MEMS應(yīng)用需求各異壓電MEMS開(kāi)辟新疆域

王懿

MEMS集中了當(dāng)今科學(xué)技術(shù)發(fā)展的許多尖端成果，涉及物理學(xué)、半導(dǎo)體、光學(xué)、化學(xué)、電子工程、材料工程、機(jī)械工程及生物工程等多種學(xué)科和工程技術(shù)。相比傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)型傳感器，MEMs傳感器具有體積小、重量輕、功耗低、價(jià)格低、集成度高、可批量制造等優(yōu)點(diǎn)。此外，MEMs傳感器還可以與處理單元集成，例如采用系統(tǒng)級(jí)封裝（sip）或片上系統(tǒng)（soC）形式，因此MEMS成為智能傳感器的重要載體。

盡管IDM至今仍主導(dǎo)MEMS產(chǎn)業(yè)走向，但是代工模式也有其優(yōu)點(diǎn)：不僅可以讓無(wú)晶圓廠（Fabless）MEMS設(shè)計(jì)公司節(jié)省興建晶圓廠的巨額成本，以投資更多人力專注于傳感器產(chǎn)品設(shè)計(jì)，還可以加速消費(fèi)類MEMS應(yīng)用的發(fā)展。

以MEMS慣性傳感器為例，與應(yīng)用相關(guān)的精度指標(biāo)主要有三方面：噪聲（Noise），如振動(dòng)抑制、1/f噪聲、高頻噪聲等;穩(wěn)定性（stabili-ty），如長(zhǎng)期穩(wěn)定性、溫度穩(wěn)定性和重復(fù)穩(wěn)定性等;偏差（Tolerance），如零偏、靈敏度、非線性、軸間串?dāng)_等。

展望未來(lái)10年，5G、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、自動(dòng)駕駛汽車將成為MEMs市場(chǎng)的主要驅(qū)動(dòng)因素。不同應(yīng)用對(duì)MEMS傳感器的需求各異，以MEMS加速度計(jì)為例，在個(gè)人消費(fèi)電子領(lǐng)域，功耗最重要，其次是精度和成本;在汽車領(lǐng)域，可靠性最重要，其次是精度和壽命;在工業(yè)領(lǐng)域，壽命最重要，其次是可靠性和精度。

受到多種MEMS產(chǎn)品的應(yīng)用驅(qū)動(dòng)，如壓力傳感器（例如胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)）、射頻器件（例如5G通信和車聯(lián)網(wǎng)）、慣性傳感器（例如高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)和自動(dòng)駕駛汽車）和新興MEMS器件（例如用于指紋識(shí)別的壓電MEMS超聲波換能器）等，預(yù)計(jì)MEMS市場(chǎng)將在2019年至2024年期間實(shí)現(xiàn)顯著增長(zhǎng)：市場(chǎng)營(yíng)收的復(fù)合年增長(zhǎng)率約為8.3%，出貨量的復(fù)合年增長(zhǎng)率約為11.9%。

此外，新材料（如壓電材料）和新工藝（如壓電薄膜沉積）的發(fā)展為MEMs應(yīng)用領(lǐng)域開(kāi)疆辟土。實(shí)際上，壓電和MEMS技術(shù)的融合發(fā)展正在為全球MEMS產(chǎn)業(yè)帶來(lái)一場(chǎng)革命。壓電MEMS技術(shù)越來(lái)越多地應(yīng)用于射頻濾波器、MEMS時(shí)鐘、MEMS陀螺儀、噴墨打印頭、MEMS揚(yáng)聲器和麥克風(fēng)、MEMS微鏡、自動(dòng)對(duì)焦執(zhí)行器、能量收集器，以及超聲波換能器和指紋識(shí)別傳感器等產(chǎn)品。

隨著先進(jìn)材料和半導(dǎo)體技術(shù)不斷發(fā)展，電子器件正朝著小型化、智能化和高集成化道路發(fā)展，面對(duì)智能手機(jī)等消費(fèi)類產(chǎn)品的海量需求，市場(chǎng)對(duì)壓電薄膜型器件的需求日益增加，越來(lái)越多的電子器件采用的壓電材料開(kāi)始從塊體型轉(zhuǎn)向薄膜型。因此，壓電薄膜沉積技術(shù)在MEMs產(chǎn)業(yè)中變得越來(lái)越重要。目前應(yīng)用最廣泛的壓電薄膜材料是氮化鋁（AlN）和鋯鈦酸鉛（PZT）。

在市場(chǎng)需求和壓電材料制備水平提高的雙重因素影響下，壓電MEMs和傳感器正迎來(lái)黃金時(shí)代，將在5G通信、智能語(yǔ)音、消費(fèi)類可穿戴設(shè)備、指紋識(shí)別和醫(yī)療等設(shè)備中擁有廣闊的應(yīng)用前景。在整個(gè)壓電器件市場(chǎng)中，射頻濾波器受益于5G通信而快速發(fā)展，包括SAW和BAW濾波器。智能語(yǔ)音交互市場(chǎng)引爆了麥克風(fēng)海量需求，新型壓電MEMS麥克風(fēng)憑借高信噪比優(yōu)勢(shì)，有望打破傳統(tǒng)的電容式麥克風(fēng)壟斷地位，同樣壓電MEMS揚(yáng)聲器也蓄勢(shì)待發(fā)。在全屏手機(jī)需求背景下，壓電超聲波指紋識(shí)別的高安全性和良好的抗污特性，更切合物聯(lián)網(wǎng)安全可靠的發(fā)展趨勢(shì)，因而備受關(guān)注。

MEMS傳感器正在將人類的體驗(yàn)數(shù)字化，并推動(dòng)真實(shí)世界和虛擬世界的緊密結(jié)合，為全球各地的用戶提供全新的體驗(yàn)。MEMS傳感器與人工智能的結(jié)合將催生邊緣計(jì)算新時(shí)代：在邊緣設(shè)備中將多種傳感器融合，再結(jié)合人工智能技術(shù)，可以為視、聽(tīng)、嗅、運(yùn)動(dòng)等多種物理量的感測(cè)開(kāi)辟新應(yīng)用。同時(shí)，壓電MEMS技術(shù)也將為蓬勃的MEMS市場(chǎng)再注一劑強(qiáng)心針。