微機電系統(tǒng)（Microelectro Mechanical System，MEMS）傳感器是利用微機械加工技術制造的新型傳感器，相比于傳統(tǒng)傳感器元件，MEMS傳感器憑借質(zhì)量輕、體積小、靈敏度高、可靠性強、易于集成等優(yōu)良特性，成為推動傳感器不斷向微型化、智能化發(fā)展的主要動力，同時MEMS技術作為微電子制造技術的一個重要分支，也是超越摩爾時代的重要發(fā)展方向之一。
1 MEMS傳感器產(chǎn)業(yè)發(fā)展總體情況
當前，全球傳感器產(chǎn)業(yè)正處于飛速發(fā)展的時期，技術更新迭代不斷加快，產(chǎn)業(yè)競爭日益激烈。2018年，全球傳感器市場規(guī)模達到2059 億美元，年均增長率超過12%，其中MEMS傳感器占比由2015年的8%迅速上升至25%，成為僅次于圖像傳感器（CIS）的第二大傳感器門類。
全球MEMS傳感器市場目前仍由歐美日等發(fā)達國家和地區(qū)主導，其中美國、德國以及日本三國市場占比達到50%以上，而在高端MEMS傳感器領域，美國和德國的優(yōu)勢則更為明顯。
美國博通在射頻MEMS傳感器領域處于絕對領先地位，尤其在MEMS濾波器領域，市場份額高達87%。隨著智能終端產(chǎn)業(yè)的爆發(fā)式增長，博通的優(yōu)勢將得到進一步鞏固。
博世在運動類MEMS傳感器方面一枝獨秀，其產(chǎn)品在汽車以及智能手機等領域已成為不可或缺的關鍵部件。我國在聲學MEMS傳感器等領域具有一定競爭力，但整體來看尚不具備主導能力。
隨著MEMS制造技術的逐漸成熟，新型MEMS傳感器產(chǎn)品層出不窮，產(chǎn)品出貨量也呈現(xiàn)急劇增長的趨勢。
目前，MEMS企業(yè)正在通過不斷的基礎技術創(chuàng)新實現(xiàn)進一步的突破，產(chǎn)品商業(yè)化周期和成本降低周期得以大幅縮短，20世紀60年代，傳統(tǒng)的壓力傳感器商業(yè)化時間長達15年，而成本降低時間同樣需要15年，而當前MEMS傳感器的平均商業(yè)化時間僅為6年，成本降低時間也進一步縮短至5年以內(nèi)，因此快速更迭的產(chǎn)品使得MEMS傳感器已經(jīng)在眾多領域成功得以商業(yè)化，并產(chǎn)生了巨大的市場機會。
2 MEMS傳感器應用現(xiàn)狀
MEMS傳感器種類極多，可應用于物理、化學、生物等領域信號的探測，較為常見的種類有加速度傳感器、慣性傳感器、壓力傳感器、MEMS陀螺儀以及MEMS麥克風等。目前，MEMS傳感器在消費電子、醫(yī)療、汽車電子以及工業(yè)等應用領域占比最高，分別占據(jù)41.8%、28.1%、16.7%和9.1%。
在消費電子領域，出于對體積、功耗以及成本等因素的考慮，以手機、平板、可穿戴、AR/VR設備等為代表的ICT終端設備80%以上的傳感器是基于MEMS工藝生產(chǎn)制造的，主要分為運動感測組合傳感器、環(huán)境感測組合傳感器、光學感測組合傳感器等。
其中，運動感測組合傳感器主要包括加速計、陀螺儀和慣性測量單元；環(huán)境感測組合傳感器主要包括MEMS麥克風、壓力傳感器等；光學感測組合傳感器主要包括環(huán)境光傳感器、接近傳感器、RGB顏色傳感器、激光測距傳感器、光學生物傳感器等。
