ASIC中引入硅通孔技术（TSVs），并在3轴加速器上采用了晶圆级芯片规模封装技术之后，与其竞争对手ST和mCube相比，博世MEMS产品的封装尺寸减小至55%。此项技术突破帮助他们减小了硅芯片的尺寸，并因此很好的降低了产品成本。

此类创新竞赛从未停上过。mCube后续又凭借其MC3600系列加速器的创新方案再次反超博世公司，重新居于领跑地位。

如今，MEMS领域的创新仍在继续，这种创新不仅来自新技术，也包括成熟MEMS技术的新应用。

先进封装：微型化、集成化趋势

作为一种技术趋势，MEMS传感器和执行器不断致力于缩小尺寸、降低成本和提高性能，并正在转向以异构功能集成为关键的系统化。

首先，微型化不可逆，MEMS向NEMS（纳机电系统）演进。与MEMS类似，NEMS是专注纳米尺度领域的微纳系统技术，只不过尺寸更小。而随着终端设备小型化、种类多样化，MEMS向更小尺寸演进是大势所趋。

此外，从前端制造到封装、模块和系统集成，整个MEMS供应链都朝着混合能力的方向发展。

随着MEMS加工工艺的进步，以及CMOS工艺和MEMS工艺的集成，MEMS传感器可以在更小面积的芯片上集成更强大的运算与存储能力，更好地满足系统应用对低成本、小体积、高性能的全面要求。

多传感器融合

现代传感器作为电子产品的“感知中枢”，通过加入微控制单元和相应信号处理算法，还可以承担自动调零、校准和标定等功能，实现终端设备的智能化。

同时，传感器市场也正在呈现多项功能高度集成化和组合化。由于设计空间、成本和功耗预算日益紧缩，在同一衬底上集成多种敏感元器件、制成能够检测多个参量的多功能组合MEMS传感器成为重要解决方案。

多传感器融合技术有助于增加可获得的数据数量，显著提高系统的冗余度和容错性，从而保证决策的快速性和正确性。随着设备智能化程度的提升，单个设备中搭载的传感器数量不断增加，多传感器的融合和协同提升了信号识别与收集效果。

综合来看，先进的封装技术，如多芯片模块可以将多个芯片组合封装，特别是3D堆叠封装技术，代表着MEMS产品不断向微型化和高集成化的发展趋势迈进，预示着其可在有限的体积内集成更多的组件，实现更复杂更强大的功能。随着MEMS传感器的技术的发展，传感器的体积将不断缩小，这将有利于更多应用领域，如消费电子、汽车行业等领域，更易于整合到不同类型产品中。

基于此，业界还出现了很多新技术：

密封双模技术

当前，可听设备和以音频为中心的可穿戴设备对音质和电池寿命都有很高的期望。因此，工程师必须利用先进的MEMS技术和创新的电路设计跟上步伐。

例如，英飞凌在Apple Airpods Pro中的MEMS麦克风中采用了密封双膜技术，将其专有的MEMS技术和巧妙的ASIC设计发挥到极致，这种设计可以将功耗降低两倍，将高音频质量和低噪声结合在一个微型麦克风设备中，也实现了超高SNR（信噪比）、极低失真，并且可以防止水和灰尘滞留在膜和背板之间，从而实现几乎无噪音音频信号捕获。

英飞凌XENSIV IM69D128S MEMS麦克风包括微型模块封装中的MEMS单元和ASIC

据悉，英飞凌MEMS麦克风由最早的单背板技术、双背板设计发展到现在转向密封双膜结构，经历了将近20年。

单背板结构就是一块背极板配合着一层振膜，当振膜受到声压作用时会在背极板上方振动，利用振膜与背极板之间的距离变化关系传递电容信号的变化，这就是MEMS麦克风将空气振动的机械能转换为电能的基本感测原理。单背板架构如下图所示：

英飞凌单背板架构示意图

由于单背板MEMS麦克风输出的是一个单端信号，为了增强MEMS麦克风的抗干扰能力，降低本底噪音，提高MEMS麦克风的信噪比，2017年，英飞凌成功量产了采用双背板技术差分输出的MEMS麦克风产品，将MEMS麦克风的信噪比提升到了69dB。

