为什么MEMS是替代传感器的唯一选择？

微机电系统（Micro-Electro Mechanical System）是指尺寸在几毫米乃至更小的传感器装置，其内部结构一般在微米甚至纳米量级，是一个独立的智能系统。

简单理解， MEMS 就是将传统传感器的机械部件微型化后，通过三维堆叠技术，例如三维硅穿孔 TSV 等技术把器件固定在硅晶元（wafer）上，最后根据不同的应用场合采用特殊定制的封装形式， 最终切割组装而成的硅基传感器。 

诸如最典型的半导体发展历史：从 20 世纪初在英国物理学家弗莱明手下发明的第一个电子管，到 1943 年拥有 17468 个电子三极管的 ENIAC 和 1954 年诞生装有 800 个晶体管的计算机 TRADIC， 到 1954 年飞兆半导体发明了平面工艺使得集成电路可以量产， 从而诞生了 1964 年具有里程碑意义的首款使用集成电路的计算机 IBM 360。模拟量到数字化、 大体积到小型化以及随之而来的高度集成化，是所有近现代化产业发展前进的永恒追求，MEMS也不例外。

正因为 MEMS 拥有如此众多跨世代的优势， 目前来看我们认为其是替代传统传感器的唯一可能选择，也可能是未来构筑物联网感知层传感器最主要的选择之一。

1.微型化：MEMS 器件体积小， 一般单个 MEMS 传感器的尺寸以毫米甚至微米为计量单位， 重量轻、耗能低。同时微型化以后的机械部件具有惯性小、谐振频率高、响应时间短等优点。MEMS 更高的表面体积比（表面积比体积） 可以提高表面传感器的敏感程度。

2.硅基加工工艺，可兼容传统 IC 生产工艺：硅的强度、硬度和杨氏模量与铁相当，密度类似铝，热传导率接近钼和钨，同时可以很大程度上兼容硅基加工工艺。

3.批量生产：以单个 5mm*5mm 尺寸的 MEMS 传感器为例， 用硅微加工工艺在一片 8 英寸的硅片晶元上可同时切割出大约 1000 个 MEMS 芯片， 批量生产可大大降低单个 MEMS 的生产成本。

4.集成化：一般来说，单颗 MEMS 往往在封装机械传感器的同时， 还会集成ASIC 芯片，控制 MEMS 芯片以及转换模拟量为数字量输出。

同时不同的封装工艺可以把不同功能、不同敏感方向或致动方向的多个传感器或执行器集成于一体，或形成微传感器阵列、微执行器阵列，甚至把多种功能的器件集成在一起，形成复杂的微系统。

微传感器、微执行器和微电子器件的集成可制造出可靠性、稳定性很高的 MEMS。随着 MEMS 的工艺的发展，现在倾向于单个 MEMS 芯片中整合更多的功能， 实现更高的集成度。

例如惯性传感器 IMU（Inertialmeasurement unit） 中， 从最早的分立惯性传感器，到 ADI 推出的一个封装内中集成了三轴陀螺仪、加速度计、磁力计和一个压力传感器以及 ADSP-BF512Blackfin 处理器的 10 自由度高精度 MEMS 惯性测量单元。

5.多学科交叉：MEMS 涉及电子、机械、材料、制造、信息与自动控制、物理、化学和生物等多种学科，并集约了当今科学技术发展的许多尖端成果。MEMS 是构筑物联网的基础物理感知层传感器的最主要选择之一。

由于物联网特别是无线传感器网络对器件的物理尺寸、功耗、成本等十分敏感，传感器的微型化对物联网产业的发展至关重要。 

全球半导体产业中， PC 在主导产业 10 多年后， 已经逐渐让位于消费电子， 随着摩尔定律逐渐到达其瓶颈， 制程的进步已经渐近其物理极限。

根据 MonolithIC 3D 创办人 Zvi Or-Bach 的观点，在 28 纳米之后， 晶圆厂可以继续把晶体做得更小、但却无法更便宜， 对制程要求相对较低的物联网应用可能会成为成熟制程重要的下游产业应用。

就目前趋势来看， 高端制程在整个 IC 封装工艺中， 占比已经开始相对下降。先进制程节点元件的实际工程成本，已经证明对产业界大多数厂商来说都太昂贵；因此半导体产业确实已经分头发展，只有少数会追求微缩至 7 纳米，而大多数仍维持采用 28 纳米或更旧节点的设计。

未来可以预见未来大规模下游应用主要会以新的消费电子例如 AR/VR， 以及物联网例如智能驾驶、 智慧物流、 智能家居等。而传感器做为感知层，是不可或缺的关键基础物理层部分，物联网的快速发展，将会给 MEMS 行业带来巨大的发展红利。

物联网的系统架构主要包括三部分：感知层、传输层和应用层。

感知层的作用主要是获取环境信息和物与物的交互， 主要由传感器、 微处理器和 RF 无线收发器等组成；

传输层主要用于感知层之间的信息传递，由包括 NB IOT、Zig Bee、Thread、蓝牙等通讯协议组成；

应用层主要包括云计算、云存储、 大数据和数据挖掘以及人机交互等软件应用层面构成。感知层传感器处于整个物联网的最底层，是数据采集的入口，物联网的“心脏”， 有着巨大的发展空间。

