什么是MEMS技術？
MEMS 技術于 1980 年代發(fā)明，是一種利用硅基半導體制造工藝制造微型機械電子系統的技術，最早在汽車和軍工領域有部分應用，主要產品包括 MEMS 傳感器和 MEMS 執(zhí)行器。使用MEMS 工藝制造的器件具有小型化、可智能化的特點，契合物聯網中邊緣端設備采集不同維度、海量數據過程中對低功耗、一致性高的需求。但在 4G 網絡誕生以前，由于通信網絡數據傳輸和承載能力有限，MEMS 傳感器的市場需求亦非常有限，正如胎兒時期的人類由于神經網絡尚未發(fā)育，相應的感官器官的發(fā)展也會受到限制。
縱觀 MEMS 行業(yè)的發(fā)展歷史，汽車產業(yè)、醫(yī)療及健康監(jiān)護產業(yè)、通信產業(yè)以及手機和游戲機等個人電子消費品產業(yè)相繼促進了 MEMS 產業(yè)的快速發(fā)展。尤其是 2007 年以來，隨著以智能手機為代表的消費電子產品的快速普及和發(fā)展，MEMS 商業(yè)化的進展明顯加快。從而伴隨著 4G網絡和智能手機的誕生，MEMS 器件在過去十余年時間里有了非常顯著的發(fā)展，根據 IHS 的報告，至 2019 年整個 MEMS 器件市場的容量為 165 億美元，而中國信通院的報告顯示，下游智能傳感器市場的全球市場總量達到 378.5 億美元。
但整個 MEMS 器件及下游的智能傳感器市場仍然處于發(fā)展的初期，主要原因在于：
一、隨著 5G 網絡及之后通信網絡數據傳輸速度和承載能力的進一步提高，邊緣端設備感知能力的市場需求才能進一步有效產生，而 MEMS 器件的低功耗、一致性高以及微小型化極大地契合了這一需求，更多新興的 MEMS 器件需求以及現有 MEMS 器件的全新應用場景將在未來 10 年內持續(xù)產生；
二、傳感器是物聯網的核心數據入口，物聯網的發(fā)展帶動智能終端設備普及，推動MEMS 需求量增長。據全球移動通信系統協會 GSMA 統計和預測，2019 年全球物聯網設備數量為 120 億臺，預計到 2025 年將增長至 246 億臺，2019 年到 2026 年將保持 12.7％的復合增長率；
三、全球主要工業(yè)國家的人口出生率近年來均出現了不同程度的下降，用工成本和供需矛盾將進一步凸顯，旨在減少用工人員的工業(yè)制造智能化的需求涌現，越來越多的制造業(yè)工廠正在經歷智能化改造，而 MEMS 傳感器在智能化制造過程中的應用屬于剛需，需求將不斷提升。
國內掌握核心技術的 MEMS 企業(yè)在未來 10 年將面臨前所未有的發(fā)展機遇。首先，中國是消費電子、汽車、工業(yè)制造的主要集中地，這就意味著中國 MEMS 芯片企業(yè)可以與下游市場建立更為緊密的聯系。而國外的 MEMS 芯片提供商多為英飛凌、意法半導體、德州儀器、ADI 等大型模擬芯片廠商以及博世、霍尼韋爾等脫胎于汽車和工業(yè)制造供應商的模組廠商，企業(yè)體系內原有利益格局較為穩(wěn)定，相比國內專業(yè)的 MEMS 芯片企業(yè)，其在緊貼下游的服務意識和服務半徑方面均存在一定劣勢，對新市場新需求的響應也會相對落后，國內廠商相比而言更能把握住下游市場新的顛覆性需求；國外模擬類芯片大廠多采用 IDM 模式，并因此得以在行業(yè)發(fā)展初期占據優(yōu)勢地位，而國內 MEMS 芯片企業(yè)在發(fā)展初期普遍受限于資金，多采用 Fabless 的模式。因此這也是國內 MEMS 產品的產業(yè)化進程周期較長的一個關鍵原因，同時也是目前國際 MEMS 芯片廠商仍然處于領先地位的重要因素。而國內 MEMS 芯片領先企業(yè)在制造端的投入將縮短新產品的產業(yè)化進程，大大提高其在整個 MEMS 行業(yè)中的競爭力。
MEMS 傳感器芯片的基本特點
與大規(guī)模集成電路產品均采用標準的 CMOS 生產工藝不同，MEMS 傳感器芯片本質上是在硅片上制造極微小化機械系統和集成電路的集合體，需要綜合運用多學科、多行業(yè)的知識與技術、生產加工工藝具有明顯的非標準化和高度的定制化以及對產品供應鏈體系的支撐有著非常高的要求等特點。MEMS 芯片具有非常強的工藝特征，三維制造工藝與集成電路的二維制造工藝相差甚大，這也是國家十四五規(guī)劃中明確將 MEMS 特殊工藝的突破納入其中的重要原因。
主要技術門檻是什么
（1）跨行業(yè)知識與技術的綜合運用
MEMS 是一門交叉學科，MEMS 產品的研發(fā)與設計需要機械、電子、材料、半導體等跨學科知識以及機械制造、半導體制造等跨行業(yè)技術的積累和整合。MEMS 行業(yè)的研發(fā)設計人員需要具備上述專業(yè)知識技術的深入儲備和對上下游行業(yè)的深入理解，才能設計出既滿足客戶需求，又適合供應商實際加工能力的 MEMS 產品，因此對研發(fā)人員的專業(yè)知識和行業(yè)經驗都提出了較高的要求。
