MEMS傳感器技術(shù)產(chǎn)業(yè)與我國發(fā)展路徑研究

邸紹巖 焦奕碩

(中國信息通信研究院信息化與工業(yè)化融合研究所，北京100191)

0 引言

微機電系統(tǒng)(Microelectro Mechanical System,MEMS)傳感器是利用微機械加工技術(shù)制造的新型傳感器，相比于傳統(tǒng)傳感器元件，MEMS傳感器憑借質(zhì)量輕、體積小、靈敏度高、可靠性強、易于集成等優(yōu)良特性，成為推動傳感器不斷向微型化、智能化發(fā)展的主要動力，同時MEMS技術(shù)作為微電子制造技術(shù)的一個重要分支，也是超越摩爾時代的重要發(fā)展方向之一。

1 MEMS傳感器產(chǎn)業(yè)發(fā)展總體情況

當前，全球傳感器產(chǎn)業(yè)正處于飛速發(fā)展的時期，技術(shù)更新迭代不斷加快，產(chǎn)業(yè)競爭日益激烈。2018年，全球傳感器市場規(guī)模達到2059億美元，年均增長率超過12%，其中MEMS傳感器占比由2015年的8%迅速上升至25%，成為僅次于圖像傳感器(CIS)的第二大傳感器門類[1]。

全球MEMS傳感器市場目前仍由歐美日等發(fā)達國家和地區(qū)主導(dǎo)，其中美國、德國以及日本三國市場占比達到50%以上，而在高端MEMS傳感器領(lǐng)域，美國和德國的優(yōu)勢則更為明顯[2]。美國博通在射頻MEMS傳感器領(lǐng)域處于絕對領(lǐng)先地位，尤其在MEMS濾波器領(lǐng)域，市場份額高達87%。隨著智能終端產(chǎn)業(yè)的爆發(fā)式增長，博通的優(yōu)勢將得到進一步鞏固。博世在運動類MEMS傳感器方面一枝獨秀，其產(chǎn)品在汽車以及智能手機等領(lǐng)域已成為不可或缺的關(guān)鍵部件。我國在聲學(xué)MEMS傳感器等領(lǐng)域具有一定競爭力，但整體來看尚不具備主導(dǎo)能力。

隨著MEMS制造技術(shù)的逐漸成熟，新型MEMS傳感器產(chǎn)品層出不窮，產(chǎn)品出貨量也呈現(xiàn)急劇增長的趨勢[3]。目前MEMS企業(yè)正在通過不斷的基礎(chǔ)技術(shù)創(chuàng)新實現(xiàn)進一步的突破，產(chǎn)品商業(yè)化周期和成本降低周期得以大幅縮短，20世紀60年代，傳統(tǒng)的壓力傳感器商業(yè)化時間長達15年，而成本降低時間同樣需要15年，而當前MEMS傳感器的平均商業(yè)化時間僅為6年，成本降低時間也進一步縮短至5年以內(nèi)，因此快速更迭的產(chǎn)品使得MEMS傳感器已經(jīng)在眾多領(lǐng)域成功得以商業(yè)化，并產(chǎn)生了巨大的市場機會。

2 MEMS傳感器應(yīng)用現(xiàn)狀

MEMS傳感器種類極多，可應(yīng)用于物理、化學(xué)、生物等領(lǐng)域信號的探測，較為常見的種類有加速度傳感器、慣性傳感器、壓力傳感器、MEMS陀螺儀以及MEMS麥克風(fēng)等。目前MEMS傳感器在消費電子、醫(yī)療、汽車電子以及工業(yè)等應(yīng)用領(lǐng)域占比最高，分別占據(jù)41.8%、28.1%、16.7%和9.1%。

在消費電子領(lǐng)域，出于對體積、功耗以及成本等因素的考慮，以手機、平板、可穿戴、AR/VR設(shè)備等為代表的ICT終端設(shè)備80%以上的傳感器是基于MEMS工藝生產(chǎn)制造的，主要分為運動感測組合傳感器、環(huán)境感測組合傳感器、光學(xué)感測組合傳感器等。其中，運動感測組合傳感器主要包括加速計、陀螺儀和慣性測量單元；環(huán)境感測組合傳感器主要包括MEMS麥克風(fēng)、壓力傳感器等；光學(xué)感測組合傳感器主要包括環(huán)境光傳感器、接近傳感器、RGB顏色傳感器、激光測距傳感器、光學(xué)生物傳感器等。

