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摘要：MEMS技術在汽車電子、生物醫療、智慧家庭、工業物聯網、消費電子等領域都有著廣闊的市場前景。隨著萬物互聯時代的加快到來，MEMS傳感器將迎來新的浪潮。

一、MEMS 是什么

1、MEMS 定義

MEMS（Microelectromechanical Systems，微機電系統）指特征尺寸在微米量級的機電系統，包含微傳感器、微執行器、微結構和微電子，具有尺寸小、功耗低、集成度高、批量化生產能力高等優點，廣泛應用于汽車、消費電子、醫療、航空航天等領域。

圖 1：MEMS 的細分

圖 2 典型的MEMS 系統示意圖

傳感器是用于感知外界信息的器件。外界信息包括物理信息、化學信息、生物信息等。物理信息涉及力、聲、光、電、磁、溫度、濕度等，化學信息涉及酸堿性、可燃性、毒性等，生物信息涉及酶、抗體、激素、微生物等。MEMS 傳感器的分類多樣，按照傳感信息的不同，可以分為加速度傳感器、壓力傳感器、磁傳感器、溫度傳感器、濕度傳感器等；按照應用功能的不同，可以分為胎壓傳感器、陀螺儀、硅麥克風等；根據是否需要電源，可以分為有源傳感器和無源傳感器。

MEMS 傳感器關鍵性能可以分為靜態性能和動態性能。靜態性能的評價指標包括分辨力、重復性、線性度、閾值、使用環境、穩定性等。動態性能是對動態輸入的響應特性。理想的動態性能是將隨時間變化的輸入信號，通過傳感器能夠輸出相同變化規律的輸出信號，即輸出信號和輸入信號具有一致的時間函數。動態性能的評價包括頻率響應、階躍響應等。頻率響應是決定被測信號頻率范圍的指標，例如壓力傳感器的頻率響應越高，可測信號的頻率范圍就越寬。階躍響應則是對階躍函數信號的響應能力，包括延遲時間、超調量等指標。

MEMS 執行器是在動力源的驅動下完成需要動作的微機械系統，包括微噴墨頭、MEMS 濾波器、EMS 揚聲器、MEMS 微鏡、MEMS 微射流執行器、MEMS 投影機等。相比傳統的執行器，MEMS執行器具有加速快、速度大、驅動力小、干擾因素少等優點。MEMS 執行器的執行方式有壓電執行、電磁執行、靜電執行、熱執行等，核心功能是將其他能量轉為機械能。MEMS 執行器的起步早，但發展速度不及MEMS 傳感器。意法半導體公司執行副總裁Benedetto 認為：一方面是生產能力、產業鏈發展不完善的原因；另一方面是新技術還需要真正的應用，如十年前手機攝像頭的提升重點在像素，因此用于自動對焦的MEMS 執行器則發展較慢。

2、MEMS 應用

在汽車領域，MEMS 產品有壓力傳感器、加速度傳感器、陀螺儀、流量傳感器、麥克風、紅外夜視傳感器等，應用范圍包括汽車動力總成、汽車底盤、駕駛安全和自動化、舒適便捷相關系統等。

圖 3 汽車領域MEMS 應用

受惠于2007 年蘋果手機和任天堂Wii 游戲機的誕生，MEMS 在消費電子領域迎來噴薄式的發展。iPhone 6S 包含加速度計、電子羅盤、陀螺儀、MEMS 麥克風、接近光傳感器、環境光傳感器、指紋傳感器、壓力傳感器等。

圖 4 消費電子領域MEMS 應用

在醫療領域，MEMS 產品有診斷流感的可攜帶式芯片實驗室裝置VereFlu、可食用電子藥物、聽力輔助MEMS、DNA 納米科技、智能生命檢測感應器、偵測血液中癌細胞醫療裝置、低功耗心室顫動偵測芯片、守護天使裝置等。

