MEMS行业将面对哪些困难？如何克服？_技术

　　物联网的出现给MEMS（微机电系统）传感器带来了新的机会，但芯片厂商面对新机会却非常谨慎。

　　造成这种局面的原因有几个。MEMS系统在设计、制造与测试上都有难点，像模拟产品设计一样，市场要求MEMS产品性能出色。MEMS芯片都是为某种应用定制的产品，这些由可动的微机械部件与高级电子控制部件构成的MEMS芯片很多都是工程奇迹。

　　然而，产品的价格并不与产品的重要性或者开发难度成正比。以加速度计、陀螺仪以及容式触摸屏传感器为例，这些传感器如今被广泛应用在智能手机当中，大的手机厂商很容易利用一个小供应商来压低另一家供应商的价格。虽然这些传感器出货量巨大，但是平均售价也在直线下跌。

　　“从陀螺仪和加速度计来看，价格每季度下跌３％至５％，”应用材料技术８英寸线事业部市场总监Mike Rosa说，“不少MEMS行业的企业家谈论及目前的困境。系统厂商对于MEMS产品需求量很大，但是它们已经把价格杀到MEMS厂商难以为继的地步。何况每一代新产品，并不随价格下降而在制造上变得容易。”

　　Mike的观点得到了晶圆代工厂的响应，“现在是MEMS产业的困难时期，”联电商业管理副总裁Walter Ng说，“MEMS产品都是定制化开发，但系统厂商要求通用商品级的价格。如果把价格压低到商品级，那么MEMS生意将很难做，所以现在业界在推动MEMS产品的标准化。但即便MEMS产品标准化了，仍然会存在很多定制化工艺的需求。”

　　因为没有足够的利润支撑，价格压力或使出货量最大的MEMS产品失去创新的动力，并驱动MEMS厂商去寻找成本压力较小的市场，“MEMS市场的新机会是MEMS麦克风（又称硅麦），对于录音要求较高的场合通常会使用多颗硅麦，”Coventor工程副总裁 Stephen Breit说，“我们也看到市场对于微超声波传感器在指纹识别与手势探测方面的应用需求，微超声波传感器比电容式MEMS传感器容忍噪声的能力更强，在汽车上该类型传感器的应用也很广泛，例如安全功能。”

　　什么是MEMS器件

　　顾名思义，MEMS（微机电系统）就是由将机械部件和电子部件组合在一起的一个系统产品。MEMS可以包含一些可动部件，但是有的MEMS也不含可动部件。MEMS产品有的非常简单，有的特别复杂。

　　2006年之前，除了汽车气囊与喷墨打印机墨盒之外，很少见到MEMS产品在其他市场的应用。2006年任天堂首先把加速度计引入到其游戏机Wii中，随后MEMS市场开始爆发，包括智能手机在内的各种移动设备都可以找到MEMS产品的应用。

　　在如今的智能手机中，从微阀（microvalve）、微镜（micromirror）、用于麦克风的压力传感器到可以测量血液的片上实验室（labs-on-chip），到处都可以找到MEMS芯片。

　　MEMS产品通常用比较成熟的工艺就可以制造，但是有些技术要用到先进工艺。MEMS产品用到的先进工艺包括各种类型的沉积方法（CVD、PVD、低压CVD以及ALD），各种类型的光刻技术，以及包括深层离子刻蚀在内的多种蚀刻方法。MEMS用到的材料包括SOI衬底与钪薄膜（scandium thin film）。

　　MEMS芯片大致可以分为一下四类：

　　容式。该类型技术可用于侦测任何导电信号。触摸屏和指纹传感器用到的容式MEMS技术。

　　陀螺仪式。该类型器件用一个旋转的器件探测任何方向上的加速度。

　　压电式。压电式器件将机械压力转换为电信号，这种薄膜器件刚开始推广，业界期望压电式MEMS器件可用在包括能量收集在内的多种应用上。

　　激光式。激光MEMS器件仍在开发阶段，该类型器件可以为不同应用微调激光，汽车大灯或声光滤波器是典型应用场景。

　　根据MNX（MEMS and Nanotechnology Exchange，一家MEMS代工厂）的定义，通常一个MEMS系统包含四种基本元器件：微型传感器、微型执行器、微电子与微架构。

　　开发一款MEMS产品要综合考虑价格因素（影响研发与制造）、技术成熟度以及具体应用所需的性能。

　　新方法

　　MEMS在手机市场应用越来越广泛，物联网的应用市场前景更为广阔，因为物联网应用都需要传感器，其中很多就是MEMS传感器。一些MEMS产品会被标准化，成为商品级产品从而降价，另外一些则会在性能上要求更多。

　　“有五种MEMS产品年销售超过10亿颗，年销售额也超过了10亿美元，硅麦克风就是其中之一，”应用材料的Mike Rosa说，“硅麦克风守住了毛利率底线。一部手机可以有很多功能，但是如果麦克风坏了那就成为一块砖头。硅麦克风性能的提升也带来了开发新应用的可能，例如在汽车噪音消除方面就有很多新方向。”

