来源：Research

摘要：MEMS技术在汽车电子、生物医疗、智慧家庭、工业物联网、消费电子等领域都有着广阔的市场前景。随着万物互联时代的加快到来，MEMS传感器将迎来新的浪潮。

一、MEMS 是什么

1、MEMS 定义

MEMS（Microelectromechanical Systems，微机电系统）指特征尺寸在微米量级的机电系统，包含微传感器、微执行器、微结构和微电子，具有尺寸小、功耗低、集成度高、批量化生产能力高等优点，广泛应用于汽车、消费电子、医疗、航空航天等领域。

图 1：MEMS 的细分

图 2 典型的MEMS 系统示意图

传感器是用于感知外界信息的器件。外界信息包括物理信息、化学信息、生物信息等。物理信息涉及力、声、光、电、磁、温度、湿度等，化学信息涉及酸碱性、可燃性、毒性等，生物信息涉及酶、抗体、激素、微生物等。MEMS 传感器的分类多样，按照传感信息的不同，可以分为加速度传感器、压力传感器、磁传感器、温度传感器、湿度传感器等；按照应用功能的不同，可以分为胎压传感器、陀螺仪、硅麦克风等；根据是否需要电源，可以分为有源传感器和无源传感器。

MEMS 传感器关键性能可以分为静态性能和动态性能。静态性能的评价指标包括分辨力、重复性、线性度、阈值、使用环境、稳定性等。动态性能是对动态输入的响应特性。理想的动态性能是将随时间变化的输入信号，通过传感器能够输出相同变化规律的输出信号，即输出信号和输入信号具有一致的时间函数。动态性能的评价包括频率响应、阶跃响应等。频率响应是决定被测信号频率范围的指标，例如压力传感器的频率响应越高，可测信号的频率范围就越宽。阶跃响应则是对阶跃函数信号的响应能力，包括延迟时间、超调量等指标。

MEMS 执行器是在动力源的驱动下完成需要动作的微机械系统，包括微喷墨头、MEMS 滤波器、EMS 扬声器、MEMS 微镜、MEMS 微射流执行器、MEMS 投影机等。相比传统的执行器，MEMS执行器具有加速快、速度大、驱动力小、干扰因素少等优点。MEMS 执行器的执行方式有压电执行、电磁执行、静电执行、热执行等，核心功能是将其他能量转为机械能。MEMS 执行器的起步早，但发展速度不及MEMS 传感器。意法半导体公司执行副总裁Benedetto 认为：一方面是生产能力、产业链发展不完善的原因；另一方面是新技术还需要真正的应用，如十年前手机摄像头的提升重点在像素，因此用于自动对焦的MEMS 执行器则发展较慢。

2、MEMS 应用

在汽车领域，MEMS 产品有压力传感器、加速度传感器、陀螺仪、流量传感器、麦克风、红外夜视传感器等，应用范围包括汽车动力总成、汽车底盘、驾驶安全和自动化、舒适便捷相关系统等。

图 3 汽车领域MEMS 应用

受惠于2007 年苹果手机和任天堂Wii 游戏机的诞生，MEMS 在消费电子领域迎来喷薄式的发展。iPhone 6S 包含加速度计、电子罗盘、陀螺仪、MEMS 麦克风、接近光传感器、环境光传感器、指纹传感器、压力传感器等。

图 4 消费电子领域MEMS 应用

在医疗领域，MEMS 产品有诊断流感的可携带式芯片实验室装置VereFlu、可食用电子药物、听力辅助MEMS、DNA 纳米科技、智能生命检测感应器、侦测血液中癌细胞医疗装置、低功耗心室颤动侦测芯片、守护天使装置等。