圖 5 醫療領域MEMS 應用

3、MEMS 發展歷程

上個世紀80 年代開始，隨著微電子行業的快速發展，以及航空、航天、汽車等行業對小尺寸高可靠傳感的實際需求，MEMS 微機電系統和傳感器相結合形成的MEMS 傳感器行業進入了快速發展期。通常認為，MEMS 傳感器行業在2000 年以前的最主要驅動力是汽車工業。汽車領域MEMS 傳感器主要有壓力傳感器、加速計、陀螺儀和流量傳感器，應用范圍包括汽車防抱死系統ABS、車身穩定程序ESP、電控懸掛ECS、電動手剎EPB、斜坡啟動輔助HAS、胎壓監控EPMS、引擎防抖等。

進入21 世紀后，以手機為代表的消費電子行業飛速發展，直接帶動了MEMS 傳感器行業的發展。手機內置加速計、陀螺儀、MEMS 硅麥克風、近距離傳感器、環境光傳感器、溫濕度傳感器等，主要應用范圍包括運動/墜落檢測、速度/距離計數、電源管理、GPS 增強/盲區消除、導航數據補償等。每臺智能手機的MEMS 傳感器已超過10 個。

未來，隨著物聯網技術和行業應用的發展，聯網節點會呈現爆炸式增長的局面。MEMS 傳感器，作為物聯網四層架構（感知層、傳輸層、平臺層和應用層）中感知層的核心器件之一，需求會進一步增大，應用場景涵蓋工業物聯網、車聯網、智慧醫療、智能家居等。

4、MEMS 產業鏈

MEMS 產業鏈包括設計、制造、封裝測試和應用等環節。MEMS 產業生態包含全產業鏈IDM廠商、專注MEMS 設計的Fabless 廠商、MEMS 制造廠商、ASIC 制造廠商、封裝測試廠商等。全球頭部IDM 廠商包括博世、博通、德州儀器等企業?？紤]到MEMS 行業動輒數億元的重資產投入，與IC 行業類似，MEMS 行業的很多企業采用Fabless 商業模式，投入資金專注研發，而將制造環節交由專業的Foundry 廠商。InvenSense 公司是一家頭部Fabless 廠商，2011 年美國上市。其他Fabless 廠商還有Knowles 公司、Memsic 美新半導體、敏芯微電子等。Foundry代工廠則有臺積電、中芯國際、Global Foundries 等。封裝測試環節則有Amkor、華天科技、晶方科技等。

圖 6 MEMS 的生產流程

圖 7 MEMS 產業鏈

（1）設計

MEMS 的設計綜合了材料、結構、力學、微電子學、光學等學科，并需要考慮制造工藝、封裝工藝、測試方法、低成本、智能化等實際需求，借助計算機輔助設計軟件（如有限元分析）等輔助設計，通過復雜的試驗驗證設計方案可行性，最終滿足各項嚴苛要求。MEMS 的設計不僅僅需要科學嚴謹的工程設計經驗，還需要充滿藝術想象力的工程設計能力。

（2）制造

MEMS 制造工藝主要有：

—以美國為代表的硅基微機械加工工藝。該工藝方案分為表面微機械加工工藝和體硅微機械加工工藝。

—以德國為代表的 LIGA 工藝。LIGA 工藝是利用同步輻射X 射線光刻技術，通過電鑄成型和塑鑄成型制造高深寬比的微結構方法。該工藝的設備昂貴、周期較長，與集成電路的兼容性較差。

—表面微機械加工工藝類似于CMOS 半導體工藝，主要包含擴散摻雜、鍍膜（PVD/CVD）、光刻、刻蝕（干法刻蝕/濕法刻蝕）等過程，最后使用腐蝕液取出犧牲層材料，釋放出三維空間結構。基本思路為在擴散摻雜好的襯底上沉積犧牲層，通過光刻與刻蝕工藝形成一定的圖形，然后沉積結構材料并光刻出需要的圖形，最后使用腐蝕液將犧牲層“犧牲”掉，即可實現三維的微機械結構件。該工藝與CMOS 半導體工藝具有較好的兼容性。

