MEMS器件工作原理及市場(chǎng)現(xiàn)狀

在集成電路行業(yè)不斷發(fā)展的背景下，傳統(tǒng)的集成電路無法持續(xù)地滿足終端領(lǐng)域日益變化的需求，因此，微電子學(xué)、微機(jī)械學(xué)以及其他基礎(chǔ)自然科學(xué)學(xué)科的相互融合之下，誕生了以集成電路工藝為基礎(chǔ)，結(jié)合體微加工等技術(shù)打造的新型芯片，這就是MEMS。

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MEMS器件一覽

MEMS器件介紹

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工作原理

集成電路的設(shè)計(jì)是為了利用硅的電學(xué)特性，而MEMS則利用硅的機(jī)械特性，或者說利用硅的電學(xué)和機(jī)械特性。MEMS傳感器就是把一顆MEMS芯片和一顆專用集成電路芯片（ASIC芯片）封裝在一塊后形成的器件。一顆MEMS麥克風(fēng)的主要器件是一顆MEMS芯片和一顆ASIC芯片，與基板、外殼等封裝一起，就做成了一顆MEMS傳感器。這也是大部分MEMS傳感器的基礎(chǔ)構(gòu)造。MEMS芯片來將聲音轉(zhuǎn)化為電容、電阻等信號(hào)變化，ASIC芯片將電容、電阻等信號(hào)變化轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，由此實(shí)現(xiàn)MEMS傳感器的功能——外界信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。

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MEMS器件類型

常見的MEMS器件產(chǎn)品包括MEMS加速度計(jì)、MEMS麥克風(fēng)、微馬達(dá)、微泵、微振子、MEMS光學(xué)傳感器、MEMS壓力傳感器、MEMS陀螺儀、MEMS濕度傳感器、MEMS氣體傳感器等等以及它們的集成產(chǎn)品。MEMS產(chǎn)品主要可以分為MEMS傳感器和MEMS執(zhí)行器。其中傳感器是用于探測(cè)和檢測(cè)物理、化學(xué)、生物等現(xiàn)象和信號(hào)的器件，而執(zhí)行器是用于實(shí)現(xiàn)機(jī)械運(yùn)動(dòng)、力和扭矩等行為的器件。MEMS產(chǎn)品目前以傳感器為主，MEMS執(zhí)行器領(lǐng)域僅射頻MEMS和噴墨打印頭市場(chǎng)規(guī)模相對(duì)較大。MEMS傳感器作為信息獲取和交互的關(guān)鍵器件，目前已在消費(fèi)電子、汽車、醫(yī)療、工業(yè)、通信、國防和航空等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。

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應(yīng)用領(lǐng)域

MEMS器件的發(fā)展開辟了一個(gè)全新的技術(shù)領(lǐng)域和產(chǎn)業(yè)，采用MEMS技術(shù)制作的微傳感器、微執(zhí)行器、微型構(gòu)件、微機(jī)械光學(xué)器件、真空微電子器件、電力電子器件等在航空、航天、汽車、生物醫(yī)學(xué)、環(huán)境監(jiān)控、軍事以及幾乎人們所接觸到的所有領(lǐng)域中都有著十分廣闊的應(yīng)用前景。MEMS是隨著半導(dǎo)體集成電路微細(xì)加工技術(shù)和超精密機(jī)械加工技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展起來的，目前MEMS加工技術(shù)還被廣泛應(yīng)用于微流控芯片與合成生物學(xué)等領(lǐng)域，從而進(jìn)行生物化學(xué)等實(shí)驗(yàn)室技術(shù)流程的芯片集成化。