图 5 医疗领域MEMS 应用

3、MEMS 发展历程

上个世纪80 年代开始，随着微电子行业的快速发展，以及航空、航天、汽车等行业对小尺寸高可靠传感的实际需求，MEMS 微机电系统和传感器相结合形成的MEMS 传感器行业进入了快速发展期。通常认为，MEMS 传感器行业在2000 年以前的最主要驱动力是汽车工业。汽车领域MEMS 传感器主要有压力传感器、加速计、陀螺仪和流量传感器，应用范围包括汽车防抱死系统ABS、车身稳定程序ESP、电控悬挂ECS、电动手刹EPB、斜坡启动辅助HAS、胎压监控EPMS、引擎防抖等。

进入21 世纪后，以手机为代表的消费电子行业飞速发展，直接带动了MEMS 传感器行业的发展。手机内置加速计、陀螺仪、MEMS 硅麦克风、近距离传感器、环境光传感器、温湿度传感器等，主要应用范围包括运动/坠落检测、速度/距离计数、电源管理、GPS 增强/盲区消除、导航数据补偿等。每台智能手机的MEMS 传感器已超过10 个。

未来，随着物联网技术和行业应用的发展，联网节点会呈现爆炸式增长的局面。MEMS 传感器，作为物联网四层架构（感知层、传输层、平台层和应用层）中感知层的核心器件之一，需求会进一步增大，应用场景涵盖工业物联网、车联网、智慧医疗、智能家居等。

4、MEMS 产业链

MEMS 产业链包括设计、制造、封装测试和应用等环节。MEMS 产业生态包含全产业链IDM厂商、专注MEMS 设计的Fabless 厂商、MEMS 制造厂商、ASIC 制造厂商、封装测试厂商等。全球头部IDM 厂商包括博世、博通、德州仪器等企业。考虑到MEMS 行业动辄数亿元的重资产投入，与IC 行业类似，MEMS 行业的很多企业采用Fabless 商业模式，投入资金专注研发，而将制造环节交由专业的Foundry 厂商。InvenSense 公司是一家头部Fabless 厂商，2011 年美国上市。其他Fabless 厂商还有Knowles 公司、Memsic 美新半导体、敏芯微电子等。Foundry代工厂则有台积电、中芯国际、Global Foundries 等。封装测试环节则有Amkor、华天科技、晶方科技等。

图 6 MEMS 的生产流程

图 7 MEMS 产业链

（1）设计

MEMS 的设计综合了材料、结构、力学、微电子学、光学等学科，并需要考虑制造工艺、封装工艺、测试方法、低成本、智能化等实际需求，借助计算机辅助设计软件（如有限元分析）等辅助设计，通过复杂的试验验证设计方案可行性，最终满足各项严苛要求。MEMS 的设计不仅仅需要科学严谨的工程设计经验，还需要充满艺术想象力的工程设计能力。

（2）制造

MEMS 制造工艺主要有：

—以美国为代表的硅基微机械加工工艺。该工艺方案分为表面微机械加工工艺和体硅微机械加工工艺。

—以德国为代表的 LIGA 工艺。LIGA 工艺是利用同步辐射X 射线光刻技术，通过电铸成型和塑铸成型制造高深宽比的微结构方法。该工艺的设备昂贵、周期较长，与集成电路的兼容性较差。

—表面微机械加工工艺类似于CMOS 半导体工艺，主要包含扩散掺杂、镀膜（PVD/CVD）、光刻、刻蚀（干法刻蚀/湿法刻蚀）等过程，最后使用腐蚀液取出牺牲层材料，释放出三维空间结构。基本思路为在扩散掺杂好的衬底上沉积牺牲层，通过光刻与刻蚀工艺形成一定的图形，然后沉积结构材料并光刻出需要的图形，最后使用腐蚀液将牺牲层“牺牲”掉，即可实现三维的微机械结构件。该工艺与CMOS 半导体工艺具有较好的兼容性。

图 8 表面微机械加工工艺过程

体硅微机械加工工艺流程主要包括镀膜、光刻、刻蚀、腐蚀等工艺。该工艺通常用来制造具有一定深度的三维微机械结构，主要是通过腐蚀液对衬底进行腐蚀，腐蚀深度达几百微米，甚至穿透硅片，从而得到三维立体结构。

