微機電系統（Microelectro Mechanical System，MEMS）傳感器是利用微機械加工技術(shù)制造的新型傳感器，相比于傳統傳感器元件，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(dòng)傳感器不斷向微型化、智能化發(fā)展的主要動(dòng)力，同時(shí)MEMS技術(shù)作為微電子制造技術(shù)的一個(gè)重要分支，也是超越摩爾時(shí)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(shí)期，技術(shù)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(chǎng)規模達到2059 億美元，年均增長(cháng)率超過(guò)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(mén)類(lèi)。
全球MEMS傳感器市場(chǎng)目前仍由歐美日等發(fā)達國家和地區主導，其中美國、德國以及日本三國市場(chǎng)占比達到50%以上，而在高端MEMS傳感器領(lǐng)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(lǐng)域處于絕對領(lǐng)先地位，尤其在MEMS濾波器領(lǐng)域，市場(chǎng)份額高達87%。隨著(zhù)智能終端產(chǎn)業(yè)的爆發(fā)式增長(cháng)，博通的優(yōu)勢將得到進(jìn)一步鞏固。
博世在運動(dòng)類(lèi)MEMS傳感器方面一枝獨秀，其產(chǎn)品在汽車(chē)以及智能手機等領(lǐng)域已成為不可或缺的關(guān)鍵部件。我國在聲學(xué)MEMS傳感器等領(lǐng)域具有一定競爭力，但整體來(lái)看尚不具備主導能力。
隨著(zhù)MEMS制造技術(shù)的逐漸成熟，新型MEMS傳感器產(chǎn)品層出不窮，產(chǎn)品出貨量也呈現急劇增長(cháng)的趨勢。
目前，MEMS企業(yè)正在通過(guò)不斷的基礎技術(shù)創(chuàng )新實(shí)現進(jìn)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，傳統的壓力傳感器商業(yè)化時(shí)間長(cháng)達15年，而成本降低時(shí)間同樣需要15年，而當前MEMS傳感器的平均商業(yè)化時(shí)間僅為6年，成本降低時(shí)間也進(jìn)一步縮短至5年以?xún)?，因此快速更迭的產(chǎn)品使得MEMS傳感器已經(jīng)在眾多領(lǐng)域成功得以商業(yè)化，并產(chǎn)生了巨大的市場(chǎng)機會(huì )。
2 MEMS傳感器應用現狀
MEMS傳感器種類(lèi)極多，可應用于物理、化學(xué)、生物等領(lǐng)域信號的探測，較為常見(jiàn)的種類(lèi)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(fēng)等。目前，MEMS傳感器在消費電子、醫療、汽車(chē)電子以及工業(yè)等應用領(lǐng)域占比最高，分別占據41.8%、28.1%、16.7%和9.1%。
在消費電子領(lǐng)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(dòng)感測組合傳感器、環(huán)境感測組合傳感器、光學(xué)感測組合傳感器等。
其中，運動(dòng)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(fēng)、壓力傳感器等；光學(xué)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(xué)生物傳感器等。
在醫療領(lǐng)域，生物MEMS傳感器已經(jīng)成為醫學(xué)檢測中不可缺少的關(guān)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(lèi)。
此外，MEMS傳感器還應用于腦電圖測量、心電圖監測、CT成像以及設備定位等其他非生物領(lǐng)域，未來(lái)隨著(zhù)器件性能的不斷提升以及進(jìn)一步微型化，MEMS技術(shù)還將在外骨骼、心臟起搏器、視網(wǎng)膜植入等新興領(lǐng)域得到進(jìn)一步應用。
在汽車(chē)電子領(lǐng)域，MEMS傳感器整體呈現穩步增長(cháng)的趨勢，近5年汽車(chē)市場(chǎng)MEMS傳感器復合年增長(cháng)率超過(guò)7%，預計到2022年，市場(chǎng)規模將達到32 億美元，出貨量將超過(guò)20 億顆。
汽車(chē)電子領(lǐng)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，主要應用于電子穩定程序控制系統、安全氣囊、胎壓監測、進(jìn)排氣管絕對壓力檢測等領(lǐng)域。
在工業(yè)電子領(lǐng)域，MEMS傳感器高穩定性、高精度的特性可滿(mǎn)足工業(yè)控制領(lǐng)域近乎零誤差的要求，同時(shí)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(guò)封裝形式、制作工藝等技術(shù)的變化進(jìn)行滿(mǎn)足。如應用在地質(zhì)勘探等領(lǐng)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(jìn)MEMS傳感器技術(shù)發(fā)展最新進(jìn)展
當前，MEMS傳感器已經(jīng)應用于各個(gè)領(lǐng)域之中，其中技術(shù)迭代最快、應用規模最大的要數運動(dòng)傳感器和壓力傳感器。
MEMS運動(dòng)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(lǐng)域實(shí)現了大規模應用。
當前，MEMS運動(dòng)傳感器正在向著(zhù)多功能集成和高精度進(jìn)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(jìn)的解決方案。