　　他提到MEMS麦克风正在从容式改为压电式，采用新材料的硅麦克风性能得到了提升。

　　SOI也是这样的材料。采用SOI材料的晶圆更厚，这样在加工上比较容易，从而可以降低成本。一些早期的MEMS芯片使用的晶圆只有2到4微米厚。

　　“MEMS传感器还有很大的性能提升空间，特别是工业与军事应用领域，即使是惯性传感器也有空间提升，”Conventor的Breit说，“对于消费电子来说，现在的技术已经‘足够好’了。不过物联网与可穿戴产品通常要求更小的尺寸，这样才能放入最终产品里去。”

　　测试

　　测试MEMS器件需要不同的方法，因为有些MEMS芯片包含可动作的机械器件，测试时需要摇动器件来测试移动范围与结构的一致性，但是这种测试各自有相应的问题，例如成本。

　　“用大型ATE设备测试成本敏感型MEMS器件有点像大炮打蚊子，并不适合，”NI首席市场开发经理 Joey Tun说，“不过现在已经有一点标准化的趋势，每一个半导体公司都把MEMS当作重要的IP资产，并开发自己的测试方案。与传统测试方法完全不同，需要很多垂直领域的知识。”

　　Tun表示仅MEMS封装本身就可能会需要线性加速测试或旋转测试，当然芯片公司可以基于公开平台来定制化自己的测试需求。

　　“用户决定MEMS器件如何测试，”他说，“例如，汽车级产品就对测试要求严格得多。现在，测试成本占了MEMS产品的成本的30%至50%。虽然测试成本有下降的趋势，但物理世界还是给测试造成了很多麻烦。物理刺激（physical sTImulus）有其本身的不确定性，需要微调和校正，但如果真对物理刺激进行微调，还是非常花时间的。”

　　技术提高

　　为满足新一代射频滤波器与压电式MEMS（用于喷墨打印机）的需求，人们开始把钪和掺杂氮化铝等新材料引入到MEMS中，因此微调和测试在MEMS产业中变得越来越普遍。

　　“喷墨打印机最开始采用溶剂型墨水，现在采用腊型（wax-based）墨水，”应用材料的Rosa说，“要让腊在100℃融化，才能喷射出去。但是要喷射更粘稠的材料，需要采用一个能输出高压力的致动器（actuator），压电致动器就是可输出这种高压力的器件。”

　　Rosa表示在射频滤波器与指纹识别传感器中，采用钪材料的情况越来越普遍，这些器件中钪的浓度在5%到40%左右，每5%的浓度相当于1分贝信噪比。“射频滤波器的频率响应曲线基本是个钟形，钪材料可以让频响曲线的两边更为陡峭，所以提高了信噪比。”

　　目前为止，几乎所有的MEMS都是由8英寸晶圆产线制造的。不过由于汽车电子与物联网需求的不断攀升，导致8英寸产线利用率极高，晶圆代工厂开始考虑能否用12英寸晶圆制造MEMS，是否可行还要看是否12英寸MEMS有足够的利润率以保证投资能够收回来。

　　“在MEMS制造中，工艺尺寸缩小与流程复用很多时候并不适用，因为其是非标准化的，”联电的Ng说，“在一些特殊应用方面我们成功了，出货量大，也有规模经济效应。但是有些MEMS器件的生产制造还存在不少挑战，它们体积很小，用量又不多。由于芯片面积小，所以每个月用到的晶圆数量不大。”

　　然而，8英寸晶圆存在一些局限。用8英寸晶圆制造的陀螺仪放不下大侧壁（sidewall），采用12英寸晶圆就可以解决这个问题。Rosa表示，因为现在把ASIC（专用集成电路，很多是12英寸工艺）和MEMS芯片放在一起加工的情况越来越多，因此把两片12英寸晶圆绑定在一起越来越简单，成本也越来越低。

　　“ASIC正在变得越来越复杂，开发人员在努力把更多的功能集成到一颗芯片上，”Rosa说，“在MEMS行业我们看到三个趋势：驱动器件的新器件、现有器件的新应用以及持续的价格下跌。MEMS公司必须在价格策略方面更具创意。”

　　这些更具创意的策略包括晶圆绑定、将ASIC和MEMS封在一个先进封装里面，或者直接用CMOS工艺制造MEMS，从而将ASIC与MEMS封装成单颗芯片。

　　结论

　　毫无疑问，MEMS在很多市场扮演越来越重要的角色。压力和运动传感器是物联网和联网设备的关键部件，MEMS是一项核心技术。

　　但由于MEMS产品的价格下跌无法阻止，未来几年整个MEMS市场规模可能停滞在现在的水平。除非通过足够多的并购使得市场上只剩巨头玩家，或者开发出新的需求使得供不应求，这样才有可能保证足够高的投资回报率，并让MEMS企业有资金投入到新技术与新工艺的开发。