图 9 体硅微机械加工工艺过程

LIGA（LIthographie 制版术、Gavanoformung 电铸、Abformung 塑铸）工艺由德国卡尔斯鲁厄原子核研究所研发而成，通过深层同步辐射X 射线光刻技术，能够制造出高深宽比的三维结构，尺寸精度达亚微米级。但是该工艺技术的成本较高，生产周期较长。

图 10 LIGA 工艺和准LIGA 工艺的流程图

（3）封装

MEMS 封装技术的发展相对落后于设计技术和制造技术。MEMS 封装不仅仅需要满足传统IC封装的四大功能（机械支撑、环境保护、电连接、散热），还需要考虑信号界面（如光、电、温度、湿度等输入信号）、立体结构（如非平面、腔体、悬梁、薄膜、密封等）、外壳材料（须适应产品的各类应用环境）、特殊芯片钝化（须适应微机电系统的内部环境）、特殊可靠性要求等因素。MEMS 封装可以分为芯片级封装、器件级封装和系统级封装。

图 11 MEMS 封装的三个级别

芯片级封装是对传感单元、执行单元等进行单独封装，主要目标是保护核心元器件。器件

级封装将传感单元、执行单元和其他核心元器件进行封装，核心难点是接口。系统级封装则将传感单元、执行单元、核心元器件、主要信号处理电路等统一进行封装，能够显著降低产品尺寸，核心问题是接口、电磁屏蔽等关键问题。

图 12 压力传感器的芯片级封装（金属壳和塑料壳）

本研究简要介绍几种关键的封装技术：倒装片封装、晶圆级封装WLP、3D 封装和系统级封装SIP。

倒装片封装是将芯片的正面朝下，直接与封装基板进行键合，该工艺方案具有小尺寸、连接路径变短等优点。从几何结构层面来看，倒装片封装将芯片向下组装，为光信号提供了直线通路，适用于光学MEMS 的封装。

图 13 倒装片封装示意图

晶圆级封装WLP（Wafer Level Package）是将装片、电连接、封装、测试等过程均在晶圆加工过程中完成，最后再划片。划片后的单元芯片就是已经完成封装后的产品了。WLP 工艺生产的芯片尺寸与裸芯尺寸几乎相等，连接路径变短，散热效果更佳，是非常良好的封装工艺。

图 14 晶圆级封装WLP

3D 封装是在垂直方向堆叠多个芯片的封装技术，起源于快闪存储器（NOR/NAND）和SDRAM的堆叠封装，主流形式包括封装体堆叠POP（Package on Package）和硅穿孔TSV（Through Silicon Via）。其中，硅穿孔TSV 技术的连接路径长度短，具有减小信号损失、降低时间延迟、降低功耗等优点。

系统级封装SIP（System in Package），与系统级芯片SOC（System On Chip）类似，是MEMS 封装的发展趋势。SIP 是将2 种以上不同功能的电子组件进行封装，能够提供多种功能。例如，SIP 技术能够将MEMS、逻辑电路、存储器、电源等集成在一个封装系统内。系统级封装SIP 可以认为是可拓展摩尔定律发展的重要组成内容之一。

图 15 SIP 结构示意图

（4）测试

MEMS 测试是MEMS 制造过程的至关重要环节，由于目前MEMS 成品率较低，缺乏标准化的测试标准，测试复杂性和测试成本均高于IC 产品。MEMS 测试包括晶圆测试和成品测试。测试内容包括电学测试和非电学测试，涉及了声学激励、光学激励、磁学激励、化学激励、生物激励等不同的激励信号。

