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06-18
近年来，MEMS技术以其惊人的创新潜力成为科技领域一颗耀眼的新星。
MEMS的全称是Micro Electromechanical System，即微机电系统。
MEMS产品由硅片上具有不同功能的微传感器、微执行器、微结构、信号处理和控制电路以及通信/接口单元制成。
它们是微型机器。
结合了加工技术和半导体技术的产品。
简单地说，MEMS是一种结合了机械和电子技术的微型器件。
由于MEMS具有小型化、低功耗、集成化、智能化等特点，广泛应用于消费电子、汽车、工业控制、医疗等领域来感知运动、声音、温度、压力等，MEMS器件几乎所有市场的采用率都在不断增长。
MEMS是传感器乃至整个半导体行业的重要技术分支。
目前正处于第三次工业浪潮爆发期，且仍方兴未艾。
未来，随着物联网、人工智能、自动驾驶等新兴技术的成熟，MEMS新产品、新功能、新应用将不断涌现，从而带动MEMS产业持续增长。
根据Yole Group最近发布的MEMS年报，MEMS市场将以5%的复合年增长率增长，从每年1亿美元增长到每年1亿美元。
在此增长过程中，消费市场仍然是MEMS市场中最大的部分。
在这一领域，新兴的可穿戴应用将抵消近期智能手机需求的下降，复合年增长率为 4%，从 76 亿美元增长到 94 亿美元；汽车行业受益于自动驾驶功能带来的车内使用量的增加而持续增长，并将保持其第二大市场的地位。
在自动驾驶和 ADAS 功能集成的推动下，MEMS 渗透率持续增长，有助于缓冲整个汽车市场的平稳或缓慢增长。
GNSS定位需要使用MEMS惯性传感器，激光雷达需要使用MEMS微镜，实现车内舒适性则需要使用MEMS环境传感器。
这些需求将帮助市场达到7%的复合年增长率，到2020年市场规模将增至41亿美元；而工业和医疗市场在预测期内的复合年增长率将至少为 5%。
工业市场由工业自动化和工业 4.0 的实施推动。
工厂机器人或 AGV 中使用的惯性传感器、振荡器和压力传感器将是该市场的关键。
诊断和监测设备的持续小型化以及可穿戴设备的推出将增加医疗领域对MEMS元件的需求。
在预测期内，电信市场预计将呈现28%的最高复合年增长率，其中光学MEMS和用于交换机的MEMS振荡器在满足指数级增长的数据需求方面发挥着越来越重要的作用。
此外，人工智能、物联网、智慧城市等应用领域智能化趋势明显。
随着信息时代新兴领域的兴起，MEMS传感器的应用范围将不断扩大，发展潜力巨大。
随着全球对传感器化和数据驱动应用的需求持续增长，Yole 回顾过去 20 年，MEMS 行业展现出持续的创新，甚至开辟了新的产品前景。
多年来，各种市场驱动因素、接连发生的危机和生态系统变化塑造了当今价值超过 1 亿美元的 MEMS 行业。
MEMS产业回顾 2009年，著名物理学家理查德·费曼发表了题为《There’s Plenty of Room at the Bottom》的著名演讲，首次提出了微机械的概念。
2006年，加州大学伯克利分校的科学家利用集成电路（IC）技术，制造出了直径仅为μm左右的硅微静电微电机，相当于人类头发丝的粗细。
这被认为是MEMS时代的标志。
此后，MEMS技术进入快速发展时代，各种MEMS产品层出不穷，应用于各个前沿技术领域。
MEMS传感器的第一波商业化浪潮始于20世纪80年代和90年代，当时MEMS压力和惯性传感器开始应用于汽车。
随着更先进的安全功能开始融入车辆，例如安全气囊中使用的加速计、ESP 系统中的陀螺仪，以及早期采用用于轮胎压力监测的压力传感器（MEMS 首次采用），汽车成为 2011 年的主要推动力。
首批汽车应用之一。
如今，受益于汽车行业的安全法规和信息化、智能化浪潮，MEMS传感器在汽车领域发展迅速。