在醫(yī)療領域，生物MEMS傳感器已經(jīng)成為醫(yī)學檢測中不可缺少的關鍵部件，主要分為微生物傳感器、酶傳感器、細胞傳感器、組織傳感器、蛋白質(zhì)傳感器、免疫傳感器6類。
此外，MEMS傳感器還應用于腦電圖測量、心電圖監(jiān)測、CT成像以及設備定位等其他非生物領域，未來隨著器件性能的不斷提升以及進一步微型化，MEMS技術還將在外骨骼、心臟起搏器、視網(wǎng)膜植入等新興領域得到進一步應用。
在汽車電子領域，MEMS傳感器整體呈現(xiàn)穩(wěn)步增長的趨勢，近5年汽車市場MEMS傳感器復合年增長率超過7%，預計到2022年，市場規(guī)模將達到32 億美元，出貨量將超過20 億顆。
汽車電子領域常用的傳感器主要包括加速傳感器、壓力傳感器、陀螺儀、流量傳感器、溫度傳感器、液位傳感器、位置傳感器、氣體濃度傳感器等，主要應用于電子穩(wěn)定程序控制系統(tǒng)、安全氣囊、胎壓監(jiān)測、進排氣管絕對壓力檢測等領域。
在工業(yè)電子領域，MEMS傳感器高穩(wěn)定性、高精度的特性可滿足工業(yè)控制領域近乎零誤差的要求，同時對于極限溫度、濕度和酸堿度等工作環(huán)境要求，MEMS傳感器可通過封裝形式、制作工藝等技術的變化進行滿足。如應用在地質(zhì)勘探等領域的ADI工業(yè)用陀螺儀，其壽命可達1000 h，抗沖擊性達10 000 G，使用溫度范圍達-40℃~175℃ 。
3 先進MEMS傳感器技術發(fā)展最新進展
當前，MEMS傳感器已經(jīng)應用于各個領域之中，其中技術迭代最快、應用規(guī)模最大的要數(shù)運動傳感器和壓力傳感器。
MEMS運動傳感器是目前應用最為廣泛的MEMS傳感器，包含了陀螺儀、加速度計和慣性測量單元等，目前已經(jīng)在智能手機、可穿戴智能設備以及平板電腦等領域?qū)崿F(xiàn)了大規(guī)模應用。
當前，MEMS運動傳感器正在向著多功能集成和高精度進行演化，為解決智能終端產(chǎn)品中的不同需求衍生出各種先進的解決方案。
為實現(xiàn)多傳感器之間的數(shù)據(jù)融合，飛思卡爾等公司在其傳感器產(chǎn)品中嵌入了微處理器以及存儲器等模塊，解決了融合外部傳感數(shù)據(jù)的問題。
博世公司利用系統(tǒng)封裝（SiP）等技術，將三軸12位加速度計、三軸地磁傳感器、三軸16位陀螺儀以及微控制器進行整合，進一步對增強現(xiàn)實、室內(nèi)導航、個人健身以及其他對環(huán)境意識要求較高的場景的適應性進行了加強。
為實現(xiàn)無GPS信號情況下的精確慣性導航，目前已經(jīng)有集成了加速度計、陀螺儀、地磁傳感器以及接口專用芯片的個人慣性導航系統(tǒng)被報道，該系統(tǒng)在低功耗CMOS集成電路的輔助下，與系統(tǒng)校準技術充分結合，實現(xiàn)了在無GPS信號情況下，3 km步行距離內(nèi)誤差小于6 m的優(yōu)越性能。
MEMS壓力傳感器同樣是使用最廣泛的MEMS傳感器產(chǎn)品之一，通常應用于智能手機、航空航天、汽車、生物醫(yī)藥以及工藝控制等領域，按照壓力探測方式可以分為壓阻式、電容式、諧振傳感等，而最為常用的是壓阻式和電容式，因此這兩種壓力傳感器的技術迭代也最為活躍。
為充分降低微壓MEMS傳感器中測量的敏感性和線性度之間的矛盾，不斷提高微壓傳感器測量精度，一種新型的FBBM結構應運而生，該結構包含了4個短梁和一個位于中心的方形凸塊，通過減少傳感膜結構偏轉程度達到進一步降低壓力的非線性，并提高了壓阻靈敏度，達到了提升微壓MEMS傳感器精度的目標。
