谈论MEMS技术原理及优势

可能大部分对MEMS还是比较陌生，但其实MEMS在生活中早已无处不在了，智能手机、手环、汽车、无人机、VR/AR头戴式设备等，都应用了MEMS器件。

既然MEMS应用这么广泛了，那么它到底是什么技术呢?稍安勿躁，听笔者慢慢道来。

1 、谈谈MEMS技术原理

MEMS是微机电系统，英文全称是MicroElectromechanicalSystem，。是指尺寸在几毫米乃至更小的传感器装置，其内部结构一般在微米甚至纳米量级，是一个独立的智能系统。简单来说，MEMS就是将传统传感器的机械部件微型化后，通过三维堆叠技术，例如三维硅穿孔TSV 等技术把器件固定在硅晶元(wafer)上，最后根据不同的应用场合采用特殊定制的封装形式，最终切割组装而成的硅基传感器。受益于普通传感器无法企及的IC 硅片加工批量化生产带来的成本优势，MEMS 同时又具备普通传感器无法具备的微型化和高集成度。

MEMS主要涉及微加工技术，机械学/固体声波理论，热流理论，电子学，生物学等等。MEMS器件的特征长度从1毫米到1微米，相比之下头发的直径大约是50微米。

MEMS传感器主要优点是体积小、重量轻、功耗低、可靠性高、灵敏度高、易于集成等，是微型传感器的主力军，正在逐渐取代传统机械传感器，在各个领域几乎都有研究，不论是消费电子产品、汽车工业、甚至航空航天、机械、化工及医药等各领域。

2 、MEMS是替代传统传感器的唯一选择

模拟量到数字化、大体积到小型化以及随之而来的高度集成化，是所有近现代化产业发展前进的永恒追求。MEMS被看作是替代传感器的唯一可能选择，也可能是未来构筑物联网感知层传感器最主要的选择之一。其有以下优势：

优势一：微型化

MEMS器件体积小，一般单个MEMS传感器的尺寸以毫米甚至微米为计量单位，重量轻、耗能低。同时微型化以后的机械部件具有惯性小、谐振频率高、响应时间短等优点。MEMS更高的表面体积比可以提高表面传感器的敏感程度。

优势二：批量生产

以单个5mm*5mm 尺寸的MEMS 传感器为例，用硅微加工工艺在一片8 英寸的硅片晶元上可同时切割出大约1000 个MEMS 芯片，批量生产可大大降低单个MEMS 的生产成本。

优势三：集成化

一般来说，单颗MEMS 往往在封装机械传感器的同时，还会集成ASIC 芯片，控制MEMS芯片以及转换模拟量为数字量输出。微传感器、微执行器和微电子器件的集成可制造出可靠性、稳定性很高的MEMS。随着 MEMS的工艺的发展，现在倾向于单个MEMS 芯片中整合更多的功能，实现更高的集成度。

优势四：多学科交叉

MEMS 涉及电子、机械、材料、制造、信息与自动控制、物理、化学和生物等多种学科，并集约了当今科学技术发展的许多尖端成果。MEMS是构筑物联网的基础物理感知层传感器的最主要选择之一。

由于物联网特别是无线传感器网络对器件的物理尺寸、功耗、成本等十分敏感，传感器的微型化对物联网产业的发展至关重要。MEMS 微机电系统结合兼容传统的半导体工艺，采用微米技术在芯片上制造微型机械，并将其与对应电路集成为一个整体的技术，它是以半导体制造技术为基础发展起来的，批量化生产能满足物联网对传感器的巨大需求量和低成本要求。

3、 MEMS产业链

MEMS没有一个固定成型的标准化的生产工艺流程，每一款 MEMS都针对下游特定的应用场合，因而有独特的设计和对应的封装形式，千差万别。

MEMS产业链类似于传统半导体产业，主要包括了四大部分：前端fabless 设计环节、ODM 代工晶圆厂生产环节、封装测试到下游最终应用的四大环节。

全球前十名MEMS 厂商主要包括博世、意法半导体、惠普、德州仪器、佳能、InvenSense、Avago 和Qorvo、楼氏电子、松下等等。其中 BOSCH因为其在汽车电子和消费电子的双重布局，牢牢占据着行业的第一的位置，其营收约占五大公司合计营收的三分之一。

大部分MEMS 行业的主要厂商是以Fabless 为主，例如楼氏、HP、佳能等。同时，平行的也有IDM 厂商垂直参与到整条产业链的各个环节，比如Bosch、ST等都建有自己的晶元代工生产线。

4 、工业物联网带动MEMS发展

如今，业界正定义出一个利用MEMS技术的新型态工业物联网领域。

“我认为在未来十年，MEMS消费应用的出货量和收入仍将持续大幅超过工业物联网MEMS市场，”IHS总监暨MEMS感测器资深首席分析师JeremieBouchaud表示，“IHS预期在2018年时，全球MEMS消费与行动应用将达到57亿美元，比由工业物联网MEMS市场产生的3.34亿美元收入更高得多。”

预计在2018年时，以工业物联网推动的MEMS工业应用将带来3.34亿美元的市场规模。

在工业应用中，建筑物自动化将是最主要的收入来源，其次依序是资产追踪、智慧电网(包括智慧电表)、智慧城市、智慧工厂、地震监测、无人机以及机器人等。资料中心处理在从IoT装置而来的大量资讯时，也将带动对于光纤MEMS的需求，包括从OXC到WSS到MEMS晶圆探棒等。

5、 中国MEMS产业的布局

国内MEMS 行业的fabless 规模相对较小，但市场规模来说具备很大的发展空间。面对国内巨大的消费电子市场，自产自销满足国内部分中低端市场需求，也是国内Fabless 司的一个捷径。中国MEMS 设计企业主要集中于华东地区，约占全国企业总数的55%，其中，以上海、苏州、无锡三地为产业集中地。

从市场来看，中国拥有全球规模最大的集成电路市场，加之物联网的催化，国内市场对加速度计、高精度压力传感器、硅麦克风、陀螺仪、射频仪器、气体传感器、电子罗盘等MEMS器件的需求日益迫切。

MEMS产业链复杂，涉及的厂商众多，设计、制造、封装测试厂商都在积极布局MEMS，目前我国已逐渐形成完整MEMS的产业链。