MEMS行業(yè)困難重重

物聯(lián)網(wǎng)的出現(xiàn)給 MEMS（微機電系統(tǒng)）傳感器帶來了新的機會，但芯片廠商面對新機會卻非常謹(jǐn)慎。

造成這種局面的原因有幾個。MEMS 系統(tǒng)在設(shè)計、制造與測試上都有難點，像模擬產(chǎn)品設(shè)計一樣，市場要求 MEMS 產(chǎn)品性能出色。MEMS 芯片都是為某種應(yīng)用定制的產(chǎn)品，這些由可動的微機械部件與高級電子控制部件構(gòu)成的 MEMS 芯片很多都是工程奇跡。

然而，產(chǎn)品的價格并不與產(chǎn)品的重要性或者開發(fā)難度成正比。以加速度計、陀螺儀以及容式觸摸屏傳感器為例，這些傳感器如今被廣泛應(yīng)用在智能手機當(dāng)中，大的手機廠商很容易利用一個小供應(yīng)商來壓低另一家供應(yīng)商的價格。雖然這些傳感器出貨量巨大，但是平均售價也在直線下跌。

“從陀螺儀和加速度計來看，價格每季度下跌３％至５％，”應(yīng)用材料技術(shù)８英寸線事業(yè)部市場總監(jiān) Mike Rosa 說，“不少 MEMS 行業(yè)的企業(yè)家談?wù)摷澳壳暗睦Ь?。系統(tǒng)廠商對于 MEMS 產(chǎn)品需求量很大，但是它們已經(jīng)把價格殺到 MEMS 廠商難以為繼的地步。何況每一代新產(chǎn)品，并不隨價格下降而在制造上變得容易。”

Mike 的觀點得到了晶圓代工廠的響應(yīng)，“現(xiàn)在是 MEMS 產(chǎn)業(yè)的困難時期，”聯(lián)電商業(yè)管理副總裁 Walter Ng 說，“MEMS 產(chǎn)品都是定制化開發(fā)，但系統(tǒng)廠商要求通用商品級的價格。如果把價格壓低到商品級，那么 MEMS 生意將很難做，所以現(xiàn)在業(yè)界在推動 MEMS 產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化。但即便 MEMS 產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化了，仍然會存在很多定制化工藝的需求。”

因為沒有足夠的利潤支撐，價格壓力或使出貨量最大的 MEMS 產(chǎn)品失去創(chuàng)新的動力，并驅(qū)動 MEMS 廠商去尋找成本壓力較小的市場，“MEMS 市場的新機會是 MEMS 麥克風(fēng)（又稱硅麥），對于錄音要求較高的場合通常會使用多顆硅麥，”Coventor 工程副總裁 Stephen Breit 說，“我們也看到市場對于微超聲波傳感器在指紋識別與手勢探測方面的應(yīng)用需求，微超聲波傳感器比電容式 MEMS 傳感器容忍噪聲的能力更強，在汽車上該類型傳感器的應(yīng)用也很廣泛，例如安全功能。”

什么是 MEMS 器件

顧名思義，MEMS（微機電系統(tǒng)）就是由將機械部件和電子部件組合在一起的一個系統(tǒng)產(chǎn)品。MEMS 可以包含一些可動部件，但是有的 MEMS 也不含可動部件。MEMS 產(chǎn)品有的非常簡單，有的特別復(fù)雜。

2006 年之前，除了汽車氣囊與噴墨打印機墨盒之外，很少見到 MEMS 產(chǎn)品在其他市場的應(yīng)用。2006 年任天堂首先把加速度計引入到其游戲機 Wii 中，隨后 MEMS 市場開始爆發(fā)，包括智能手機在內(nèi)的各種移動設(shè)備都可以找到 MEMS 產(chǎn)品的應(yīng)用。

在如今的智能手機中，從微閥（microvalve）、微鏡（micromirror）、用于麥克風(fēng)的壓力傳感器到可以測量血液的片上實驗室（labs-on-chip），到處都可以找到 MEMS 芯片。

MEMS 產(chǎn)品通常用比較成熟的工藝就可以制造，但是有些技術(shù)要用到先進(jìn)工藝。MEMS 產(chǎn)品用到的先進(jìn)工藝包括各種類型的沉積方法（CVD、PVD、低壓 CVD 以及 ALD），各種類型的光刻技術(shù)，以及包括深層離子刻蝕在內(nèi)的多種蝕刻方法。MEMS 用到的材料包括 SOI 襯底與鈧薄膜（scandium thin film）。