英飞凌双背板（Dual-back plate）架构示意图

为了能够在消费级电子产品中实现录音棚级别的音频用户体验，同时进一步提高MEMS麦克风产品的可靠性，增强抗污染及防水能力，英飞凌于2021年又成功量产了采用密封双振膜技术的新产品，信噪比进一步提升，同时MEMS麦克风单体就能具备IP57级别的防尘和防水能力。

英飞凌MEMS芯片（左）和密封双振膜结构示意图（右）

凭借密封双膜技术带来的高性能和低功耗的优势，此类MEMS产品适用于包括TWS、耳戴式耳机和听力增强产品，同时也可以应用于其他空间关键应用，如可穿戴设备、智能手机和物联网设备等。

激光重新密封工艺

比如，2015年至2018年，博世在苹果iPhone中的压力传感器从LGA封装转向O形圈防水封装，让苹果提高了耐用性。在此期间，博世将MEMS芯片的尺寸减少了一半以上，从0.8mm²缩小到0.35mm²，遵循了行业小型化的模式。

博世还推出了新的制造技术，新的激光重新密封工艺可显着减少压力变化，从而最大限度地发挥 iPhone 14 Pro 内惯性传感器的性能。虽然该工艺比以前的工艺贵三倍，但它允许将MEMS陀螺仪和加速度计集成到同一芯片上，从而实现传感器的进一步小型化并更好地控制腔内的真空水平。

MEMS器件真空封装结构

MEMS器件真空封装的制造工艺主要包括基底加工、薄膜沉积、真空腔室形成和密封结构制备等步骤。该结构是为了保护其微观结构免受外部环境影响，如温度、湿度、气体等，能够有效降低器件的气阻，提高其灵敏度和性能稳定性。

MEMS器件真空封装结构及其制造工艺对于确保器件的性能和稳定性至关重要。通过精确的基底加工、薄膜沉积、真空腔室形成和密封结构制备等工艺步骤，可以实现高质量的真空封装。

然而，由于MEMS器件的尺寸和复杂性不断增加，其真空封装制造工艺也面临着诸多挑战。未来，随着封装技术的不断创新和优化，有望进一步提高MEMS器件真空封装的性能和可靠性。

总结来看，随着MEMS技术的不断发展，对于封装技术的要求也将不断提高。未来的封装技术需要在降低成本、提高生产效率、缩小封装体积等方面取得更多突破。例如，通过集成多种功能的封装技术，可以减少器件间的连接，提高整体性能。此外，新型材料的开发和应用也将为MEMS器件真空封装带来更多可能性。

在实际应用中，为了满足不同MEMS器件的需求，封装技术应具备一定的灵活性和可定制性。为了实现这一目标，未来研究应聚焦于多种封装技术的融合和创新，如将微观和宏观尺度的封装技术相结合，以及将传统和新兴封装技术相结合。

总之，MEMS器件真空封装结构及其制造工艺在保证器件性能和稳定性方面起着至关重要的作用。未来的研究和发展将继续专注于提高封装技术的性能、可靠性和生产效率，以满足不断变化的MEMS器件需求。通过不断创新和优化，有望为各行各业提供更加高效、稳定和可靠的MEMS器件解决方案。

MEMS晶圆：向12英寸迈进

另一个值得注意的趋势是从6、英寸8英寸到12英寸MEMS制造的转变。虽然这对MEMS厂商来说需要大量投资，但它可以更好地与12英寸CMOS晶圆集成，并支持最佳设备性能。

当前全球毫无疑问的MEMS传感器王者，博世正在推进位于德国东部城市德累斯顿的12英寸MEMS晶圆产线建设，该项目投资10亿欧元。

国内MEMS行业也在大步向前。去年1月，赛微电子宣布将在合肥高新区建设12英寸MEMS生产线，预计总投资为51亿元，建成后月产能为2万片。

另外，在更早的2020年12月，士兰微的12英寸生产线就在厦门海沧正式投产了，该项目总投资170亿元，规划建设两条以功率半导体芯片、MEMS传感器芯片为主要产品的12英寸特色工艺功率半导体芯片生产线。