据相关研究数据显示，目前每辆汽车平均包含10-30个MEMS传感器，高端汽车约使用30个甚至数百个MEMS传感器。
第二波浪潮源于个人电脑的兴起。
MEMS技术广泛应用于投影仪和喷墨打印头。
惠普的 MEMS 喷墨打印头和德州仪器 (TI) 的 DLP 投影应用此时创造了巨大的需求。
在销量和销量方面逐渐超越汽车行业，德州仪器 (TI) 加入惠普 (HP) 的行列，成为早期市场领导者。
后来，智能手机的普及进一步推动了这一浪潮的快速发展。
2006 年 iPhone 的推出以及随后智能手机的广泛采用导致消费领域对 MEMS 的需求激增。
自动屏幕旋转创造了对加速计的早期需求，而导航辅助、计步和游戏等更高级功能的引入进一步推动了这种需求。
智能手机对惯性传感器的需求。
MEMS麦克风也开始应用于智能手机，并最终成为业界出货量最大的MEMS器件之一。
据Yole Development统计，单部智能手机的MEMS传感器总数将从2018年的12个增加到2018年的20个。
主要包括加速度计、陀螺仪、压力传感器、MEMS麦克风和射频器件等传感器。
随着智能手机的技术创新以及手机厂商差异化竞争的趋势，传感器的数量将持续增长。
目前，随着AIoT的发展，MEMS正迎来第三次发展浪潮。
万物互联时代的核心是传感、互联和计算。
MEMS传感器产品也广泛应用于随着AIoT的落地而兴起的可穿戴设备、智能家居等新兴应用领域。
近年来，智能手表、TWS耳机、VR/AR等可穿戴设备的日益普及也推动了MEMS产业的发展。
第二波消费浪潮以及随后对惯性 MEMS 传感器的需求激增，使意法半导体和博世从 TI 和 HP 等早期进入者手中夺取了市场领导地位。
综上所述，MEMS行业的发展历史大致可以分为三个阶段：2019年汽车电子浪潮点燃了MEMS传感器的需求； 2017年的消费电子浪潮推动了MEMS传感器多品类、多功能集成化的发展趋势。
；2017年以来的物联网和人工智能浪潮，带动MEMS传感器单体产品快速发展以及软硬件协同发展。
Yole Intelligence 技术和市场分析师 Pierre Delbos 表示：“随着可穿戴技术的成熟和更多终端产品进入市场，新的可穿戴设备功能可以减轻智能手机购买量下降的影响。
尤其是在中国市场。
“例如，无线耳机、智能手表、AR/VR耳机等产品具有导航辅助、高度测量、空间音频甚至睡眠监测等新功能，OEM厂商正在集成更多MEMS组件。
性能的进一步提升和增强IDC数据显示，物联网连接总数预计将在今年达到7000万，物联网的需求将推动MEMS市场持续增长所产生的增量。
物联网价值1亿元，约占整个市场的10%，预计每年将增长至20%。
在上述过程中，中国乃至全球MEMS产业几十年来经历了日新月异的变化，新老企业兴衰，MEMS霸主数次易主，行业并购无数。
来源：Yole Intelligence《Status of the MEMS Industry 》 从目前全球MEMS企业Top 30榜单来看，博世依然是全球最大的MEMS企业，并且同比强劲增长12%。
博通仍排名第二，但增长乏力，而高通则受益。
由于5G通信中MEMS射频滤波器的需求，实现了21%的快速增长，成功进入全球前三。
意法半导体由于MEMS传感器在汽车市场的增长而进入前四名。
中国企业方面，歌尔微电子依然是全球MEMS行业排名最高的中国企业，今年排名第9位。
主要是消费电子产品需求低迷，导致出货量下降。
同样是全球MEMS麦克风巨头的楼氏电子(Knowles Electronics)也出现了销售下滑。
关闭局势。
中国MEMS企业共有6家进入全球Top 30。
除歌尔微电子外，还有瑞声科技（排名第23位）、Silex微电子全资子公司Silex Microsystems（排名第26位）、台积电（排名第27位） ）、海南微电子股份有限公司康威视（排名第29位）、瑞创微纳（排名第30位）。
