MEMS传感器的基本特点与技术门槛

MEMS 技术于 1980 年代发明,是一种利用硅基半导体制造工艺制造微型机械电子系统的技术,最早在汽车和军工领域有部分应用,主要产品包括 MEMS 传感器和 MEMS 执行器。

什么是MEMS技术?

MEMS 技术于 1980 年代发明,是一种利用硅基半导体制造工艺制造微型机械电子系统的技术,最早在汽车和军工领域有部分应用,主要产品包括 MEMS 传感器和 MEMS 执行器。使用MEMS 工艺制造的器件具有小型化、可智能化的特点,契合物联网中边缘端设备采集不同维度、海量数据过程中对低功耗、一致性高的需求。但在 4G 网络诞生以前,由于通信网络数据传输和承载能力有限,MEMS 传感器的市场需求亦非常有限,正如胎儿时期的人类由于神经网络尚未发育,相应的感官器官的发展也会受到限制。

纵观 MEMS 行业的发展历史,汽车产业、医疗及健康监护产业、通信产业以及手机和游戏机等个人电子消费品产业相继促进了 MEMS 产业的快速发展。尤其是 2007 年以来,随着以智能手机为代表的消费电子产品的快速普及和发展,MEMS 商业化的进展明显加快。从而伴随着 4G网络和智能手机的诞生,MEMS 器件在过去十余年时间里有了非常显著的发展,根据 IHS 的报告,至 2019 年整个 MEMS 器件市场的容量为 165 亿美元,而中国信通院的报告显示,下游智能传感器市场的全球市场总量达到 378.5 亿美元。

但整个 MEMS 器件及下游的智能传感器市场仍然处于发展的初期,主要原因在于:

一、随着 5G 网络及之后通信网络数据传输速度和承载能力的进一步提高,边缘端设备感知能力的市场需求才能进一步有效产生,而 MEMS 器件的低功耗、一致性高以及微小型化极大地契合了这一需求,更多新兴的 MEMS 器件需求以及现有 MEMS 器件的全新应用场景将在未来 10 年内持续产生;

二、传感器是物联网的核心数据入口,物联网的发展带动智能终端设备普及,推动MEMS 需求量增长。据全球移动通信系统协会 GSMA 统计和预测,2019 年全球物联网设备数量为 120 亿台,预计到 2025 年将增长至 246 亿台,2019 年到 2026 年将保持 12.7%的复合增长率;

三、全球主要工业国家的人口出生率近年来均出现了不同程度的下降,用工成本和供需矛盾将进一步凸显,旨在减少用工人员的工业制造智能化的需求涌现,越来越多的制造业工厂正在经历智能化改造,而 MEMS 传感器在智能化制造过程中的应用属于刚需,需求将不断提升。

国内掌握核心技术的 MEMS 企业在未来 10 年将面临前所未有的发展机遇。首先,中国是消费电子、汽车、工业制造的主要集中地,这就意味着中国 MEMS 芯片企业可以与下游市场建立更为紧密的联系。而国外的 MEMS 芯片提供商多为英飞凌、意法半导体、德州仪器、ADI 等大型模拟芯片厂商以及博世、霍尼韦尔等脱胎于汽车和工业制造供应商的模组厂商,企业体系内原有利益格局较为稳定,相比国内专业的 MEMS 芯片企业,其在紧贴下游的服务意识和服务半径方面均存在一定劣势,对新市场新需求的响应也会相对落后,国内厂商相比而言更能把握住下游市场新的颠覆性需求;国外模拟类芯片大厂多采用 IDM 模式,并因此得以在行业发展初期占据优势地位,而国内 MEMS 芯片企业在发展初期普遍受限于资金,多采用 Fabless 的模式。因此这也是国内 MEMS 产品的产业化进程周期较长的一个关键原因,同时也是目前国际 MEMS 芯片厂商仍然处于领先地位的重要因素。而国内 MEMS 芯片领先企业在制造端的投入将缩短新产品的产业化进程,大大提高其在整个 MEMS 行业中的竞争力。

MEMS 传感器芯片的基本特点

与大规模集成电路产品均采用标准的 CMOS 生产工艺不同,MEMS 传感器芯片本质上是在硅片上制造极微小化机械系统和集成电路的集合体,需要综合运用多学科、多行业的知识与技术、生产加工工艺具有明显的非标准化和高度的定制化以及对产品供应链体系的支撑有着非常高的要求等特点。MEMS 芯片具有非常强的工艺特征,三维制造工艺与集成电路的二维制造工艺相差甚大,这也是国家十四五规划中明确将 MEMS 特殊工艺的突破纳入其中的重要原因。

主要技术门槛是什么

(1)跨行业知识与技术的综合运用

MEMS 是一门交叉学科,MEMS 产品的研发与设计需要机械、电子、材料、半导体等跨学科知识以及机械制造、半导体制造等跨行业技术的积累和整合。MEMS 行业的研发设计人员需要具备上述专业知识技术的深入储备和对上下游行业的深入理解,才能设计出既满足客户需求,又适合供应商实际加工能力的 MEMS 产品,因此对研发人员的专业知识和行业经验都提出了较高的要求。