為實(shí)現多傳感器之間的數據融合，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據的問(wèn)題。
博世公司利用系統封裝（SiP）等技術(shù)，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(jìn)行整合，進(jìn)一步對增強現實(shí)、室內導航、個(gè)人健身以及其他對環(huán)境意識要求較高的場(chǎng)景的適應性進(jìn)行了加強。
為實(shí)現無(wú)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(zhuān)用芯片的個(gè)人慣性導航系統被報道，該系統在低功耗CMOS集成電路的輔助下，與系統校準技術(shù)充分結合，實(shí)現了在無(wú)GPS信號情況下，3 km步行距離內誤差小于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(chē)、生物醫藥以及工藝控制等領(lǐng)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(shù)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(xiàn)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(gè)短梁和一個(gè)位于中心的方形凸塊，通過(guò)減少傳感膜結構偏轉程度達到進(jìn)一步降低壓力的非線(xiàn)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(mǎn)足航空航天領(lǐng)域中在惡劣環(huán)境中的無(wú)源無(wú)線(xiàn)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(shí)，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(shí)現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(mǎn)足了惡劣環(huán)境下壓力傳感的需求。
4 我國MEMS傳感器技術(shù)產(chǎn)業(yè)現狀
近年來(lái)，國內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(cháng)電科技等各產(chǎn)業(yè)鏈龍頭企業(yè)發(fā)展迅速。
與此同時(shí)，近年來(lái)中國MEMS市場(chǎng)增速一直高于全球市場(chǎng)增長(cháng)水平，這一方面得益于中國MEMS市場(chǎng)發(fā)展起步相對較晚，市場(chǎng)基數較小，因此市場(chǎng)增速較快；另一方面，近幾年中國消費電子產(chǎn)品以及汽車(chē)電子產(chǎn)品持續保持較快增長(cháng)勢頭，加之全球電子整機產(chǎn)業(yè)持續向中國轉移，使得MEMS需求不斷釋放，中國MEMS市場(chǎng)因此呈現良好發(fā)展態(tài)勢，占全球的市場(chǎng)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(shù)欠缺等短板?？傮w而言，當前我國仍需在核心技術(shù)攻關(guān)、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(shù)以及諸如通信、化學(xué)、生物等學(xué)科交叉相關(guān)技術(shù)的復雜工作，涵蓋范圍廣，綜合性強，因此相比于傳統傳感器，MEMS傳感器產(chǎn)品線(xiàn)開(kāi)發(fā)難度大，周期長(cháng)，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(jìn)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(guò)20多年的發(fā)展，目前已經(jīng)涌現出歌爾股份、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(fēng)產(chǎn)品已經(jīng)進(jìn)入蘋(píng)果、三星等國際一流廠(chǎng)商的供應鏈，出貨量穩居全球第二，且于2018年營(yíng)收規模達到50 億美元。
但與霍尼韋爾、博世等國際龍頭廠(chǎng)商相比，我國企業(yè)仍存在產(chǎn)品線(xiàn)單一、整體規模偏小等問(wèn)題，目前國內除歌爾股份和瑞聲科技等少數龍頭企業(yè)外，其他企業(yè)年營(yíng)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(jìn)行MEMS仿真，并且缺乏優(yōu)質(zhì)的MEMS和ASIC設計服務(wù)（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(guò)長(cháng)，且以模仿國外成熟產(chǎn)品為主，缺乏引領(lǐng)市場(chǎng)的創(chuàng )新產(chǎn)品，無(wú)法滿(mǎn)足日新月異的市場(chǎng)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IC制造工藝相比存在明顯差異。
傳統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處理器可集成數十億只晶體管，與之相比，MEMS傳感器件集成元件數量少、單個(gè)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點(diǎn)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(xué)特性以及刻蝕深度、精度、應力控制等每一步工藝的準確實(shí)現。
此外，由于MEMS器件中存在諸如懸臂梁等特殊結構，因此相比于傳統的IC制造工藝，MEMS工藝存在更多實(shí)現難度較大的特殊技術(shù)，如深槽刻蝕、犧牲層釋放技術(shù)、LIGA工藝、鍵合技術(shù)等。
