摘要：MEMS行业正在寻找下一个创新热点。惯性传感器、磁力计、压力传感器、麦克风、滤波器等MEMS器件已经商品化。如今，这个行业正处于过渡阶段，人们都在猜测下一个爆品会是什么。是自动驾驶汽车的传感器？还是生物反馈器件和人机交互接口？又亦或是用于耳机和助听器的微型ME

MEMS行业正在寻找下一个创新热点。惯性传感器、磁力计、压力传感器、麦克风、滤波器等MEMS器件已经商品化。如今，这个行业正处于过渡阶段，人们都在猜测下一个爆品会是什么。是自动驾驶汽车的传感器？还是生物反馈器件和人机交互接口？又亦或是用于耳机和助听器的微型MEMS扬声器？可能性很多，但还没有人知道哪种技术会成为真正的十亿美元机遇。

在最近的慕尼黑MEMS和成像传感器峰会上，MEMS设计和开发公司A.M. Fitzgerald & Associates的创始人Alissa Fitzgerald分享了她对推动MEMS行业近期增长和机遇的不断发展的架构和材料的见解。

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压电MEMS

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Technology

与传统的电容式MEMS器件相比，压电式MEMS器件具有卓越的性能和制造效率。压电薄膜，尤其是PZT压电薄膜，构成了压电式麦克风和微镜、图像稳定执行器和超声换能器等高增长MEMS产品的新基础，据Yole Group称，到2029年，压电式MEMS器件将占所有MEMS晶圆产量的30%。

“我相信压电薄膜将取代电容梳状驱动技术。" Fitzgerald说，“2017-2018年，我们首次看到MEMS代工厂能够可靠、稳定地制造这些压电薄膜材料，而这正是这些压电MEMS器件实现量产的原因。我们的材料变得非常好，MEMS代工厂可以提供，新设计也在不断涌现。”

由于客户对压电式MEMS器件的需求持续增长，而北美地区获得商用薄膜PZT代工厂的机会有限，A.M. Fitzgerald已与日本代工服务公司MEMS Infinity结成联盟。该联盟提供从设计到生产的一体化服务，旨在从第一天起就利用成熟的工艺加速MEMS产品上市。

“A.M. Fitzgerald正在提供设计流程开发，MEMS Infinity的代工厂可以采用早期（即TRL 5或6）技术并帮助客户使其成熟，我们相信这将加快压电式MEMS器件的上市时间。“Fitzgerald 说。“当我们开发MEMS器件并将其转让给MEMS代工厂时，通常会有一个重新设计期，这是因为我们必须根据MEMS代工厂的工具集调整设计。通过集成的压电MEMS开发，我们正在为MEMS代工厂的工具集进行设计，因此我们消除了开发过程中涉及的大量时间和金钱，这是一个非常成功的模式。”

来源|A.M. Fitzgerald & Associates

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集成MEMS

Fitzgerald强调了MEMS器件日益增长的复杂性和集成性。“最早的 MEMS传感器相当简单——你可以使用模拟电路读数来获取数据，而无需进行太多数据处理。”她解释说，“快进20年，我们现在正在应用强大的计算能力来分析传感器数据，例如人工智能（AI）。”

这种转变是由数据传输的效率和相关性需求推动的。现在，系统设计为仅传输关键信息，例如是否超过阈值或是否发生了特定事件。正如 Fitzgerald所指出的：“你不能再只销售一颗MEMS芯片——你必须销售整个系统（包括MEMS、IC和软件算法），因为智能传感器正在流行。”

博世（Bosch）和意法半导体（STMicroelectronics）等大型企业已经利用这一趋势，提供将MEMS芯片与IC芯片和软件集成的完整解决方案。虽然她的公司目前专注于MEMS芯片开发，但Fitzgerald认为扩展到IC和软件集成是向前迈出的自然一步，并补充说：“产品集成度越高，您可以获得的价值就越高。”

在3D异构集成方面，MEMS和IC技术的融合正在展开，尤其是在3D IC开发方面。Fitzgerald说：“在许多方面，IC领域开始采用一些MEMS技术，例如TSV （硅通孔）、TGV（玻璃通孔）。”

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硅光子MEMS

人们对集成光子学和MEMS的兴趣显著增长，其中硅光子学在过去六个月中经历了显著的激增过程。在美国硅谷，数据中心被认为是这一趋势背后的关键驱动力。Fitzgerald强调了在数据中心用光纤取代铜电缆的节能潜力，估计电能消耗可减少30%。然而，这种转变需要MEMS微镜、光学交叉连接器和光调制器等支持技术，这些创新最初是在2000年代初的光通信繁荣期间开发的。“现在，25年过去了，我们再次需要这些技术。”Fitzgerald说，并幽默地补充说，“3D IC开发人员正在进入MEMS领域并采用合适的技术，而机械应力、热量和变形影响等挑战长期以来一直是核心问题。”