圖 8 表面微機械加工工藝過程

體硅微機械加工工藝流程主要包括鍍膜、光刻、刻蝕、腐蝕等工藝。該工藝通常用來制造具有一定深度的三維微機械結構，主要是通過腐蝕液對襯底進行腐蝕，腐蝕深度達幾百微米，甚至穿透硅片，從而得到三維立體結構。

圖 9 體硅微機械加工工藝過程

LIGA（LIthographie 制版術、Gavanoformung 電鑄、Abformung 塑鑄）工藝由德國卡爾斯魯厄原子核研究所研發而成，通過深層同步輻射X 射線光刻技術，能夠制造出高深寬比的三維結構，尺寸精度達亞微米級。但是該工藝技術的成本較高，生產周期較長。

圖 10 LIGA 工藝和準LIGA 工藝的流程圖

（3）封裝

MEMS 封裝技術的發展相對落后于設計技術和制造技術。MEMS 封裝不僅僅需要滿足傳統IC封裝的四大功能（機械支撐、環境保護、電連接、散熱），還需要考慮信號界面（如光、電、溫度、濕度等輸入信號）、立體結構（如非平面、腔體、懸梁、薄膜、密封等）、外殼材料（須適應產品的各類應用環境）、特殊芯片鈍化（須適應微機電系統的內部環境）、特殊可靠性要求等因素。MEMS 封裝可以分為芯片級封裝、器件級封裝和系統級封裝。

圖 11 MEMS 封裝的三個級別

芯片級封裝是對傳感單元、執行單元等進行單獨封裝，主要目標是保護核心元器件。器件

級封裝將傳感單元、執行單元和其他核心元器件進行封裝，核心難點是接口。系統級封裝則將傳感單元、執行單元、核心元器件、主要信號處理電路等統一進行封裝，能夠顯著降低產品尺寸，核心問題是接口、電磁屏蔽等關鍵問題。

圖 12 壓力傳感器的芯片級封裝（金屬殼和塑料殼）

本研究簡要介紹幾種關鍵的封裝技術：倒裝片封裝、晶圓級封裝WLP、3D 封裝和系統級封裝SIP。

倒裝片封裝是將芯片的正面朝下，直接與封裝基板進行鍵合，該工藝方案具有小尺寸、連接路徑變短等優點。從幾何結構層面來看，倒裝片封裝將芯片向下組裝，為光信號提供了直線通路，適用于光學MEMS 的封裝。

圖 13 倒裝片封裝示意圖

晶圓級封裝WLP（Wafer Level Package）是將裝片、電連接、封裝、測試等過程均在晶圓加工過程中完成，最后再劃片。劃片后的單元芯片就是已經完成封裝后的產品了。WLP 工藝生產的芯片尺寸與裸芯尺寸幾乎相等，連接路徑變短，散熱效果更佳，是非常良好的封裝工藝。

圖 14 晶圓級封裝WLP

3D 封裝是在垂直方向堆疊多個芯片的封裝技術，起源于快閃存儲器（NOR/NAND）和SDRAM的堆疊封裝，主流形式包括封裝體堆疊POP（Package on Package）和硅穿孔TSV（ThroughSilicon Via）。其中，硅穿孔TSV 技術的連接路徑長度短，具有減小信號損失、降低時間延遲、降低功耗等優點。

系統級封裝SIP（System in Package），與系統級芯片SOC（System On Chip）類似，是MEMS 封裝的發展趨勢。SIP 是將2 種以上不同功能的電子組件進行封裝，能夠提供多種功能。例如，SIP 技術能夠將MEMS、邏輯電路、存儲器、電源等集成在一個封裝系統內。系統級封裝SIP 可以認為是可拓展摩爾定律發展的重要組成內容之一。

圖 15 SIP 結構示意圖

（4）測試

MEMS 測試是MEMS 制造過程的至關重要環節，由于目前MEMS 成品率較低，缺乏標準化的測試標準，測試復雜性和測試成本均高于IC 產品。MEMS 測試包括晶圓測試和成品測試。測試內容包括電學測試和非電學測試，涉及了聲學激勵、光學激勵、磁學激勵、化學激勵、生物激勵等不同的激勵信號。