此外，目前中国大陆规模最大的MEMS代工企业中芯集成，在今年5月底发布的公告称，将在绍兴滨海新区投资建设中芯绍兴三期12英寸特色工艺晶圆制造中试线项目。

此前，计划募集资金使用项目包括“MEMS和功率器件芯片制造及封装测试生存基地技术改造项目”，“二期晶圆制造项目”以及“补充流动资金”。后续调整后，新增“中芯绍兴三期12英寸特色工艺晶圆制造中试线项目”。

去年12月，12英寸先进智能传感器及特色工艺晶圆制造产线项目——广州增芯一期第一阶段项目正式动工，增芯是12英寸先进智能传感器及特色工艺晶圆制造产线，为MEMS制造生产线项目。计划2024上半年通线，2025年年底满产，将建设月加工2万片12英寸的晶圆制造量产线。

很明显可以看出，全球MEMS晶圆的产能正向12英寸过渡，中国半导体也在朝着这个方向努力。12英寸MEMS制造日益成为现实，除了它带来的额外产能之外，还看到12英寸制造在小型化以及整体设备可用性和质量方面的其他关键优势。

此外，MEMS传感器制造商正试图通过为MEMS传感器添加软件、处理和计算能力，赋予其额外的功能，从而摆脱商品化周期并提升价值链。MEMS传感器与边缘或云中的AI/ML/DL相结合的应用正在开辟一条道路。

机遇背后，MEMS挑战尚在

近年来，随着MEMS技术的不断进步和应用领域的不断拓展，全球MEMS产业持续呈现出良好的发展态势。

虽然MEMS技术已经取得了显著的进展，但仍存在一些挑战需要克服。

首先，MEMS技术的制造工艺要求非常高，包括纳米级别的加工和控制，这增加了生产成本和制造难度。为了推动MEMS技术的发展，需要不断改进制造工艺，提高生产效率和可扩展性。其次，MEMS器件的可靠性和稳定性也是需要关注的问题。由于MEMS器件的微小尺寸和复杂结构，容易受到环境因素和振动等影响，可能导致性能不稳定或寿命缩短。因此，需要加强对MEMS器件的可靠性测试和可持续性设计，确保其在各种应用环境下能够稳定工作。此外，MEMS技术还需要与其他技术领域进行深度融合，以实现更广泛的应用。例如，与人工智能、大数据和云计算等技术结合，可以实现MEMS传感器数据的智能分析和应用。通过数据挖掘和机器学习算法，可以提取出有价值的信息，并为各个领域的决策提供支持。

MEMS在封装方面同样存在挑战，目前的MEMS封装技术大都是由集成电路封装技术发展和演变而来，但是由于其应用环境的复杂性，使其与集成电路封装相比又有很大的特殊性，不能简单将集成电路封装直接去封装MEMS器件。

与IC封装类似，MEMS封装在机械支撑、环境保护和电气连接3个方面存在差异性。除此之外，在实际的MEMS封装中，还必须考虑下面一些因素：首先，封装必须给传感器带来的应力要尽可能小，材料的热膨胀系数（CTE）必须与硅的热膨胀系数相近或稍大，由于材料的不匹配，很容易导致界面应力，从而使芯片发生破裂或者分层。对于应力传感器，在设计时就必须考虑封装引起的应力给器件性能的影响，其次，对于一般的MEMS结构和电路封装，散热是必须要给予充分重视的，高温下器件失效的可能性会大大增加，而对于热流量计和红外传感器，适当的热隔离会提高传感器的灵敏度。

总之，MEMS技术凭借其独特的特点和广阔的应用前景，成为科技领域的一股强劲力量。作为“More than Moore”的重要方向和突破口，并在人工智能、物联网等热点应用风口催化下，MEMS产业迎来了巨大的战略机遇期。

虽然面临一些挑战，但通过不断的研发和创新，相信MEMS技术将继续迈向更高峰。

就像行业专家林雪萍在文章中所述：“MEMS传感器仍然是一种预言，万物有眼，剧透未来。MEMS厂家的一举一动，就像是一本关于未来产品的参考书，预示着各种可能的智能之路。”

未来，改变当今MEMS格局的市场在哪里？

参考内容

MEMS行业：回顾过去20年的创新和增长，YOLE

MEMS:未来可期，润泽基金

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今天是《半导体行业观察》为您分享的第3531期内容，欢迎关注。

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