為滿足航空航天領域中在惡劣環(huán)境中的無源無線壓力傳感需求，一種基于藍寶石的隔膜和結構體MEMS壓力傳感結構被提出，在施加壓力時，傳感器隔膜發(fā)生偏轉，傳感器的電諧振頻率因而隨壓力隔膜的偏轉而改變，實現(xiàn)了將輕微壓力轉換為電信號的目的，該結構可在1000℃的高溫下正常工作，滿足了惡劣環(huán)境下壓力傳感的需求。
4 我國MEMS傳感器技術產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀
近年來，國內(nèi)MEMS產(chǎn)業(yè)鏈已形成從前端設計、制造到后端封裝、測試的完整產(chǎn)業(yè)鏈條，瑞聲科技、歌爾股份、耐威科技、中芯國際、長電科技等各產(chǎn)業(yè)鏈龍頭企業(yè)發(fā)展迅速。
與此同時，近年來中國MEMS市場增速一直高于全球市場增長水平，這一方面得益于中國MEMS市場發(fā)展起步相對較晚，市場基數(shù)較小，因此市場增速較快；另一方面，近幾年中國消費電子產(chǎn)品以及汽車電子產(chǎn)品持續(xù)保持較快增長勢頭，加之全球電子整機產(chǎn)業(yè)持續(xù)向中國轉移，使得MEMS需求不斷釋放，中國MEMS市場因此呈現(xiàn)良好發(fā)展態(tài)勢，占全球的市場份額也不斷提高。
然而由于起步較晚，我國企業(yè)仍存在產(chǎn)能不足、核心技術欠缺等短板?？傮w而言，當前我國仍需在核心技術攻關、產(chǎn)業(yè)鏈配套水平提升等方面做工作，從根本上提升本土MEMS傳感器產(chǎn)業(yè)的核心競爭力。
4.1 設計
MEMS傳感器設計是一項集基礎理論、應用技術以及諸如通信、化學、生物等學科交叉相關技術的復雜工作，涵蓋范圍廣，綜合性強，因此相比于傳統(tǒng)傳感器，MEMS傳感器產(chǎn)品線開發(fā)難度大，周期長，且成本一直居高不下。
整體而言，我國在MEMS傳感器設計能力以及基礎研究等方面與國外先進水平仍存在一定差距。
在設計能力方面，我國MEMS產(chǎn)業(yè)經(jīng)過20多年的發(fā)展，目前已經(jīng)涌現(xiàn)出歌爾股份、瑞聲科技、敏芯科技等龍頭企業(yè)，其中歌爾股份的MEMS麥克風產(chǎn)品已經(jīng)進入蘋果、三星等國際一流廠商的供應鏈，出貨量穩(wěn)居全球第二，且于2018年營收規(guī)模達到50 億美元。
但與霍尼韋爾、博世等國際龍頭廠商相比，我國企業(yè)仍存在產(chǎn)品線單一、整體規(guī)模偏小等問題，目前國內(nèi)除歌爾股份和瑞聲科技等少數(shù)龍頭企業(yè)外，其他企業(yè)年營收仍難以達到1 億美元。
在基礎研究方面，目前中國在商業(yè)化MEMS設計工具方面處于真空狀態(tài)，通常采用Coventorware、IntelliSuite和Ansys等國外工具進行MEMS仿真，并且缺乏優(yōu)質(zhì)的MEMS和ASIC設計服務（如IP庫等），從而造成眾多MEMS設計公司的產(chǎn)品研發(fā)周期過長，且以模仿國外成熟產(chǎn)品為主，缺乏引領市場的創(chuàng)新產(chǎn)品，無法滿足日新月異的市場需求。
4.2 制造
MEMS制造工藝是集成電路IC制造工藝的一支，但與傳統(tǒng)IC制造工藝相比存在明顯差異。