在醫(yī)療領(lǐng)域，生物MEMS傳感器已經(jīng)成為醫(yī)學(xué)檢測中不可缺少的關(guān)鍵部件，主要分為微生物傳感器、酶傳感器、細胞傳感器、組織傳感器、蛋白質(zhì)傳感器、免疫傳感器6類。此外，MEMS傳感器還應(yīng)用于腦電圖測量、心電圖監(jiān)測、CT成像以及設(shè)備定位等其他非生物領(lǐng)域，未來隨著器件性能的不斷提升以及進一步微型化，MEMS技術(shù)還將在外骨骼、心臟起搏器、視網(wǎng)膜植入等新興領(lǐng)域得到進一步應(yīng)用。

在汽車電子領(lǐng)域，MEMS傳感器整體呈現(xiàn)穩(wěn)步增長的趨勢，近5年汽車市場MEMS傳感器復(fù)合年增長率超過7%，預(yù)計到2022年，市場規(guī)模將達到32億美元，出貨量將超過20億顆。汽車電子領(lǐng)域常用的傳感器主要包括加速傳感器、壓力傳感器、陀螺儀、流量傳感器、溫度傳感器、液位傳感器、位置傳感器、氣體濃度傳感器等，主要應(yīng)用于電子穩(wěn)定程序控制系統(tǒng)、安全氣囊、胎壓監(jiān)測、進排氣管絕對壓力檢測等領(lǐng)域。

在工業(yè)電子領(lǐng)域，MEMS傳感器高穩(wěn)定性、高精度的特性可滿足工業(yè)控制領(lǐng)域近乎“零誤差”的要求，同時對于極限溫度、濕度和酸堿度等工作環(huán)境要求，MEMS傳感器可通過封裝形式、制作工藝等技術(shù)的變化進行滿足。如應(yīng)用在地質(zhì)勘探等領(lǐng)域的ADI工業(yè)用陀螺儀，其壽命可達1000 h，抗沖擊性達10 000 G，使用溫度范圍達-40℃～175℃。

3 先進MEMS傳感器技術(shù)發(fā)展最新進展

當前，MEMS傳感器已經(jīng)應(yīng)用于各個領(lǐng)域之中，其中技術(shù)迭代最快、應(yīng)用規(guī)模最大的要數(shù)運動傳感器和壓力傳感器。

MEMS運動傳感器是目前應(yīng)用最為廣泛的MEMS傳感器，包含了陀螺儀、加速度計和慣性測量單元等，目前已經(jīng)在智能手機、可穿戴智能設(shè)備以及平板電腦等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了大規(guī)模應(yīng)用。當前，MEMS運動傳感器正在向著多功能集成和高精度進行演化，為解決智能終端產(chǎn)品中的不同需求衍生出各種先進的解決方案。為實現(xiàn)多傳感器之間的數(shù)據(jù)融合，飛思卡爾等公司在其傳感器產(chǎn)品中嵌入了微處理器以及存儲器等模塊，解決了融合外部傳感數(shù)據(jù)的問題；博世公司利用系統(tǒng)封裝(SiP)等技術(shù)，將三軸12位加速度計、三軸地磁傳感器、三軸16位陀螺儀以及微控制器進行整合，進一步對增強現(xiàn)實、室內(nèi)導(dǎo)航、個人健身以及其他對環(huán)境意識要求較高的場景的適應(yīng)性進行了加強；為實現(xiàn)無GPS信號情況下的精確慣性導(dǎo)航，目前已經(jīng)有集成了加速度計、陀螺儀、地磁傳感器以及接口專用芯片的個人慣性導(dǎo)航系統(tǒng)被報道，該系統(tǒng)在低功耗CMOS集成電路的輔助下，與系統(tǒng)校準技術(shù)充分結(jié)合，實現(xiàn)了在無GPS信號情況下，3 km步行距離內(nèi)誤差小于6 m的優(yōu)越性能。