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差距原因

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廠商差距顯著

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技術(shù)瓶頸

設(shè)計(jì)MEMS器件的封裝往往比設(shè)計(jì)普通集成電路的封裝更加復(fù)雜，這是因?yàn)?a target="_blank">工程師常常要遵循一些額外的設(shè)計(jì)約束，以及滿足工作在嚴(yán)酷環(huán)境條件下的需求。器件應(yīng)該能夠在這樣的嚴(yán)苛環(huán)境下與被測(cè)量的介質(zhì)非常明顯地區(qū)別開來。這些介質(zhì)可能是像干燥空氣一樣溫和，或者像血液、散熱器輻射等一樣嚴(yán)苛。其他的介質(zhì)還包括進(jìn)行測(cè)量時(shí)的環(huán)境，例如，沖擊、震動(dòng)、溫度變化、潮濕和EMI/RFI等?！?/p>

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人才積累

MEMS壓力和慣性傳感器都具有多品種、小批量的特點(diǎn)，技術(shù)經(jīng)驗(yàn)和專業(yè)人才的積累是領(lǐng)先國內(nèi)公司核心競(jìng)爭(zhēng)力。目前國內(nèi)缺乏從事MEMS壓力傳感器研發(fā)與量產(chǎn)的大型企業(yè)，全球MEMS壓力傳感器市場(chǎng)的市場(chǎng)份額仍然主要被博世、英飛凌、意法半導(dǎo)體等國外廠商占據(jù)。

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本身特質(zhì)

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MEMS的最大特點(diǎn)就是微型化，其體積和重量普遍較小，由于其獨(dú)特的構(gòu)造和物理特性，MEMS可以通過微細(xì)加工實(shí)現(xiàn)非常微弱的電學(xué)、光學(xué)、熱學(xué)和機(jī)械效應(yīng)。在MEMS系統(tǒng)中，所有的幾何變形是如此之小(分子級(jí))，以至于結(jié)構(gòu)內(nèi)應(yīng)力與應(yīng)變之間的線性關(guān)系(虎克定律)已不存在。MEMS器件中摩擦表面的摩擦力主要是由于表面之間的分子相互作用力引起的，而不是由于載荷壓力引起，因此生產(chǎn)器件需要及其嚴(yán)苛的環(huán)境和相關(guān)技術(shù)的加持。

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MEMS器件市場(chǎng)現(xiàn)狀

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全球規(guī)模高速增長

整體來看，全球MEMS市場(chǎng)規(guī)模的收入從2020年的115億美元增加到2021年的約136億美元，同比增長17%。2021 年的收入是由消費(fèi)和汽車應(yīng)用的持續(xù)傳感化以及醫(yī)療和工業(yè)終端市場(chǎng)及相關(guān)應(yīng)用的進(jìn)步推動(dòng)的。由于芯片短缺和全球分配問題，慣性和壓力MEMS等一些MEMS器件的ASP在2021年略有增長，為市場(chǎng)創(chuàng)造了額外的收入增長。隨著物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等高新科學(xué)技術(shù)的日益成熟，傳統(tǒng)傳感器由于體積較大、集成度低等劣勢(shì)，已逐漸無法滿足下游行業(yè)的需求。在此背景下，MEMS技術(shù)在傳感器行業(yè)的運(yùn)用日益提升，行業(yè)規(guī)模也得以迅速擴(kuò)張。據(jù)資料顯示，2021年全球MEMS行業(yè)市場(chǎng)規(guī)模約為136億美元，同比增長12.9%。預(yù)計(jì)到2027年行業(yè)規(guī)模將增長至223億美元。

國內(nèi)市場(chǎng)不斷擴(kuò)大

隨著近年來下游市場(chǎng)的快速發(fā)展及MEMS技術(shù)應(yīng)用比例的不斷提升，近年來我國MEMS行業(yè)發(fā)展迅速，已然成為全球MEMS市場(chǎng)發(fā)展最快的地區(qū)。據(jù)資料顯示，2021年中國MEMS市場(chǎng)規(guī)模超過900億元，同比增長超過20%，中國已成為全球MEMS產(chǎn)業(yè)最大單一市場(chǎng)，增速遠(yuǎn)高于全球平均水平，展現(xiàn)出了蓬勃發(fā)展的勢(shì)頭，2022年我國MEMS行業(yè)市場(chǎng)規(guī)模約為1044.3億元，同比增長17.1%。