傳統(tǒng)IC制造的目的是在單位面積上集成盡可能多的晶體管，如英特爾最新i7處理器可集成數(shù)十億只晶體管，與之相比，MEMS傳感器件集成元件數(shù)量少、單個元件體積較大，因此MEMS制造工藝并非一味追求更小的制程節(jié)點與更高的集成度，而是更加注重材料的結構機械特性、材質(zhì)化學特性以及刻蝕深度、精度、應力控制等每一步工藝的準確實現(xiàn)。
此外，由于MEMS器件中存在諸如懸臂梁等特殊結構，因此相比于傳統(tǒng)的IC制造工藝，MEMS工藝存在更多實現(xiàn)難度較大的特殊技術，如深槽刻蝕、犧牲層釋放技術、LIGA工藝、鍵合技術等。
國內(nèi)主流的MEMS代工產(chǎn)線目前以6 英寸和8 英寸芯片為主，隨著近年來罕王科技、耐威科技等先進產(chǎn)線先后落地，我國的MEMS產(chǎn)能得到了一定程度的提升，且產(chǎn)能利用率也從2015年的不足20%提升到如今的80%以上。
但目前我國產(chǎn)線僅能制備以壓力傳感器、MEMS麥克風、加速度計等為主的低端產(chǎn)品，制造工藝水平與國際領先代工廠的差距明顯，諸如壓電材料（AlN、PZT等）等高端制造工藝線尚未建立，無法生產(chǎn)薄膜體聲波濾波器、壓電式噴墨打印頭和超聲波傳感器等產(chǎn)品。
盡管中國MEMS代工廠也擁有體微加工技術、表面微加工技術和CMOS MEMS技術，但由于產(chǎn)品出貨量都比較小，因此在量產(chǎn)良率、可靠性和穩(wěn)定性等方面存在不足。
4.3 封裝
由于MEMS傳感器內(nèi)部存在可動部件或多個環(huán)境通路，因此傳統(tǒng)的IC封裝材料以及由封裝造成的應力有可能對傳感器外部環(huán)境及其相鄰元件產(chǎn)生干擾。
為將封裝對傳感器所產(chǎn)生的影響降至最低，MEMS封裝大多采用非標準工藝，導致MEMS封裝成本在傳感器制造環(huán)節(jié)中占總成本的比重達到40%以上。
目前，MEMS傳感器多采用球柵陣列封裝BGA、倒裝球柵陣列封裝FC-BGA以及晶圓級封裝WLP等技術，其中倒裝式封裝仍是目前市場的主流，而晶圓級封裝由于具有體積小、成本低等優(yōu)勢，其市場規(guī)模正快速攀升。
現(xiàn)今，國產(chǎn)MEMS封裝產(chǎn)業(yè)在全球范圍內(nèi)處于相對領先的地位。我國MEMS傳感器封裝通常由傳統(tǒng)IC芯片封裝企業(yè)進行代工。
當前，由長電科技、通富微電和華天科技組成的國內(nèi)封裝企業(yè)第一梯隊的先進封裝工藝占比均在50%以上，目前正致力于三維封裝、硅通孔TSV等第四代封裝關鍵技術的研發(fā)，且2019年三大廠商所占全球芯片封裝市場份額合計達到20.7%，中國大陸已成為僅次于中國臺灣（42%）的全球第二大芯片封裝基地。
4.4 測試
與傳統(tǒng)集成電路IC不同，傳感器測試通常需通過橋路檢測、零點檢測、激勵檢測和穩(wěn)定性檢測4種檢測。
橋路檢測主要負責檢測傳感器外圍電路是否連通；零點檢測是指不加外加激勵的情況下，檢查傳感器輸出值是否超出技術指標；激勵檢測是在對產(chǎn)品外加激勵的條件下，根據(jù)傳感器輸出數(shù)據(jù)判斷產(chǎn)品的靈敏度、線性度、漂移、信噪比等指標；穩(wěn)定性檢測是在對產(chǎn)品施加過量激勵的情況下，判斷產(chǎn)品的抗沖擊、抗高溫、抗高壓等穩(wěn)定性能，保證產(chǎn)品在使用中不易損壞。