（2）各生產環(huán)節(jié)均存在技術壁壘
與大規(guī)模集成電路行業(yè)相比，MEMS 產品的研發(fā)步驟更加復雜，除了完成 MEMS 傳感器芯片的設計外，還需要開發(fā)出適合公司芯片設計路線的 MEMS 晶圓制造工藝。在晶圓制造廠商缺乏成熟的 MEMS 工藝模塊的情況下，公司需要參與開發(fā)適合晶圓制造廠商的制造工藝模塊，即使在晶圓制造廠商已經具備成熟制造工藝模塊的情況下，公司也需要根據公司的芯片設計路線確定每款芯片的具體工藝流程。由于 MEMS 傳感器需要與外界環(huán)境進行接觸，感知外部信號的變化，所以需要對成品的封裝結構和封裝工藝進行研發(fā)與設計，以降低產品失效的可能性。由于MEMS 傳感器承擔了對外部信號的獲取和轉換等功能，下游應用場景多樣，產品內部的極微小型機械系統對外界應用環(huán)境相對敏感，因此公司還需要負責 MEMS 專業(yè)測試設備系統和測試技術的開發(fā)，以滿足 MEMS 傳感器產品性能和質量測試的需求。因此，MEMS 傳感器行業(yè)在芯片設計、晶圓制造、封裝和測試環(huán)節(jié)都具有壁壘。
（3）技術工藝非標準化
MEMS 傳感器具有一種產品一種加工工藝的特點。MEMS 傳感器產品種類多樣，各種產品的功能和應用領域也不盡相同，使得各種 MEMS 傳感器的生產工藝和封裝工藝均需要根據產品設計進行調試，晶圓和成品的測試過程也采取非標準工藝，因此 MEMS 傳感器產品不存在通用化的技術工藝，需要從基礎研發(fā)開始對產品設計、生產工藝、設備開發(fā)和材料選取等各生產要素經歷長時間的研發(fā)和投入，并在大量出貨的過程中不斷對上述生產要素進行完善和優(yōu)化。
MEMS傳感器的發(fā)展現狀
MEMS 傳感器目前已經廣泛運用于消費電子、汽車、工業(yè)、醫(yī)療、通信等各個領域，隨著人工智能和物聯網技術的發(fā)展，MEMS 傳感器的應用場景將更加多元。MEMS 傳感器是人工智能重要的底層硬件之一，傳感器收集的數據越豐富和精準，人工智能的功能才會越完善。
物聯網生態(tài)系統的核心是傳感、連接和計算，隨著聯網節(jié)點的不斷增長，對智能傳感器數量和智能化程度的要求也不斷提升。未來，智能家居、工業(yè)互聯網、車聯網、智能城市等新產業(yè)領域都將為MEMS 傳感器行業(yè)帶來更廣闊的市場空間。因其得天獨厚的優(yōu)勢，MEMS 傳感器應用絕不僅局限于可穿戴設備，未來醫(yī)療、人工智能以及汽車電子等領域的傳輸底層架構均要依賴 MEMS 傳感器來布局。
從目前全球的發(fā)展趨勢來看，汽車工業(yè)和消費類電子的市場已經發(fā)展的足夠發(fā)達，成為了MEMS 傳感器的發(fā)展基礎。未來，醫(yī)療、人工智能、物聯網、智慧城市等應用領域智能現代化趨勢明顯，MEMS 傳感器的發(fā)展?jié)摿艽蟆?/span>
未來的技術發(fā)展趨勢：
（1）MEMS 和傳感器呈現多項功能高度集成化和組合化的趨勢。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 傳感器成為重要解決方案。
（2）傳感器智能化及邊緣計算。軟件正成為 MEMS 傳感器的重要組成部分，隨著多種傳感器進一步集成，越來越多的數據需要處理，軟件使得多種數據融合成為可能。MEMS 產品發(fā)展必將從系統應用的定義開始，開發(fā)具有軟件融合功能的智能傳感器，促進人工智能在傳感器領域更廣闊的應用。
（3）傳感器低功耗及自供能需求日趨增加。隨著物聯網等應用對傳感需求的快速增長，傳感器使用數量急劇增加，能耗也將隨之翻倍。降低傳感器功耗，采用環(huán)境能量收集實現自供能，增強續(xù)航能力的需求將會伴隨傳感器發(fā)展的始終，且日趨強烈。
（4）MEMS 向 NEMS 演進。隨著終端設備小型化、種類多樣化，推動微電子加工技術特別是納米加工技術的快速發(fā)展，智能傳感器向更小尺寸演進是大勢所趨。與 MEMS 類似，NEMS（納機電系統）是專注納米尺度領域的微納系統技術，只不過尺寸更小。
（5）新敏感材料的興起。薄膜型壓電材料具有更好的工藝一致性、更高的可靠性、更高的良率、更小的面積，可用于 MEMS 執(zhí)行器、揚聲器、觸覺和觸摸界面等。未來 MEMS 器件的驅動模式預計將從傳統的靜電梳齒驅動轉向壓電驅動。
（6）更大的晶圓尺寸。相比于目前業(yè)界普遍 應用的 6 英寸、8 英寸晶圓制造工藝，更大的晶圓尺寸能夠很大程度上降低成本、提高產量，并且晶圓尺寸的擴大與芯片特征尺寸的縮小是相應促進和互相推動的。例如，用 12 英寸晶圓工藝線制造的 MEMS 產品已經出現。