可以看到，海康威视和瑞创微纳这两家国内MEMS企业出现在这份榜单上。
MEMS技术未来的发展趋势是什么？ MEMS技术在目标市场已经相对成熟。
但随着创新的发生，OEM希望继续优化成本、尺寸和性能，这将进一步推动MEMS市场和技术需求。
为了保持竞争力，MEMS行业始终追求创新。
业内人士应该明白，MEMS本质上是具有创新能力的，这首先要从它最创新的设计、创新的结构、创新的封装技术开始。
例如，博世首次在专用集成电路ASIC中引入硅通孔（TSV），并在3轴加速器上采用晶圆级芯片级封装技术后，博世MEMS产品与竞争对手ST和mCube进行了比较。
封装尺寸缩小至55%。
这项技术突破帮助他们缩小了硅芯片的尺寸，从而降低了产品成本。
这种创新竞争永无休止。
随后，mCube凭借创新的MC系列加速器解决方案再次超越博世，重新夺回领先地位。
如今，MEMS领域的创新不断，不仅来自于新技术，还来自于成熟MEMS技术的新应用。
先进封装：小型化和集成化趋势作为技术趋势，MEMS传感器和执行器不断致力于缩小尺寸、降低成本和提高性能，并转向以异构功能集成为关键的系统化。
首先，小型化是不可逆转的，MEMS正在向NEMS（纳米机电系统）发展。
与MEMS类似，NEMS是专注于纳米尺度领域的微纳系统技术，但尺寸更小。
随着终端设备的小型化、多样化，MEMS向更小尺寸演进是大势所趋。
此外，整个MEMS供应链正在走向混合能力，从前端制造到封装、模块和系统集成。
随着MEMS加工技术的进步以及CMOS技术与MEMS技术的融合，MEMS传感器可以在更小面积的芯片上集成更强大的计算和存储能力，更好地满足人们低成本、小体积、高性能的要求。
系统应用程序。
综合性能要求。
多传感器融合：现代传感器作为电子产品的“感知中心”，通过添加微控制单元和相应的信号处理算法，还可以承担自动调零、校准和标定等功能，实现终端设备的智能化。
与此同时，传感器市场也呈现出多种功能的高度集成和组合。
随着设计空间、成本和功耗预算变得越来越紧张，在同一基板上集成多个敏感元件以创建可检测多个参数的多功能组合MEMS传感器已成为重要的解决方案。
多传感器融合技术有助于增加可用数据量，显着提高系统的冗余性和容错性，从而保证决策的速度和准确性。
随着设备智能化程度的提高，单个设备上安装的传感器数量不断增加。
多个传感器的融合和协作提高了信号识别和采集效果。
综合来看，先进的封装技术，如可以将多个芯片封装在一起的多芯片模块，特别是3D堆叠封装技术，代表了MEMS产品向小型化和高集成度方向不断发展的趋势，表明它们可以用于集成更多的元件在有限的体积内实现更复杂、更强大的功能。
随着MEMS传感器技术的发展，传感器的尺寸将不断缩小，这将有利于更多的应用领域，如消费电子、汽车工业等领域，并且将更容易集成到不同类型的产品中。
基于此，业界涌现出许多新技术： 密封双模技术 目前，耳戴式设备和以音频为中心的可穿戴设备对音质和电池寿命抱有很高的期望。
因此，工程师必须利用先进的 MEMS 技术和创新的电路设计来跟上步伐。
例如，英飞凌在 Apple Airpods Pro 的 MEMS 麦克风中采用了密封双膜技术，最大限度地发挥了其专有的 MEMS 技术和巧妙的 ASIC 设计。
这种设计可以将功耗降低两倍，并在微型麦克风设备中结合高音频质量和低噪声，还实现了超高SNR（信噪比）、极低失真，并防止水和灰尘滞留膜和背板之间，从而实现几乎无噪声的音频信号捕获。
据悉，英飞凌MEMS麦克风从最早的单背板技术、双背板设计发展到现在的密封双膜结构，历时近20年。
单背板结构为带有隔膜的背板。
当振膜受到声压影响时，会在背板上方振动，利用振膜与背板之间距离的变化来传输电容信号的变化。
，这就是MEMS麦克风将空气振动的机械能转化为电能的基本传感原理。