图 16 MEMS 测试

二、行业特点：壁垒高，需求大，降本增效和推出新产品是突破点

1、产品多样化，生产工艺非标，封测是产业价值链重要环节

MEMS 产品具有多样化的特征。MEMS 的应用范围覆盖汽车、消费电子、医疗、航空航天、电信等多领域；感知信号包括物理信号、化学信号、生物信号等；应用环境涉及温度、湿度、压强、震动、酸碱性等复杂环境，因此产品纷繁多样。即使同一类产品，也会由于采用不同的设计路径、制造工艺、封装工艺等，从而呈现不同的价值。目前，MEMS 市场以惯性传感器、微流量传感器、压力传感器、光学传感器、喷墨头、射频、麦克风、红外传感器、振动传感器等为主。2016 年，惯性传感器和微流量传感器占比均为24%，压力传感器占比13%，光学传感器和喷墨头占比10%。

图 17 2016 年全球MEMS 市场中各类产品的市场规模占比

MEMS 生产工艺尚未实现标准化。MEMS 行业遵循“一类产品、一种工艺”的规律，虽然MEMS产业链与传统IC 行业非常相似，但由于不同的MEMS 产品通常都需要采用不同的制造工艺和封装工艺，因此并未实现IC 行业的高度标准化特征。事实上，正是由于MEMS 行业尚未实现标准化，导致生产线规模效应不足，影响了企业研发新产品的动力。

封测环节在MEMS 价值链中占有重要地位。由于MEMS 包含传感器、执行器、ASIC 等复杂子部件，需要考虑尺寸、交互接口、机械应力、特殊环境要求等因素，无论是封装工艺的选择，还是封装过程，均比传统IC 封装更加复杂。在后摩尔定律时代，先进封装技术被认为是延续摩尔定律生命的关键，不断提高封装技术来促进MEMS 的集成度是核心价值的体现。MEMS 生产过程的测试难度非常大。MEMS 测试的信号通常十分微弱，如纳米级的位移、nV 级的电压，因此对测试设备提出了极高的要求。同时，由于测试信号种类的多样性，以及尚未形成标准化的测试环节，既增加了测试复杂性，又提高了测试成本。封装和测试的成本在生产成本的35-70%之间。以博世Bosch 的BMC050 三轴加速度计为例，MEMS 成本为0.059 美元，占总成本13%；ASIC 成本为0.224 美元，占总成本48%；封装和测试的成本为0.165 美元，占总成本35%。一些其他研究在统计时，封测成本占比高达60~70%。

图 18 博世Bosch 的BMC050 三轴加速度计成本分解

图 19 其他研究成果中的封测成本占比数据

2、进入壁垒高，研发和商业化周期长

MEMS 综合了材料、结构、力学、微电子学、光学等学科，并需要考虑制造工艺、封装工艺、测试方法、低成本、智能化等实际需求，对企业的研发能力和学习曲线都提出了极高的要求。

在全球头部MEMS 企业中，通常也呈现每家企业专注1-2 个子行业的现象，这与不同MEMS 的技术能力要求息息相关。MEMS 的研发和商业化周期长。加速计的研发周期长达9 年，商业化周期长达8 年，之后，耗时8 年逐步降低成本。麦克风的研发周期为6 年，商业化周期为6 年；振荡器的研发周期为5 年，商业化周期为6 年。整体而言，MEMS 的研发和商业化周期正在逐渐缩短，一方面与MEMS制造商不断提升的研发能力相关，另一方面也与市场对 MEMS 需求与日俱增相关。

图 20 MEMS 的研发周期和商业化周期

3、全球市场规模稳步增长，汽车、消费电子和医疗是核心驱动力，行业龙头地位稳定

全球MEMS 市场规模稳步增长，2017 年约130 亿美元，2022 年约250 亿美元，CAGR 达14%。事实上，该增速已经远超传统半导体行业个位数的增长。从2012 到2019 年，消费电子、汽车电子、医疗电子三大领域约占全球MEMS 市场规模的85%。

