MEMS:万物智联技术关键

战略前沿技术 2019-03-24
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来源:Research

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

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图 2 典型的MEMS 系统示意图

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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

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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

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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

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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

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图 7 MEMS 产业链

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(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

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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

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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
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(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

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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)

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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

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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

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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
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(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

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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

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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

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图 19 其他研究成果中的封测成本占比数据

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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

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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

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图 22 MEMS 的主要应用领域

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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

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表 1 全球头部MEMS 厂商的主要情况
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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

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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

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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

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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

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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

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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

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图 30 MEMS 多功能融合

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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

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