(2)各生产环节均存在技术壁垒

与大规模集成电路行业相比,MEMS 产品的研发步骤更加复杂,除了完成 MEMS 传感器芯片的设计外,还需要开发出适合公司芯片设计路线的 MEMS 晶圆制造工艺。在晶圆制造厂商缺乏成熟的 MEMS 工艺模块的情况下,公司需要参与开发适合晶圆制造厂商的制造工艺模块,即使在晶圆制造厂商已经具备成熟制造工艺模块的情况下,公司也需要根据公司的芯片设计路线确定每款芯片的具体工艺流程。由于 MEMS 传感器需要与外界环境进行接触,感知外部信号的变化,所以需要对成品的封装结构和封装工艺进行研发与设计,以降低产品失效的可能性。由于MEMS 传感器承担了对外部信号的获取和转换等功能,下游应用场景多样,产品内部的极微小型机械系统对外界应用环境相对敏感,因此公司还需要负责 MEMS 专业测试设备系统和测试技术的开发,以满足 MEMS 传感器产品性能和质量测试的需求。因此,MEMS 传感器行业在芯片设计、晶圆制造、封装和测试环节都具有壁垒。

(3)技术工艺非标准化

MEMS 传感器具有一种产品一种加工工艺的特点。MEMS 传感器产品种类多样,各种产品的功能和应用领域也不尽相同,使得各种 MEMS 传感器的生产工艺和封装工艺均需要根据产品设计进行调试,晶圆和成品的测试过程也采取非标准工艺,因此 MEMS 传感器产品不存在通用化的技术工艺,需要从基础研发开始对产品设计、生产工艺、设备开发和材料选取等各生产要素经历长时间的研发和投入,并在大量出货的过程中不断对上述生产要素进行完善和优化。

MEMS传感器的发展现状

MEMS 传感器目前已经广泛运用于消费电子、汽车、工业、医疗、通信等各个领域,随着人工智能和物联网技术的发展,MEMS 传感器的应用场景将更加多元。MEMS 传感器是人工智能重要的底层硬件之一,传感器收集的数据越丰富和精准,人工智能的功能才会越完善。

物联网生态系统的核心是传感、连接和计算,随着联网节点的不断增长,对智能传感器数量和智能化程度的要求也不断提升。未来,智能家居、工业互联网、车联网、智能城市等新产业领域都将为MEMS 传感器行业带来更广阔的市场空间。因其得天独厚的优势,MEMS 传感器应用绝不仅局限于可穿戴设备,未来医疗、人工智能以及汽车电子等领域的传输底层架构均要依赖 MEMS 传感器来布局。

从目前全球的发展趋势来看,汽车工业和消费类电子的市场已经发展的足够发达,成为了MEMS 传感器的发展基础。未来,医疗、人工智能、物联网、智慧城市等应用领域智能现代化趋势明显,MEMS 传感器的发展潜力很大。

未来的技术发展趋势:

(1)MEMS 和传感器呈现多项功能高度集成化和组合化的趋势。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。

(2)传感器智能化及边缘计算。软件正成为 MEMS 传感器的重要组成部分,随着多种传感器进一步集成,越来越多的数据需要处理,软件使得多种数据融合成为可能。MEMS 产品发展必将从系统应用的定义开始,开发具有软件融合功能的智能传感器,促进人工智能在传感器领域更广阔的应用。

(3)传感器低功耗及自供能需求日趋增加。随着物联网等应用对传感需求的快速增长,传感器使用数量急剧增加,能耗也将随之翻倍。降低传感器功耗,采用环境能量收集实现自供能,增强续航能力的需求将会伴随传感器发展的始终,且日趋强烈。

(4)MEMS 向 NEMS 演进。随着终端设备小型化、种类多样化,推动微电子加工技术特别是纳米加工技术的快速发展,智能传感器向更小尺寸演进是大势所趋。与 MEMS 类似,NEMS(纳机电系统)是专注纳米尺度领域的微纳系统技术,只不过尺寸更小。

(5)新敏感材料的兴起。薄膜型压电材料具有更好的工艺一致性、更高的可靠性、更高的良率、更小的面积,可用于 MEMS 执行器、扬声器、触觉和触摸界面等。未来 MEMS 器件的驱动模式预计将从传统的静电梳齿驱动转向压电驱动。

(6)更大的晶圆尺寸。相比于目前业界普遍 应用的 6 英寸、8 英寸晶圆制造工艺,更大的晶圆尺寸能够很大程度上降低成本、提高产量,并且晶圆尺寸的扩大与芯片特征尺寸的缩小是相应促进和互相推动的。例如,用 12 英寸晶圆工艺线制造的 MEMS 产品已经出现。

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集成电路设计行业资深记者,传感器专家网专栏编辑。

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