由于MEMS傳感器測試方法因器件種類而不同，因此各廠商通常采用自研測試設備的方式對自身產(chǎn)品進行測試，例如美新半導體和明皜傳感開發(fā)了加速度計測試設備，但總體而言國內(nèi)能夠量產(chǎn)高品質(zhì)MEMS測試設備的企業(yè)數(shù)量仍然較少，高端測試設備仍被國外龍頭企業(yè)壟斷。
5 我國MEMS傳感器產(chǎn)業(yè)發(fā)展建議
5.1 加強核心技術攻關
在設計方面，積極探索采用分形理論、遺傳算法、小波變換、協(xié)同優(yōu)化、多Agent優(yōu)化等方法的多科學優(yōu)化MEMS器件設計方法，發(fā)展自主EDA軟件，以不斷提高產(chǎn)品性能、縮短設計周期和降低研制成本。
在制造方面，鼓勵國產(chǎn)MEMS廠商在本土設廠，不斷提升先進MEMS工藝產(chǎn)能與利用率，加大CMOS MEMS制造技術研發(fā)力度，逐漸實現(xiàn)高端MEMS產(chǎn)品自主化生產(chǎn)。
在封裝方面，持續(xù)支持長電科技、通富微電、華天科技等國內(nèi)龍頭企業(yè)在三維封裝、硅通孔TSV等第四代封裝技術的研發(fā)，不斷提升本土封裝企業(yè)先進封裝市場占比。
5.2 加強產(chǎn)業(yè)協(xié)同能力
支持以MEMS傳感器制造廠商為主體，建立設計仿真平臺和柔性制造模塊平臺，鼓勵上游材料、中游設計、制造以及下游應用企業(yè)協(xié)同參與產(chǎn)品研發(fā)與定制，實現(xiàn)多種類產(chǎn)品柔性生產(chǎn)。
加大封裝、測試廠商與制造代工廠之間的協(xié)同，針對不同種類MEMS傳感器制定適合的封裝工藝與測試方法，不斷提升產(chǎn)品可靠性與健壯性。
5.3 加大政策支持力度
鼓勵高校與企業(yè)開展合作，促進科研項目產(chǎn)業(yè)化，針對MEMS傳感器基礎理論研究、器件自主設計以及工藝研發(fā)等關鍵環(huán)節(jié)設立重點項目，為產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供相應財政支持。
出臺相關鼓勵政策，支持相關企業(yè)開展包括技術引進、公司并購以及學術交流等在內(nèi)的國際合作，鼓勵、支持先進MEMS制造、封裝、測試設備引進，促進國內(nèi)MEMS制造、封測能力快速提升。
6 結束語
MEMS傳感器技術產(chǎn)業(yè)已經(jīng)成為推動物聯(lián)網(wǎng)領域不斷發(fā)展的關鍵動力，隨著傳感器種類的逐漸翻新、精度的不斷提升以及成本的快速下降，必將為物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)與應用帶來翻天覆地的變化。
我國在完善產(chǎn)業(yè)鏈各個環(huán)節(jié)的同時，需進一步加強產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同發(fā)展，支持基礎研發(fā)與人才培養(yǎng)，從技術、產(chǎn)業(yè)、政策多角度發(fā)力，為我國物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的繁榮打下良好基礎