图 21 全球MEMS 市场规模预测

图 22 MEMS 的主要应用领域

2017 年，全球排名前五的MEMS 厂商分别是博通、博世、意法半导体、德州仪器和Qorvo，营收分别为14.11 亿美元、12.75 亿美元、7.57 亿美元、6.72 亿美元和6.26 亿美元。入围前30 强的营收门槛值是7100 万美元。大陆企业仅有歌尔声学（GOER TEC）和瑞声科技（AAC）入围30 强。比较2017 年、2016 年和2015 年的30 强，MEMS 行业的头部企业基本稳定。其中，博通公司和Qorvo 公司近年来的MEMS 营收增幅明显，主要得益于通信射频RF MEMS 的需求快速增加。

图23  2017 年全球MEMS 行业30 强和射频模组RF MEMS 的市场预测

表 1 全球头部MEMS 厂商的主要情况

4、MEMS 降价明显，降本增效、推出新产品是企业提高毛利率的钥匙

MEMS 应用于汽车、消费电子和医疗行业，下游客户为大型OEM 厂商，并且半导体行业产品通常采用代理商销售（代理商收集终端客户的需求进行集中采购），因此客户集中度十分高，导致MEMS 厂商的价格谈判能力较弱。尤其是消费电子客户，要求非标准化的MEMS 价格按照标准化的通用元器件进行销售，进一步压缩了MEMS 厂商的利润空间。

图 24 MEMS 平均价格的变化曲线

由于MEMS 的制造和封装具有传统IC 的特点，因此CMOS 工艺是MEMS 行业降低成本的重要途径之一。以图像传感器为例，基于CMOS 工艺制造的CMOS 图像传感器，成本低于传统CCD图像传感器，成为消费电子摄像模组的首选。中国MEMSIC 美新半导体采用标准CMOS 集成电路工艺单芯片集成MEMS 和ASIC 电路，在晶圆级结合MEMS 结构和CMOS 标准化工艺，可使用现成的设备与可兼容与CMOS 制程的制造流程，制造出尺寸小、重量轻、低成本、可批量生产的传感器。当然，MEMS 制造的标准化工作仍需要行业不断的努力，从而进一步降低成本。

推出新产品也是提高产品毛利率的一把钥匙。以MEMSIC 美新半导体为例，2017 年上半年的数据显示，消费类磁传感器的新产品毛利率为38.2%，老产品仅10.7%；消费类加速度计新产品毛利率53.42%，老产品仅14.29%；汽车类MEMS 的新产品毛利率为23.59%，老产品仅1.37%。上述数据显示，推出新产品能够显著提高产品的毛利率。

图 25 MEMS 平均价格的变化曲线

5、我国 MEMS 产业链完整，能力较薄弱，但发展前景乐观

我国基本形成了完整的MEMS 产业链，设计厂商有MEMSIC 半导体、硅睿科技、敏芯微电子等；代工厂商有中芯国际、华虹宏力、CSMC、ASMC、耐威科技等；封装测试厂商有长电科技、华天科技、通富微电、晶方科技等。

图 26 我国MEMS 产业链

中国拥有全球最大的汽车市场和消费电子市场，医疗行业也正蓬勃发展，但是中高端MEMS的自主化率仍较低。在2017 年全球MEMS 行业30 强中，大陆企业仅有歌尔声学（GOER TEC，排名11 位）和瑞声科技（AAC，排名23 位）。

我认为我国MEMS 行业的发展前景乐观，主要原因有：

——我国正处于半导体行业发展大浪潮中，大量资本注入半导体行业，一方面推动了相关

硬件设施的迅速发展，同时吸引了高端行业人才加盟本土公司。MEMS 作为半导体行业的重要分支，能够顺势而上。

——MEMS 行业细分繁多，赢家无法通吃全部细分行业，具有“长尾效应”。尤其是物联网、医疗等行业能够催生出大量的MEMS 新应用。例如，瑞声科技成功切入了MEMS 麦克风细分市场和Haptics 市场，成为了我国MEMS 行业的标杆性企业。

——经过多年的发展，我国已经奠定了完整的MEMS 产业链基础，并培养了一批具有一定技术实力的MEMS 企业。MEMS 企业的竞争力不仅体现在技术实力，也体现在渠道和生态建设能力。国内MEMS 企业扬长避短，能够获得发展空间。