MEMS壓力傳感器同樣是使用最廣泛的MEMS傳感器產(chǎn)品之一，通常應(yīng)用于智能手機、航空航天、汽車、生物醫(yī)藥以及工藝控制等領(lǐng)域，按照壓力探測方式可以分為壓阻式、電容式、諧振傳感等，而最為常用的是壓阻式和電容式，因此這兩種壓力傳感器的技術(shù)迭代也最為活躍。為充分降低微壓MEMS傳感器中測量的敏感性和線性度之間的矛盾，不斷提高微壓傳感器測量精度，一種新型的FBBM結(jié)構(gòu)應(yīng)運而生，該結(jié)構(gòu)包含了4個短梁和一個位于中心的方形凸塊，通過減少傳感膜結(jié)構(gòu)偏轉(zhuǎn)程度達到進一步降低壓力的非線性，并提高了壓阻靈敏度，達到了提升微壓MEMS傳感器精度的目標；為滿足航空航天領(lǐng)域中在惡劣環(huán)境中的無源無線壓力傳感需求，一種基于藍寶石的隔膜和結(jié)構(gòu)體MEMS壓力傳感結(jié)構(gòu)被提出，在施加壓力時，傳感器隔膜發(fā)生偏轉(zhuǎn)，傳感器的電諧振頻率因而隨壓力隔膜的偏轉(zhuǎn)而改變，實現(xiàn)了將輕微壓力轉(zhuǎn)換為電信號的目的，該結(jié)構(gòu)可在1000℃的高溫下正常工作，滿足了惡劣環(huán)境下壓力傳感的需求。

4 我國MEMS傳感器技術(shù)產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀

近年來，國內(nèi)MEMS產(chǎn)業(yè)鏈已形成從前端設(shè)計、制造到后端封裝、測試的完整產(chǎn)業(yè)鏈條[4]，瑞聲科技、歌爾股份、耐威科技、中芯國際、長電科技等各產(chǎn)業(yè)鏈龍頭企業(yè)發(fā)展迅速。與此同時，近年來中國MEMS市場增速一直高于全球市場增長水平，這一方面得益于中國MEMS市場發(fā)展起步相對較晚，市場基數(shù)較小，因此市場增速較快；另一方面，近幾年中國消費電子產(chǎn)品以及汽車電子產(chǎn)品持續(xù)保持較快增長勢頭，加之全球電子整機產(chǎn)業(yè)持續(xù)向中國轉(zhuǎn)移，使得MEMS需求不斷釋放，中國MEMS市場因此呈現(xiàn)良好發(fā)展態(tài)勢，占全球的市場份額也不斷提高。然而由于起步較晚，我國企業(yè)仍存在產(chǎn)能不足、核心技術(shù)欠缺等短板?？傮w而言，當前我國仍需在核心技術(shù)攻關(guān)、產(chǎn)業(yè)鏈配套水平提升等方面做工作，從根本上提升本土MEMS傳感器產(chǎn)業(yè)的核心競爭力。

4.1 設(shè)計

MEMS傳感器設(shè)計是一項集基礎(chǔ)理論、應(yīng)用技術(shù)以及諸如通信、化學(xué)、生物等學(xué)科交叉相關(guān)技術(shù)的復(fù)雜工作，涵蓋范圍廣，綜合性強，因此相比于傳統(tǒng)傳感器，MEMS傳感器產(chǎn)品線開發(fā)難度大，周期長，且成本一直居高不下。整體而言，我國在MEMS傳感器設(shè)計能力以及基礎(chǔ)研究等方面與國外先進水平仍存在一定差距。

設(shè)計能力方面，我國MEMS產(chǎn)業(yè)經(jīng)過20多年的發(fā)展，目前已經(jīng)涌現(xiàn)出歌爾股份、瑞聲科技、敏芯科技等龍頭企業(yè)，其中歌爾股份的MEMS麥克風(fēng)產(chǎn)品已經(jīng)進入蘋果、三星等國際一流廠商的供應(yīng)鏈，出貨量穩(wěn)居全球第二，且于2018年營收規(guī)模達到50億美元。但與霍尼韋爾、博世等國際龍頭廠商相比，我國企業(yè)仍存在產(chǎn)品線單一、整體規(guī)模偏小等問題，目前國內(nèi)除歌爾股份和瑞聲科技等少數(shù)龍頭企業(yè)外，其他企業(yè)年營收仍難以達到1億美元。