单背板架构如下图所示： 由于单背板MEMS麦克风输出单端信号，为了增强MEMS麦克风的抗干扰能力，降低背景噪声，改善信号- MEMS麦克风信噪比方面，英飞凌采用双背板技术成功量产差分输出MEMS麦克风产品，将MEMS麦克风信噪比提升至69dB。
为了在消费电子产品中实现录音室级的音频用户体验，同时进一步提高MEMS麦克风产品的可靠性，增强抗污染和防水能力，英飞凌于2018年成功量产密封双振膜技术的新品，进一步提高信噪比，同时单独MEMS麦克风即可具备IP57级防尘防水能力。
凭借密封双膜技术带来的高性能和低功耗优势，此类MEMS产品适用于TWS、耳机和听力增强产品，也可用于其他空间关键型应用，例如可穿戴设备、智能手机和物联网设备等激光重密封工艺例如，从2004年到2017年，博世在苹果iPhone中的压力传感器从LGA封装改为O形圈防水封装，使苹果提高了其耐用性。
在此期间，博世将MEMS芯片的尺寸缩小了一半以上，从0.8mm2缩小到0.35mm2，顺应了行业小型化的格局。
博世还推出了新的制造技术，采用新的激光重新密封工艺，可显着减少压力变化，从而最大限度地发挥 iPhone 14 Pro 内部惯性传感器的性能。
尽管该工艺比以前的工艺贵三倍，但它允许将MEMS陀螺仪和加速度计集成在同一芯片上，从而使传感器进一步小型化并更好地控制腔内的真空水平。
MEMS器件真空封装结构MEMS器件真空封装的制造工艺主要包括衬底加工、薄膜沉积、真空室形成和密封结构制备等步骤。
这种结构是为了保护其微结构免受外部环境影响，如温度、湿度、气体等，可以有效降低器件的空气阻力，提高其灵敏度和性能稳定性。
MEMS器件真空封装结构及其制造工艺对于保证器件的性能和稳定性至关重要。
通过基板加工、薄膜沉积、真空室形成、密封结构制备等精确的工艺步骤，可以实现高质量的真空包装。
然而，随着MEMS器件的尺寸和复杂性不断增加，其真空封装制造工艺也面临着诸多挑战。
未来，随着封装技术的不断创新和优化，MEMS器件真空封装的性能和可靠性有望进一步提高。
综上所述，随着MEMS技术的不断发展，对封装技术的要求也将不断提高。
未来的包装技术需要在降低成本、提高生产效率、减少包装体积等方面取得更多突破。
例如，通过集成多种功能封装技术，可以减少设备之间的连接并提高整体性能。
此外，新材料的开发和应用也将为MEMS器件的真空封装带来更多可能性。
在实际应用中，为了满足不同MEMS器件的需求，封装技术应具有一定的灵活性和可定制性。
为了实现这一目标，未来的研究应侧重于多种封装技术的集成和创新，例如微观和宏观封装技术的结合，传统和新兴封装技术的结合。
总之，MEMS器件真空封装结构及其制造工艺对于保证器件性能和稳定性起着至关重要的作用。
未来的研发将继续专注于提高封装技术的性能、可靠性和生产效率，以满足MEMS器件不断变化的需求。
通过不断创新和优化，有望为各行业提供更加高效、稳定、可靠的MEMS器件解决方案。
MEMS 晶圆：转向 12 英寸 另一个值得注意的趋势是 MEMS 制造从 6 英寸和 8 英寸转向 12 英寸。
虽然这需要 MEMS 供应商进行大量投资，但它可以更好地与 12 英寸 CMOS 晶圆集成，并支持最佳的设备性能。
目前全球毫无疑问的MEMS传感器*，博世正在德国东部城市德累斯顿推进12英寸MEMS晶圆生产线的建设。
该项目已投资10亿欧元。
国内MEMS产业也在大踏步前进。
去年1月，赛微电子宣布将在合肥高新区建设12英寸MEMS生产线。
预计总投资51亿元，建成后月产能2万件。
此外，今年12月，士兰微12英寸生产线在厦门海沧正式投产。
该项目总投资1亿元，拟建设两条12英寸生产线，主要产品为功率半导体芯片和MEMS传感器芯片。
英寸特定工艺功率半导体芯片生产线。
此外，中国大陆最大的MEMS代工厂中芯国际今年5月底宣布，将在绍兴滨海新区投资建设中芯国际绍兴三期12英寸特种工艺晶圆制造中试线项目。