圖 16 MEMS 測試

二、行業特點：壁壘高，需求大，降本增效和推出新產品是突破點

1、產品多樣化，生產工藝非標，封測是產業價值鏈重要環節

MEMS 產品具有多樣化的特征。MEMS 的應用范圍覆蓋汽車、消費電子、醫療、航空航天、電信等多領域；感知信號包括物理信號、化學信號、生物信號等；應用環境涉及溫度、濕度、壓強、震動、酸堿性等復雜環境，因此產品紛繁多樣。即使同一類產品，也會由于采用不同的設計路徑、制造工藝、封裝工藝等，從而呈現不同的價值。目前，MEMS 市場以慣性傳感器、微流量傳感器、壓力傳感器、光學傳感器、噴墨頭、射頻、麥克風、紅外傳感器、振動傳感器等為主。2016 年，慣性傳感器和微流量傳感器占比均為24%，壓力傳感器占比13%，光學傳感器和噴墨頭占比10%。

圖 17 2016 年全球MEMS 市場中各類產品的市場規模占比

MEMS 生產工藝尚未實現標準化。MEMS 行業遵循“一類產品、一種工藝”的規律，雖然MEMS產業鏈與傳統IC 行業非常相似，但由于不同的MEMS 產品通常都需要采用不同的制造工藝和封裝工藝，因此并未實現IC 行業的高度標準化特征。事實上，正是由于MEMS 行業尚未實現標準化，導致生產線規模效應不足，影響了企業研發新產品的動力。

封測環節在MEMS 價值鏈中占有重要地位。由于MEMS 包含傳感器、執行器、ASIC 等復雜子部件，需要考慮尺寸、交互接口、機械應力、特殊環境要求等因素，無論是封裝工藝的選擇，還是封裝過程，均比傳統IC 封裝更加復雜。在后摩爾定律時代，先進封裝技術被認為是延續摩爾定律生命的關鍵，不斷提高封裝技術來促進MEMS 的集成度是核心價值的體現。MEMS 生產過程的測試難度非常大。MEMS 測試的信號通常十分微弱，如納米級的位移、nV 級的電壓，因此對測試設備提出了極高的要求。同時，由于測試信號種類的多樣性，以及尚未形成標準化的測試環節，既增加了測試復雜性，又提高了測試成本。封裝和測試的成本在生產成本的35-70%之間。以博世Bosch 的BMC050 三軸加速度計為例，MEMS 成本為0.059 美元，占總成本13%；ASIC 成本為0.224 美元，占總成本48%；封裝和測試的成本為0.165 美元，占總成本35%。一些其他研究在統計時，封測成本占比高達60~70%。

圖 18 博世Bosch 的BMC050 三軸加速度計成本分解

圖 19 其他研究成果中的封測成本占比數據

2、進入壁壘高，研發和商業化周期長

MEMS 綜合了材料、結構、力學、微電子學、光學等學科，并需要考慮制造工藝、封裝工藝、測試方法、低成本、智能化等實際需求，對企業的研發能力和學習曲線都提出了極高的要求。

在全球頭部MEMS 企業中，通常也呈現每家企業專注1-2 個子行業的現象，這與不同MEMS 的技術能力要求息息相關。MEMS 的研發和商業化周期長。加速計的研發周期長達9 年，商業化周期長達8 年，之后，耗時8 年逐步降低成本。麥克風的研發周期為6 年，商業化周期為6 年；振蕩器的研發周期為5 年，商業化周期為6 年。整體而言，MEMS 的研發和商業化周期正在逐漸縮短，一方面與MEMS制造商不斷提升的研發能力相關，另一方面也與市場對 MEMS 需求與日俱增相關。

圖 20 MEMS 的研發周期和商業化周期

3、全球市場規模穩步增長，汽車、消費電子和醫療是核心驅動力，行業龍頭地位穩定

全球MEMS 市場規模穩步增長，2017 年約130 億美元，2022 年約250 億美元，CAGR 達14%。事實上，該增速已經遠超傳統半導體行業個位數的增長。從2012 到2019 年，消費電子、汽車電子、醫療電子三大領域約占全球MEMS 市場規模的85%。