MEMS 芯片大致可以分為一下四類：

• 容式。該類型技術(shù)可用于偵測任何導(dǎo)電信號。觸摸屏和指紋傳感器用到的容式 MEMS 技術(shù)。
• 陀螺儀式。該類型器件用一個旋轉(zhuǎn)的器件探測任何方向上的加速度。
• 壓電式。壓電式器件將機械壓力轉(zhuǎn)換為電信號，這種薄膜器件剛開始推廣，業(yè)界期望壓電式 MEMS 器件可用在包括能量收集在內(nèi)的多種應(yīng)用上。
• 激光式。激光 MEMS 器件仍在開發(fā)階段，該類型器件可以為不同應(yīng)用微調(diào)激光，汽車大燈或聲光濾波器是典型應(yīng)用場景。

根據(jù) MNX（MEMS and Nanotechnology Exchange，一家 MEMS 代工廠）的定義，通常一個 MEMS 系統(tǒng)包含四種基本元器件：微型傳感器、微型執(zhí)行器、微電子與微架構(gòu)。

開發(fā)一款 MEMS 產(chǎn)品要綜合考慮價格因素（影響研發(fā)與制造）、技術(shù)成熟度以及具體應(yīng)用所需的性能。

新方法

MEMS 在手機市場應(yīng)用越來越廣泛，物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用市場前景更為廣闊，因為物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用都需要傳感器，其中很多就是 MEMS 傳感器。一些 MEMS 產(chǎn)品會被標(biāo)準(zhǔn)化，成為商品級產(chǎn)品從而降價，另外一些則會在性能上要求更多。

“有五種 MEMS 產(chǎn)品年銷售超過 10 億顆，年銷售額也超過了 10 億美元，硅麥克風(fēng)就是其中之一，”應(yīng)用材料的 Mike Rosa 說，“硅麥克風(fēng)守住了毛利率底線。一部手機可以有很多功能，但是如果麥克風(fēng)壞了那就成為一塊磚頭。硅麥克風(fēng)性能的提升也帶來了開發(fā)新應(yīng)用的可能，例如在汽車噪音消除方面就有很多新方向。”

他提到 MEMS 麥克風(fēng)正在從容式改為壓電式，采用新材料的硅麥克風(fēng)性能得到了提升。

SOI 也是這樣的材料。采用 SOI 材料的晶圓更厚，這樣在加工上比較容易，從而可以降低成本。一些早期的 MEMS 芯片使用的晶圓只有 2 到 4 微米厚。

“MEMS 傳感器還有很大的性能提升空間，特別是工業(yè)與軍事應(yīng)用領(lǐng)域，即使是慣性傳感器也有空間提升，”Conventor 的 Breit 說，“對于消費電子來說，現(xiàn)在的技術(shù)已經(jīng)‘足夠好’了。不過物聯(lián)網(wǎng)與可穿戴產(chǎn)品通常要求更小的尺寸，這樣才能放入最終產(chǎn)品里去。”

測試

測試 MEMS 器件需要不同的方法，因為有些 MEMS 芯片包含可動作的機械器件，測試時需要搖動器件來測試移動范圍與結(jié)構(gòu)的一致性，但是這種測試各自有相應(yīng)的問題，例如成本。

“用大型 ATE 設(shè)備測試成本敏感型 MEMS 器件有點像大炮打蚊子，并不適合，”NI 首席市場開發(fā)經(jīng)理 Joey Tun 說，“不過現(xiàn)在已經(jīng)有一點標(biāo)準(zhǔn)化的趨勢，每一個半導(dǎo)體公司都把 MEMS 當(dāng)作重要的 IP 資產(chǎn)，并開發(fā)自己的測試方案。與傳統(tǒng)測試方法完全不同，需要很多垂直領(lǐng)域的知識。”

Tun 表示僅 MEMS 封裝本身就可能會需要線性加速測試或旋轉(zhuǎn)測試，當(dāng)然芯片公司可以基于公開平臺來定制化自己的測試需求。

“用戶決定 MEMS 器件如何測試，”他說，“例如，汽車級產(chǎn)品就對測試要求嚴(yán)格得多?，F(xiàn)在，測試成本占了 MEMS 產(chǎn)品的成本的 30%至 50%。雖然測試成本有下降的趨勢，但物理世界還是給測試造成了很多麻煩。物理刺激（physical stimulus）有其本身的不確定性，需要微調(diào)和校正，但如果真對物理刺激進(jìn)行微調(diào)，還是非常花時間的。”