基礎(chǔ)研究方面，目前中國在商業(yè)化MEMS設(shè)計工具方面處于真空狀態(tài)，通常采用Coventorware、IntelliSuite和Ansys等國外工具進行MEMS仿真，并且缺乏優(yōu)質(zhì)的MEMS和ASIC設(shè)計服務(wù)(如IP庫等)，從而造成眾多MEMS設(shè)計公司的產(chǎn)品研發(fā)周期過長，且以模仿國外成熟產(chǎn)品為主，缺乏引領(lǐng)市場的創(chuàng)新產(chǎn)品，無法滿足日新月異的市場需求。

4.2 制造

MEMS制造工藝是集成電路IC制造工藝的一支，但與傳統(tǒng)IC制造工藝相比存在明顯差異。傳統(tǒng)IC制造的目的是在單位面積上集成盡可能多的晶體管，如英特爾最新i7處理器可集成數(shù)十億只晶體管，與之相比，MEMS傳感器件集成元件數(shù)量少、單個元件體積較大，因此MEMS制造工藝并非一味追求更小的制程節(jié)點與更高的集成度，而是更加注重材料的結(jié)構(gòu)機械特性、材質(zhì)化學(xué)特性以及刻蝕深度、精度、應(yīng)力控制等每一步工藝的準確實現(xiàn)。此外，由于MEMS器件中存在諸如懸臂梁等特殊結(jié)構(gòu)，因此相比于傳統(tǒng)的IC制造工藝，MEMS工藝存在更多實現(xiàn)難度較大的特殊技術(shù)，如深槽刻蝕、犧牲層釋放技術(shù)、LIGA工藝、鍵合技術(shù)等。

國內(nèi)主流的MEMS代工產(chǎn)線目前以6英寸和8英寸片為主，隨著近年來罕王科技、耐威科技等先進產(chǎn)線先后落地，我國的MEMS產(chǎn)能得到了一定程度的提升，且產(chǎn)能利用率也從2015年的不足20%提升到如今的80%以上。但目前我國產(chǎn)線僅能制備以壓力傳感器、MEMS麥克風(fēng)、加速度計等為主的低端產(chǎn)品，制造工藝水平與國際領(lǐng)先代工廠的差距明顯，諸如壓電材料(AlN、PZT等)等高端制造工藝線尚未建立，無法生產(chǎn)薄膜體聲波濾波器、壓電式噴墨打印頭和超聲波傳感器等產(chǎn)品。盡管中國MEMS代工廠也擁有體微加工技術(shù)、表面微加工技術(shù)和CMOS MEMS技術(shù)，但由于產(chǎn)品出貨量都比較小，因此在量產(chǎn)良率、可靠性和穩(wěn)定性等方面存在不足。

4.3 封裝

由于MEMS傳感器內(nèi)部存在可動部件或多個環(huán)境通路，因此傳統(tǒng)的IC封裝材料以及由封裝造成的應(yīng)力有可能對傳感器外部環(huán)境及其相鄰元件產(chǎn)生干擾。為將封裝對傳感器所產(chǎn)生的影響降至最低，MEMS封裝大多采用非標準工藝，導(dǎo)致MEMS封裝成本在傳感器制造環(huán)節(jié)中占總成本的比重達到40%以上。目前，MEMS傳感器多采用球柵陣列封裝BGA、倒裝球柵陣列封裝FC-BGA以及晶圓級封裝WLP等技術(shù)，其中倒裝式封裝仍是目前市場的主流，而晶圓級封裝由于具有體積小、成本低等優(yōu)勢，其市場規(guī)模正快速攀升。

目前，國產(chǎn)MEMS封裝產(chǎn)業(yè)在全球范圍內(nèi)處于相對領(lǐng)先的地位。我國MEMS傳感器封裝通常由傳統(tǒng)IC芯片封裝企業(yè)進行代工。當前，由長電科技、通富微電和華天科技組成的國內(nèi)封裝企業(yè)第一梯隊的先進封裝工藝占比均在50%以上，目前正致力于三維封裝、硅通孔TSV等第四代封裝關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)，且2019年三大廠商所占全球芯片封裝市場份額合計達到20.7%，中國大陸已成為僅次于中國臺灣(42%)的全球第二大芯片封裝基地。