圖 21 全球MEMS 市場規模預測

圖 22 MEMS 的主要應用領域

2017 年，全球排名前五的MEMS 廠商分別是博通、博世、意法半導體、德州儀器和Qorvo，營收分別為14.11 億美元、12.75 億美元、7.57 億美元、6.72 億美元和6.26 億美元。入圍前30 強的營收門檻值是7100 萬美元。大陸企業僅有歌爾聲學（GOER TEC）和瑞聲科技（AAC）入圍30 強。比較2017 年、2016 年和2015 年的30 強，MEMS 行業的頭部企業基本穩定。其中，博通公司和Qorvo 公司近年來的MEMS 營收增幅明顯，主要得益于通信射頻RF MEMS 的需求快速增加。

圖23 2017 年全球MEMS 行業30 強和射頻模組RF MEMS 的市場預測

表 1 全球頭部MEMS 廠商的主要情況

4、MEMS 降價明顯，降本增效、推出新產品是企業提高毛利率的鑰匙

MEMS 應用于汽車、消費電子和醫療行業，下游客戶為大型OEM 廠商，并且半導體行業產品通常采用代理商銷售（代理商收集終端客戶的需求進行集中采購），因此客戶集中度十分高，導致MEMS 廠商的價格談判能力較弱。尤其是消費電子客戶，要求非標準化的MEMS 價格按照標準化的通用元器件進行銷售，進一步壓縮了MEMS 廠商的利潤空間。

圖 24 MEMS 平均價格的變化曲線

由于MEMS 的制造和封裝具有傳統IC 的特點，因此CMOS 工藝是MEMS 行業降低成本的重要途徑之一。以圖像傳感器為例，基于CMOS 工藝制造的CMOS 圖像傳感器，成本低于傳統CCD圖像傳感器，成為消費電子攝像模組的首選。中國MEMSIC 美新半導體采用標準CMOS 集成電路工藝單芯片集成MEMS 和ASIC 電路，在晶圓級結合MEMS 結構和CMOS 標準化工藝，可使用現成的設備與可兼容與CMOS 制程的制造流程，制造出尺寸小、重量輕、低成本、可批量生產的傳感器。當然，MEMS 制造的標準化工作仍需要行業不斷的努力，從而進一步降低成本。

推出新產品也是提高產品毛利率的一把鑰匙。以MEMSIC 美新半導體為例，2017 年上半年的數據顯示，消費類磁傳感器的新產品毛利率為38.2%，老產品僅10.7%；消費類加速度計新產品毛利率53.42%，老產品僅14.29%；汽車類MEMS 的新產品毛利率為23.59%，老產品僅1.37%。上述數據顯示，推出新產品能夠顯著提高產品的毛利率。

圖 25 MEMS 平均價格的變化曲線

5、我國 MEMS 產業鏈完整，能力較薄弱，但發展前景樂觀

我國基本形成了完整的MEMS 產業鏈，設計廠商有MEMSIC 半導體、硅睿科技、敏芯微電子等；代工廠商有中芯國際、華虹宏力、CSMC、ASMC、耐威科技等；封裝測試廠商有長電科技、華天科技、通富微電、晶方科技等。

圖 26 我國MEMS 產業鏈

中國擁有全球最大的汽車市場和消費電子市場，醫療行業也正蓬勃發展，但是中高端MEMS的自主化率仍較低。在2017 年全球MEMS 行業30 強中，大陸企業僅有歌爾聲學（GOER TEC，排名11 位）和瑞聲科技（AAC，排名23 位）。

我認為我國MEMS 行業的發展前景樂觀，主要原因有：

——我國正處于半導體行業發展大浪潮中，大量資本注入半導體行業，一方面推動了相關

硬件設施的迅速發展，同時吸引了高端行業人才加盟本土公司。MEMS 作為半導體行業的重要分支，能夠順勢而上。

——MEMS 行業細分繁多，贏家無法通吃全部細分行業，具有“長尾效應”。尤其是物聯網、醫療等行業能夠催生出大量的MEMS 新應用。例如，瑞聲科技成功切入了MEMS 麥克風細分市場和Haptics 市場，成為了我國MEMS 行業的標桿性企業。