技術(shù)提高

為滿足新一代射頻濾波器與壓電式 MEMS（用于噴墨打印機）的需求，人們開始把鈧和摻雜氮化鋁等新材料引入到 MEMS 中，因此微調(diào)和測試在 MEMS 產(chǎn)業(yè)中變得越來越普遍。

“噴墨打印機最開始采用溶劑型墨水，現(xiàn)在采用臘型（wax-based）墨水，”應(yīng)用材料的 Rosa 說，“要讓臘在 100℃融化，才能噴射出去。但是要噴射更粘稠的材料，需要采用一個能輸出高壓力的致動器（actuator），壓電致動器就是可輸出這種高壓力的器件。”

Rosa 表示在射頻濾波器與指紋識別傳感器中，采用鈧材料的情況越來越普遍，這些器件中鈧的濃度在 5%到 40%左右，每 5%的濃度相當(dāng)于 1 分貝信噪比。“射頻濾波器的頻率響應(yīng)曲線基本是個鐘形，鈧材料可以讓頻響曲線的兩邊更為陡峭，所以提高了信噪比。”

目前為止，幾乎所有的 MEMS 都是由 8 英寸晶圓產(chǎn)線制造的。不過由于汽車電子與物聯(lián)網(wǎng)需求的不斷攀升，導(dǎo)致 8 英寸產(chǎn)線利用率極高，晶圓代工廠開始考慮能否用 12 英寸晶圓制造 MEMS，是否可行還要看是否 12 英寸 MEMS 有足夠的利潤率以保證投資能夠收回來。

“在 MEMS 制造中，工藝尺寸縮小與流程復(fù)用很多時候并不適用，因為其是非標(biāo)準(zhǔn)化的，”聯(lián)電的 Ng 說，“在一些特殊應(yīng)用方面我們成功了，出貨量大，也有規(guī)模經(jīng)濟效應(yīng)。但是有些 MEMS 器件的生產(chǎn)制造還存在不少挑戰(zhàn)，它們體積很小，用量又不多。由于芯片面積小，所以每個月用到的晶圓數(shù)量不大。”

然而，8 英寸晶圓存在一些局限。用 8 英寸晶圓制造的陀螺儀放不下大側(cè)壁（sidewall），采用 12 英寸晶圓就可以解決這個問題。Rosa 表示，因為現(xiàn)在把 ASIC（專用集成電路，很多是 12 英寸工藝）和 MEMS 芯片放在一起加工的情況越來越多，因此把兩片 12 英寸晶圓綁定在一起越來越簡單，成本也越來越低。

“ASIC 正在變得越來越復(fù)雜，開發(fā)人員在努力把更多的功能集成到一顆芯片上，”Rosa 說，“在 MEMS 行業(yè)我們看到三個趨勢：驅(qū)動器件的新器件、現(xiàn)有器件的新應(yīng)用以及持續(xù)的價格下跌。MEMS 公司必須在價格策略方面更具創(chuàng)意。”

這些更具創(chuàng)意的策略包括晶圓綁定、將 ASIC 和 MEMS 封在一個先進(jìn)封裝里面，或者直接用 CMOS 工藝制造 MEMS，從而將 ASIC 與 MEMS 封裝成單顆芯片。

結(jié)論

毫無疑問，MEMS 在很多市場扮演越來越重要的角色。壓力和運動傳感器是物聯(lián)網(wǎng)和聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的關(guān)鍵部件，MEMS 是一項核心技術(shù)。

但由于 MEMS 產(chǎn)品的價格下跌無法阻止，未來幾年整個 MEMS 市場規(guī)?？赡芡诂F(xiàn)在的水平。除非通過足夠多的并購使得市場上只剩巨頭玩家，或者開發(fā)出新的需求使得供不應(yīng)求，這樣才有可能保證足夠高的投資回報率，并讓 MEMS 企業(yè)有資金投入到新技術(shù)與新工藝的開發(fā)。

至少現(xiàn)在來看，很多公司仍然在權(quán)衡將來的策略，這些公司仍然在設(shè)計制造大量的 MEMS 芯片，但是未來幾年會怎樣，誰也說不清。