競(jìng)爭(zhēng)格局明朗

從地域來看，在MEMS這個(gè)領(lǐng)域，依然是美國占據(jù)較強(qiáng)的地位，有接近一半的廠商是屬于美國。歐洲也不遜色，有博世、意法半導(dǎo)體、恩智浦等。日本廠商以特色占有一席之地。中國靠麥克風(fēng)市場(chǎng)（樓氏、歌爾微、瑞聲科技）和代工市場(chǎng)（賽微電子）占據(jù)一定的地位。目前國內(nèi)缺乏從事MEMS壓力傳感器研發(fā)與量產(chǎn)的大型企業(yè)，全球MEMS壓力傳感器市場(chǎng)的市場(chǎng)份額仍然主要被博世、英飛凌、意法半導(dǎo)體等國外廠商占據(jù)。目前已有少數(shù)企業(yè)已開始嶄露頭角，部分國內(nèi)企業(yè)發(fā)力MEMS，已取得顯著成果。敏芯作為中國最早成立的MEMS研發(fā)公司之一，現(xiàn)已擁有完整的芯片設(shè)計(jì)、晶圓制造、封裝與測(cè)試等全產(chǎn)業(yè)鏈的自主研發(fā)設(shè)計(jì)能力，憑借完全自主設(shè)計(jì)的MEMS芯片與ASIC芯片成功打破了國外廠商長期壟斷的格局。

總結(jié)

隨著物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等高新科學(xué)技術(shù)的日益成熟，傳統(tǒng)傳感器由于體積較大、集成度低等劣勢(shì)，已逐漸無法滿足下游行業(yè)的需求。與傳統(tǒng)傳感器相比，MEMS傳感器具有微型化、重量輕、集成度高、智能化、低成本、功耗低、可大規(guī)模生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)，使得它可以完成某些傳統(tǒng)機(jī)械傳感器所不能實(shí)現(xiàn)的功能。在此背景下，MEMS技術(shù)在傳感器行業(yè)的運(yùn)用日益提升。目前，MEMS傳感器已經(jīng)廣泛運(yùn)用于消費(fèi)電子、汽車、工業(yè)、醫(yī)療、通信等各個(gè)領(lǐng)域，隨著人工智能和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，MEMS傳感器的應(yīng)用場(chǎng)景將更加多元。

在國家政策的大力支持下，國內(nèi)MEMS行業(yè)的研發(fā)與生產(chǎn)體系不斷完善，各研發(fā)與生產(chǎn)環(huán)節(jié)的實(shí)力整體提升。各類產(chǎn)業(yè)園區(qū)和研究平臺(tái)為完善國內(nèi)MEMS行業(yè)的研發(fā)體系提供了基礎(chǔ)。專業(yè)的晶圓制造和封裝領(lǐng)域的企業(yè)逐漸加大對(duì)MEMS業(yè)務(wù)的投入，并與公司一起開發(fā)了MEMS產(chǎn)品相應(yīng)生產(chǎn)環(huán)節(jié)的制造加工工藝。我國MEMS行業(yè)研發(fā)和生產(chǎn)體系不斷完善，為國內(nèi)MEMS行業(yè)的發(fā)展提供了良好的發(fā)展環(huán)境。 　
未來，MEMS器件需求將不斷擴(kuò)大，且國家大力支持半導(dǎo)體市場(chǎng)國產(chǎn)替代，在政策支持以及市場(chǎng)驅(qū)動(dòng)下，半導(dǎo)體企業(yè)將不斷加大技術(shù)、產(chǎn)品研發(fā)能力，逐漸縮小與國際領(lǐng)先企業(yè)之間差距，行業(yè)發(fā)展?jié)摿薮蟆?? 來源：半導(dǎo)體功率生態(tài)圈

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審核編輯：黃飛

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