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3D打印MEMS

作为一名机械工程师，Fitzerald说她对3D打印很感兴趣，并且年复一年地跟踪线宽的缩小情况。“增材技术在线宽和材料方面越来越接近MEMS制造的能力，在未来5到10年内，我们可能会开始利用3D打印制造MEMS器件，而不是采用基于晶圆的光刻工艺。”她说。

3D打印技术的发展有望改变MEMS制造，尤其是随着金属、电介质和半导体等多种材料的集成。这些进步可以实现直接进行3D打印，从而简化MEMS器件小批量应用的生产。目前，由于掩模工作、工艺开发和MEMS代工厂设置，进行小批量的MEMS器件生产（例如每年10,000颗芯片）的成本很高。而通过3D打印消除光刻技术将大大降低成本、加快MEMS器件原型制作速度并缩短交付时间。虽然距离完全强大的多材料3D打印机还有5到10年的时间，但3D打印已经被探索为向MEMS晶圆添加材料的后端工艺。

Fitzerald继续说道：“有许多企业每年需要不到100,000颗芯片，甚至少于10,000颗芯片，也就是说只要100片晶圆，甚至50片晶圆这样。对于MEMS代工厂来说，这不是一件好事，但对于像我这样的公司来说，这可能是一个机会。”

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MEMS市场分散

MEMS市场仍然高度分散，尽管取得了一些显著的成功，但过去几年对许多MEMS参与者来说仍然充满挑战。根据Yole Group的数据，博世2023年以近20亿美元的销售额引领市场。“我们有大约五家公司的销售额超过5亿美元，而大多数其他公司都低于这个数字，销售额不到1亿美元。”Yole Group创始人兼首席执行官Jean-Christophe Eloy在最近的MEMS和成像传感器峰会上发表主题演讲时说。

MEMS市场这种分散性源于：（1）MEMS应用的广泛性：横跨消费、汽车、医疗、工业、航空航天、国防军工等领域；（2）MEMS器件的多样性，包括惯性传感器、压力传感器、麦克风、环境传感器、超声换能器、滤波器等；（3）传感原理及技术的多样性。

A.M. Fitzgerald的客户通常分为两类：（1）大公司向A.M. Fitzgerald寻求为特定产品量身定制的MEMS解决方案。这通常涉及到工程设计，有时使用成熟MEMS技术，以满足精确的规格要求。（2）初创公司会带来新兴技术，通常是TRL 3或4级技术，A.M. Fitzgerald团队会帮助他们将新兴技术成熟化，以便进行量产制造。博世和意法半导体专注于消费和汽车市场，而A.M. Fitzgerald则主要服务于医疗、科学仪器和特种市场。

根据Yole Group的数据，由于消费电子产品放缓和更广泛的经济周期，全球MEMS市场在2023年同比下降3%，至146亿美元。当被问及A.M. Fitzgerald是否感受到了这次MEMS市场收缩的影响时，Fitzgerald承认了挑战：“是的，我们感受到了MEMS市场收缩。幸运的是，我们的营收没有收缩，但我们看到项目启动速度明显放缓。”

Fitzgerald解释说，许多MEMS客户推迟了项目的启动，通常推迟了两到四个月，理由是在经济不确定性的情况下，决策部门决定推迟新项目的投资。虽然这些项目中的大多数最终都恢复了，但2023年1月至2024年6月期间的特点是MEMS客户频繁的延误和犹豫。Fitzgerald指出：“当经济形势不明朗时，由于资源和资金有限，新项目研发往往首先被暂停。”

据Yole Group称，MEMS产业在2023年共制造了近400万片MEMS晶圆，预计到2029年的产量将增加到500万片MEMS晶圆。其中约60%的产量来自西方国家（北美和欧洲），19%来自日本，其余在大中华区和东南亚（包括马来西亚和新加坡）。尽管存在回流西方国家趋势，但预计中国大陆将在未来几年扩大MEMS制造市场份额。

然而，Fitzgerald评论道：“中国现在对我们来说相当不可触及，部分原因是美国的地缘政治地位。与六、七年前相比，现在的规则已经发生了重大变化，对于我们这种规模的公司来说，这太复杂了，所以我们只能回避。”

来源：全产业链研究