國內主流的MEMS代工產(chǎn)線(xiàn)目前以6 英寸和8 英寸芯片為主，隨著(zhù)近年來(lái)罕王科技、耐威科技等先進(jìn)產(chǎn)線(xiàn)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(xiàn)僅能制備以壓力傳感器、MEMS麥克風(fēng)、加速度計等為主的低端產(chǎn)品，制造工藝水平與國際領(lǐng)先代工廠(chǎng)的差距明顯，諸如壓電材料（AlN、PZT等）等高端制造工藝線(xiàn)尚未建立，無(wú)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(chǎng)也擁有體微加工技術(shù)、表面微加工技術(shù)和CMOS MEMS技術(shù)，但由于產(chǎn)品出貨量都比較小，因此在量產(chǎn)良率、可靠性和穩定性等方面存在不足。
4.3 封裝
由于MEMS傳感器內部存在可動(dòng)部件或多個(gè)環(huán)境通路，因此傳統的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(shù)，其中倒裝式封裝仍是目前市場(chǎng)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(chǎng)規模正快速攀升。
現今，國產(chǎn)MEMS封裝產(chǎn)業(yè)在全球范圍內處于相對領(lǐng)先的地位。我國MEMS傳感器封裝通常由傳統IC芯片封裝企業(yè)進(jìn)行代工。
當前，由長(cháng)電科技、通富微電和華天科技組成的國內封裝企業(yè)第一梯隊的先進(jìn)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(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)，且2019年三大廠(chǎng)商所占全球芯片封裝市場(chǎng)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
與傳統集成電路IC不同，傳感器測試通常需通過(guò)橋路檢測、零點(diǎn)檢測、激勵檢測和穩定性檢測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(diǎn)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(shù)指標；激勵檢測是在對產(chǎn)品外加激勵的條件下，根據傳感器輸出數據判斷產(chǎn)品的靈敏度、線(xiàn)性度、漂移、信噪比等指標；穩定性檢測是在對產(chǎn)品施加過(guò)量激勵的情況下，判斷產(chǎn)品的抗沖擊、抗高溫、抗高壓等穩定性能，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(lèi)而不同，因此各廠(chǎng)商通常采用自研測試設備的方式對自身產(chǎn)品進(jìn)行測試，例如美新半導體和明皜傳感開(kāi)發(fā)了加速度計測試設備，但總體而言國內能夠量產(chǎn)高品質(zhì)MEMS測試設備的企業(yè)數量仍然較少，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(shù)攻關(guān)
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(xué)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(chǎng)商在本土設廠(chǎng)，不斷提升先進(jìn)MEMS工藝產(chǎn)能與利用率，加大CMOS MEMS制造技術(shù)研發(fā)力度，逐漸實(shí)現高端MEMS產(chǎn)品自主化生產(chǎn)。
在封裝方面，持續支持長(cháng)電科技、通富微電、華天科技等國內龍頭企業(yè)在三維封裝、硅通孔TSV等第四代封裝技術(shù)的研發(fā)，不斷提升本土封裝企業(yè)先進(jìn)封裝市場(chǎng)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(chǎng)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(shí)現多種類(lèi)產(chǎn)品柔性生產(chǎn)。
加大封裝、測試廠(chǎng)商與制造代工廠(chǎng)之間的協(xié)同，針對不同種類(lèi)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(kāi)展合作，促進(jìn)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(guān)鍵環(huán)節設立重點(diǎn)項目，為產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供相應財政支持。
出臺相關(guān)鼓勵政策，支持相關(guān)企業(yè)開(kāi)展包括技術(shù)引進(jìn)、公司并購以及學(xué)術(shù)交流等在內的國際合作，鼓勵、支持先進(jìn)MEMS制造、封裝、測試設備引進(jìn)，促進(jìn)國內MEMS制造、封測能力快速提升。
6 結束語(yǔ)
MEMS傳感器技術(shù)產(chǎn)業(yè)已經(jīng)成為推動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域不斷發(fā)展的關(guān)鍵動(dòng)力，隨著(zhù)傳感器種類(lèi)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(lái)翻天覆地的變化。
我國在完善產(chǎn)業(yè)鏈各個(gè)環(huán)節的同時(shí)，需進(jìn)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，從技術(shù)、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