4.4 測試

與傳統(tǒng)集成電路IC不同，傳感器測試通常需通過橋路檢測、零點檢測、激勵檢測和穩(wěn)定性檢測4種檢測。橋路檢測主要負責(zé)檢測傳感器外圍電路是否連通；零點檢測是指不加外加激勵的情況下，檢查傳感器輸出值是否超出技術(shù)指標；激勵檢測是在對產(chǎn)品外加激勵的條件下，根據(jù)傳感器輸出數(shù)據(jù)判斷產(chǎn)品的靈敏度、線性度、漂移、信噪比等指標；穩(wěn)定性檢測是在對產(chǎn)品施加過量激勵的情況下，判斷產(chǎn)品的抗沖擊、抗高溫、抗高壓等穩(wěn)定性能，保證產(chǎn)品在使用中不易損壞。

由于MEMS傳感器測試方法因器件種類而不同，因此各廠商通常采用自研測試設(shè)備的方式對自身產(chǎn)品進行測試，例如美新半導(dǎo)體和明皜傳感開發(fā)了加速度計測試設(shè)備，但總體而言國內(nèi)能夠量產(chǎn)高品質(zhì)MEMS測試設(shè)備的企業(yè)數(shù)量仍然較少，高端測試設(shè)備仍被國外龍頭企業(yè)壟斷。

5 我國MEMS傳感器產(chǎn)業(yè)發(fā)展建議

5.1 加強核心技術(shù)攻關(guān)

設(shè)計方面，積極探索采用分形理論、遺傳算法、小波變換、協(xié)同優(yōu)化、多Agent優(yōu)化等方法的多科學(xué)優(yōu)化MEMS器件設(shè)計方法，發(fā)展自主EDA軟件，以不斷提高產(chǎn)品性能、縮短設(shè)計周期和降低研制成本。制造方面，鼓勵國產(chǎn)MEMS廠商在本土設(shè)廠，不斷提升先進MEMS工藝產(chǎn)能與利用率，加大CMOS MEMS制造技術(shù)研發(fā)力度，逐漸實現(xiàn)高端MEMS產(chǎn)品自主化生產(chǎn)。封裝方面，持續(xù)支持長電科技、通富微電、華天科技等國內(nèi)龍頭企業(yè)在三維封裝、硅通孔TSV等第四代封裝技術(shù)的研發(fā)，不斷提升本土封裝企業(yè)先進封裝市場占比。

5.2 加強產(chǎn)業(yè)協(xié)同能力

支持以MEMS傳感器制造廠商為主體，建立設(shè)計仿真平臺和柔性制造模塊平臺，鼓勵上游材料、中游設(shè)計、制造以及下游應(yīng)用企業(yè)協(xié)同參與產(chǎn)品研發(fā)與定制，實現(xiàn)多種類產(chǎn)品柔性生產(chǎn)。加大封裝、測試廠商與制造代工廠之間的協(xié)同，針對不同種類MEMS傳感器制定適合的封裝工藝與測試方法，不斷提升產(chǎn)品可靠性與健壯性。

5.3 加大政策支持力度

鼓勵高校與企業(yè)開展合作，促進科研項目產(chǎn)業(yè)化，針對MEMS傳感器基礎(chǔ)理論研究、器件自主設(shè)計以及工藝研發(fā)等關(guān)鍵環(huán)節(jié)設(shè)立重點項目，為產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供相應(yīng)財政支持。出臺相關(guān)鼓勵政策，支持相關(guān)企業(yè)開展包括技術(shù)引進、公司并購以及學(xué)術(shù)交流等在內(nèi)的國際合作，鼓勵、支持先進MEMS制造、封裝、測試設(shè)備引進，促進國內(nèi)MEMS制造、封測能力快速提升。

6 結(jié)束語

MEMS傳感器技術(shù)產(chǎn)業(yè)已經(jīng)成為推動物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域不斷發(fā)展的關(guān)鍵動力，隨著傳感器種類的逐漸翻新、精度的不斷提升以及成本的快速下降，必將為物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)與應(yīng)用帶來翻天覆地的變化。我國在完善產(chǎn)業(yè)鏈各個環(huán)節(jié)的同時，需進一步加強產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同發(fā)展，支持基礎(chǔ)研發(fā)與人才培養(yǎng)，從技術(shù)、產(chǎn)業(yè)、政策多角度發(fā)力，為我國物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的繁榮打下良好基礎(chǔ)。