此前，拟使用募集资金的项目包括“MEMS及功率器件芯片制造及封装测试生存基地技术改造项目”、“二期晶圆制造项目”和“补充流动资金”。
经过后续调整，新增“中芯国际绍兴三期12英寸特种工艺晶圆制造中试线项目”。
去年12月，广州增芯一期12英寸先进智能传感器及特种工艺晶圆制造线项目正式开工建设。
增芯是12英寸先进智能传感器及特种工艺晶圆制造线，属于MEMS制造线项目。
计划上半年投产，年底实现全面投产。
建设12英寸晶圆量产线，月产能2万片。
显而易见，全球MEMS晶圆产能正在向12英寸转型，中国半导体也在朝这个方向努力。
12 英寸 MEMS 制造正日益成为现实，除了其带来的额外产能之外，12 英寸制造的其他关键优势还体现在小型化以及整体器件可用性和质量方面。
此外，MEMS 传感器制造商正试图通过向 MEMS 传感器添加软件、处理和计算能力来赋予其附加功能，从而摆脱商品化周期并提升价值链。
将 MEMS 传感器与边缘或云端的 AI/ML/DL 相结合的应用正在开辟道路。
机遇背后，MEMS挑战依然存在。
近年来，随着MEMS技术的不断进步和应用领域的不断拓展，全球MEMS产业持续呈现良好的发展态势。
尽管MEMS技术已经取得了重大进展，但仍然存在一些需要克服的挑战。
首先，MEMS技术的制造工艺要求非常高，包括纳米级的加工和控制，这增加了生产成本和制造难度。
为了推动MEMS技术的发展，需要不断改进制造工艺，提高生产效率和可扩展性。
其次，MEMS器件的可靠性和稳定性也是需要关注的问题。
由于MEMS器件尺寸微小、结构复杂，容易受到环境因素和振动的影响，导致性能不稳定或寿命缩短。
因此，有必要加强MEMS器件的可靠性测试和可持续设计，以确保其能够在各种应用环境下稳定工作。
此外，MEMS技术还需要与其他技术领域深度结合，以实现更广泛的应用。
例如，结合人工智能、大数据和云计算等技术，可以实现MEMS传感器数据的智能分析和应用。
通过数据挖掘和机器学习算法，可以提取有价值的信息并支持各个领域的决策。
MEMS在封装方面也面临挑战。
目前的MEMS封装技术大多是从集成电路封装技术发展演变而来。
但由于其应用环境的复杂性，与集成电路封装相比具有很大的特殊性。
，不能简单地直接封装集成电路来封装MEMS器件。
与IC封装类似，MEMS封装在机械支撑、环境保护和电气连接三个方面有所不同。
此外，在实际的MEMS封装中，还必须考虑以下因素：首先，封装给传感器带来的应力要尽可能小，材料的热膨胀系数（CTE）必须相近。
达到或略高于硅。
大，由于材料不匹配，容易引起界面应力，造成芯片裂纹或分层。
对于应力传感器来说，设计时必须考虑封装引起的应力对器件性能的影响。
其次，对于一般的MEMS结构和电路封装，必须充分重视散热。
器件在高温下发生故障的可能性会大大增加。
，而对于热流量计和红外传感器，适当的热隔离将提高传感器的灵敏度。
总之，MEMS技术以其独特的特点和广阔的应用前景，已成为科技领域的一股强大力量。
作为“超越摩尔”的重要方向和突破口，在人工智能、物联网等热门应用趋势的催化下，MEMS产业迎来了巨大的战略机遇期。
尽管面临一些挑战，但通过不断的研发和创新，相信MEMS技术将不断达到更高的高度。
正如行业专家林学平在文章中所说：“MEMS传感器仍然是一种预言，万物皆有眼，破坏未来。
MEMS厂商的一举一动就像一本关于未来产品的参考书，预示着各种可能的智能化路径。
”《未来，改变当今MEMS格局的市场在哪里？参考内容MEMS行业：过去20年的创新与成长回顾，YOLE MEMS：未来可期，润泽基金【技术前沿】探索MEMS技术：创新引领潮流，中国十年成功，MEMS霸主地位易主！林学平的“技术创新+质量管理”成就了英飞凌MEMS领先地位：MEMS器件真空封装结构与制造工艺探索。
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