——經過多年的發展，我國已經奠定了完整的MEMS 產業鏈基礎，并培養了一批具有一定技術實力的MEMS 企業。MEMS 企業的競爭力不僅體現在技術實力，也體現在渠道和生態建設能力。國內MEMS 企業揚長避短，能夠獲得發展空間。

圖 27 我國主要MEMS 企業

三、未來發展：小尺寸、集成化是技術趨勢，物聯網是應用藍海

1、 小尺寸、集成化是產品發展趨勢

摩爾定律是集成電路行業發展的“黃金規律”，小尺寸化能夠提高性能、降低功耗、降低成本。隨著微納技術的持續發展，未來微機電系統MEMS 將有可能向納米尺寸發展。以MEMS加速度計為例，2009 年其管腳尺寸為3*5mm2，2014 年管腳尺寸為1.6*1.6mm2，尺寸降幅達86%。

圖 28 MEMS 尺寸變化趨勢

集成化主要體現在封裝技術的持續提升。一方面，通過先進封裝技術將不同的MEMS 功能進行融合。例如，9 軸慣性測量單元將加速度計、陀螺儀、地磁計進行融合；環境傳感器將氣體/微利、壓力、溫度/濕度、麥克風進行融合；光學傳感器將可見光傳感、接近光傳感、三維視覺傳感、多頻譜傳感進行融合。另一方面，使用先進的封裝技術將傳感單元、執行單元、微電源、ASIC、MCU 進行集成，進一步提升MEMS 產品價值。本研究中列出的倒裝片封裝、晶圓級封裝WLP、3D 封裝、系統級封裝SIP 等封裝技術均是MEMS 實現高度集成化的重要方向。

圖 29 MEMS 尺寸變化趨勢

圖 30 MEMS 多功能融合

2、微執行器將迎來發展浪潮

MEMS 執行器在微尺度下完成需要動作，比傳統執行器的控制精度更優、能耗更低，應用場景十分廣闊。意法半導體公司開發的自動對焦執行器，比音圈電機功耗更低、速度更快；意法半導體與Debiotec 合作開發的Nanopump 胰島素輸送泵，以更加簡單易用的方式提升糖尿病患者的生活質量；MEMS Drive 公司開發了全球首款應用于智能手機光學防抖的MEMS 光學圖像防抖穩定器OIS 等。在目前的全球MEMS 市場中，增長最為迅速的是射頻模組MEMS 執行器，包括MEMS 濾波器、MEMS 諧振器、MEMS 開關等。3D 掃描、沉浸式游戲動作控制、面部識別、MEMS揚聲器、超極本投影等諸多應用場景成為MEMS 執行器的發展趨勢。

3、物聯網是 MEMS 應用的藍海

“物聯網已進入跨界融合、繼承創新和規模化發展新階段，將為經濟社會發展注入新活力，培育新動能。物聯網在交通、物流、環保、醫療、安防、電力等領域的應用逐漸得到規?；炞C，拉開了相關行業的智能化、精細化、網絡化變革大幕”。在萬物互聯的世界里，MEMS 是萬物信息的關鍵獲取節點，通過掌握MEMS 節點獲取萬物信息，對布局物聯網行業的企業至關重要。

一方面，5G、車聯網、智慧醫療、智能家居、可穿戴設備、智慧城市等物聯網領域的發展能夠拉動壓力傳感器、加速計、磁力計、陀螺儀、MEMS 麥克風、MEMS 濾波器、MEMS 開關等現有產品的需求；另一方面，受到物聯網對小尺寸、低功耗、集成化、智能化MEMS 的海量需求，MEMS 新產品將不斷踴躍，進一步賦能物聯網生態圈，形成良性循環。

圖 31 2014-2024 年全球聯網節點的數量