物联网产业覆盖面广，小到手机，大到新能源汽车以及大量未联网的设备、终端都将联通，为市场带来万亿市值增长潜力。互联网、智能手机的出世推动了信息产业第二波浪潮，但目前已趋于成熟，增速较为平缓，而以传感网、物联网为代表的信息获取或信息感知正在推动信息产业进入第三次浪潮，物联网时代已经启动。

MEMS 没有一个固定成型的标准化的生产工艺流程， 每一款 MEMS 都针对下游特定的应用场合， 因而有独特的设计和对应的封装形式，千差万别。

MEMS 和传统的半导体产业有着巨大的不同， 她是微型机械加工工艺和半导体工艺的结合。 MEMS 传感器本身一般是个比较复杂的微型物理机械结构，并没有 PN 结。但同时单个 MEMS 一般都会集成 ASIC 芯片并植在硅晶圆片上， 再封装测试和切割，后道工艺流程又类似传统 COMS 工艺流程。

因此 MEMS 性能的提升很大程度上不会过分依赖于硅晶圆制程工艺的升级， 而更倾向于根据下游应用需求定制设计、对微型机械结构的优化、对不同材料的选择，实现每一款传感器的独特功能，因此也不存在传统半导体工艺晶圆厂不同世代的制程工艺升级路线图（ROAD MAP）。

MEMS 系统由传感器、信息处理单元、执行器和通讯/接口单元等组成。其输入是物理信号，通过传感器转换为电信号，经过信号处理（模拟的和/或数字的）后，由执行器与外界作用。

每一个微系统可以采用数字或模拟信号（电、光、磁等物理量）与其它微系统进行通信。MEMS 将电子系统与周围环境有机结合在一起，微传感器接收运动、光、热、声、磁等自然界信号，信号再被转换成电子系统能够识别、处理的电信号，部分 MEMS 器件可通过微执行器实现对外部介质的操作功能。

MEMS 产业链类似于传统半导体产业，主要包括了四大部分：前端 fabless 设计环节、 ODM 代工晶圆厂生产环节、 封装测试到下游最终应用的四大环节。

全球前十名 MEMS 厂商主要包括博世、意法半导体、惠普、德州仪器、佳能、InvenSense、 Avago 和 Qorvo、 楼氏电子、松下等等。其中 BOSCH 因为其在汽车电子和消费电子的双重布局，牢牢占据着行业的第一的位置，其营收约占五大公司合计营收的三分之一。

基于之前阐述的 MEMS 本身区别于传统 IC 产业特征， 我们认为行业的核心门槛在于两点：设计理念和封测工艺。

前者不仅仅包括对传统 IC 设计的理解，更需要包括多学科的综和，例如微观材料学、力学、 化学等等。原因是因为内部涉及机械结构，空腔，和不同的应用场景，如导航，光学，物理传感等。

1） MEMS 封装将会向标准化演进， 模块平台标准化意味着更快的反应速度。

根据 Amkor 公司的观点， MEMS 的整合正在向标准化、 平台化演进。从之前众多分散复杂的封装形式（Discrete Packaging）逐渐演化到以密封模压封装（Overmolded）、集成电路便面裸露封装（Exposed Die Surface）、空腔封装（Cavity Package） 这三种载体为主的封装形式。

2） SIP（System In Package） 系统级的高度集成化会是 MEMS 未来在互联网应用场合的主要承载形式。

随着下游最重要的应用场景物联网的快速发展， MEMS 在 IOT 平台的产品未来会逐渐演化到 SIP 封装就显得尤为重要。往往单个 MEMS 模块会集成包括 MCU（Microcontroller Unit）、 RF 模块（Radio Frequenc，例如蓝牙， NB IOT 发射模块） 和 MEMS 传感器等多个功能部分。

系统级的封装带来的同样是快速响应速度和及时的产品更新换代，这对于消费电子产品来说极端重要。目前很多代工厂或者封装厂例如 Amkor 都在推广标准化的 IOT MEMS 平台产品。

而采用的封装形式主要会以空腔封装 （Cavity Package）和混合空腔封装 （HybirdCavity Package）。

3）未来 MEMS 产品可能会逐渐演变为低端、中端和高端三类。

低端 MEMS 主要应用于消费电子类产品如智能手机、平板电脑等。中端 MEMS 主要应用于GPS 辅 助导 航 系 统 、工 业 自 动 化 、 工 程 机械 等 工 业 领 域 。根据 Yole Developpment 报告，作为智能感知时代的重要硬件基础， 2014 年中低端MEMS 传感器市场规模达到 130 亿美元，预计到 2018 年，中低端 MEMS 市场产值将以 12%～13%的复合增长率增长至 225 亿美元。

在今后 5 到 10 年内随着 MEMS 技术的成熟，以智能手机以及平板电脑为主要应用对象的低端MEMS 市场利润将逐渐下降，但未来在可穿戴设备、物联网领域还有一定机遇；以工业、医疗及汽车为应用对象的中端 MEMS 还将持续提供增长和盈利；未来以工业 4.0 和国防军工市场也应用对象的高端 MEMS 将为带来显著的超额收益。

据市场研究机构预测，高端 MEMS 市场在 2016 年~2021 年的其年复合增长达到 13.4%，而同期全球 MEMS 市场的复合年增长率仅为 8.9%，其中军事航天、高端医疗电子和工业 4.0 应用四个领域将会占未来高端 MEMS 市场营收的 80%。