图 27 我国主要MEMS 企业

三、未来发展：小尺寸、集成化是技术趋势，物联网是应用蓝海

1、 小尺寸、集成化是产品发展趋势

摩尔定律是集成电路行业发展的“黄金规律”，小尺寸化能够提高性能、降低功耗、降低成本。随着微纳技术的持续发展，未来微机电系统MEMS 将有可能向纳米尺寸发展。以MEMS加速度计为例，2009 年其管脚尺寸为3*5mm2，2014 年管脚尺寸为1.6*1.6mm2，尺寸降幅达86%。

图 28 MEMS 尺寸变化趋势

集成化主要体现在封装技术的持续提升。一方面，通过先进封装技术将不同的MEMS 功能进行融合。例如，9 轴惯性测量单元将加速度计、陀螺仪、地磁计进行融合；环境传感器将气体/微利、压力、温度/湿度、麦克风进行融合；光学传感器将可见光传感、接近光传感、三维视觉传感、多频谱传感进行融合。另一方面，使用先进的封装技术将传感单元、执行单元、微电源、ASIC、MCU 进行集成，进一步提升MEMS 产品价值。本研究中列出的倒装片封装、晶圆级封装WLP、3D 封装、系统级封装SIP 等封装技术均是MEMS 实现高度集成化的重要方向。

图 29 MEMS 尺寸变化趋势

图 30 MEMS 多功能融合

2、微执行器将迎来发展浪潮

MEMS 执行器在微尺度下完成需要动作，比传统执行器的控制精度更优、能耗更低，应用场景十分广阔。意法半导体公司开发的自动对焦执行器，比音圈电机功耗更低、速度更快；意法半导体与Debiotec 合作开发的Nanopump 胰岛素输送泵，以更加简单易用的方式提升糖尿病患者的生活质量；MEMS Drive 公司开发了全球首款应用于智能手机光学防抖的MEMS 光学图像防抖稳定器OIS 等。在目前的全球MEMS 市场中，增长最为迅速的是射频模组MEMS 执行器，包括MEMS 滤波器、MEMS 谐振器、MEMS 开关等。3D 扫描、沉浸式游戏动作控制、面部识别、MEMS扬声器、超极本投影等诸多应用场景成为MEMS 执行器的发展趋势。

3、物联网是 MEMS 应用的蓝海

“物联网已进入跨界融合、继承创新和规模化发展新阶段，将为经济社会发展注入新活力，培育新动能。物联网在交通、物流、环保、医疗、安防、电力等领域的应用逐渐得到规模化验证，拉开了相关行业的智能化、精细化、网络化变革大幕”。在万物互联的世界里，MEMS 是万物信息的关键获取节点，通过掌握MEMS 节点获取万物信息，对布局物联网行业的企业至关重要。

一方面，5G、车联网、智慧医疗、智能家居、可穿戴设备、智慧城市等物联网领域的发展能够拉动压力传感器、加速计、磁力计、陀螺仪、MEMS 麦克风、MEMS 滤波器、MEMS 开关等现有产品的需求；另一方面，受到物联网对小尺寸、低功耗、集成化、智能化MEMS 的海量需求，MEMS 新产品将不断踊跃，进一步赋能物联网生态圈，形成良性循环。

图 31 2014-2024 年全球联网节点的数量

未来智能实验室是人工智能学家与科学院相关机构联合成立的人工智能，互联网和脑科学交叉研究机构。

未来智能实验室的主要工作包括：建立AI智能系统智商评测体系，开展世界人工智能智商评测；开展互联网（城市）云脑研究计划，构建互联网（城市）云脑技术和企业图谱，为提升企业，行业与城市的智能水平服务。

  如果您对实验室的研究感兴趣，欢迎加入未来智能实验室线上平台。扫描以下二维码或点击本文左下角“阅读原文”