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中国信通院 | MEMS传感器技术产业与我国发展路径研究

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本文来自《信息通信技术与政策》杂志,是工业和信息化部主管、中国信息通信研究院主办的专业学术期刊,两位作者均为中国信息通信研究院信息化与工业化融合研究所研究员。

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文中指出商业化MEMS设计工具方面中国处于真空状态,从而造成众多MEMS设计公司的产品研发周期过长,且以模仿国外成熟产品为主。国产MEMS封装产业在全球范围内处于相对领先的地位,但高端测试设备仍被国外龙头企业垄断MEMS封装成本在传感器制造环节中占总成本的比重达到40%以上……


0 引言


微机电系统(Microelectro Mechanical System,MEMS)传感器是利用微机械加工技术制造的新型传感器,相比于传统传感器元件,MEMS传感器凭借质量轻、体积小、灵敏度高、可靠性强、易于集成等优良特性,成为推动传感器不断向微型化、智能化发展的主要动力,同时MEMS技术作为微电子制造技术的一个重要分支,也是超越摩尔时代的重要发展方向之一。



1 MEMS传感器产业发展总体情况


当前,全球传感器产业正处于飞速发展的时期,技术更新迭代不断加快,产业竞争日益激烈。2018年,全球传感器市场规模达到2059 亿美元,年均增长率超过12%,其中MEMS传感器占比由2015年的8%迅速上升至25%,成为仅次于图像传感器(CIS)的第二大传感器门类[1]


全球MEMS传感器市场目前仍由欧美日等发达国家和地区主导,其中美国、德国以及日本三国市场占比达到50%以上,而在高端MEMS传感器领域,美国和德国的优势则更为明显[2]


美国博通在射频MEMS传感器领域处于绝对领先地位,尤其在MEMS滤波器领域,市场份额高达87%。随着智能终端产业的爆发式增长,博通的优势将得到进一步巩固。


博世在运动类MEMS传感器方面一枝独秀,其产品在汽车以及智能手机等领域已成为不可或缺的关键部件。我国在声学MEMS传感器等领域具有一定竞争力,但整体来看尚不具备主导能力。


随着MEMS制造技术的逐渐成熟,新型MEMS传感器产品层出不穷,产品出货量也呈现急剧增长的趋势[3]


目前,MEMS企业正在通过不断的基础技术创新实现进一步的突破,产品商业化周期和成本降低周期得以大幅缩短,20世纪60年代,传统的压力传感器商业化时间长达15年,而成本降低时间同样需要15年,而当前MEMS传感器的平均商业化时间仅为6年,成本降低时间也进一步缩短至5年以内,因此快速更迭的产品使得MEMS传感器已经在众多领域成功得以商业化,并产生了巨大的市场机会。


2 MEMS传感器应用现状


MEMS传感器种类极多,可应用于物理、化学、生物等领域信号的探测,较为常见的种类有加速度传感器、惯性传感器、压力传感器、MEMS陀螺仪以及MEMS麦克风等。目前,MEMS传感器在消费电子、医疗、汽车电子以及工业等应用领域占比最高,分别占据41.8%、28.1%、16.7%和9.1%。



在消费电子领域,出于对体积、功耗以及成本等因素的考虑,以手机、平板、可穿戴、AR/VR设备等为代表的ICT终端设备80%以上的传感器是基于MEMS工艺生产制造的,主要分为运动感测组合传感器、环境感测组合传感器、光学感测组合传感器等。


其中,运动感测组合传感器主要包括加速计、陀螺仪和惯性测量单元;环境感测组合传感器主要包括MEMS麦克风、压力传感器等;光学感测组合传感器主要包括环境光传感器、接近传感器、RGB颜色传感器、激光测距传感器、光学生物传感器等。


在医疗领域,生物MEMS传感器已经成为医学检测中不可缺少的关键部件,主要分为微生物传感器、酶传感器、细胞传感器、组织传感器、蛋白质传感器、免疫传感器6类


此外,MEMS传感器还应用于脑电图测量、心电图监测、CT成像以及设备定位等其他非生物领域,未来随着器件性能的不断提升以及进一步微型化,MEMS技术还将在外骨骼、心脏起搏器、视网膜植入等新兴领域得到进一步应用。


在汽车电子领域,MEMS传感器整体呈现稳步增长的趋势,近5年汽车市场MEMS传感器复合年增长率超过7%,预计到2022年,市场规模将达到32 亿美元,出货量将超过20 亿颗。


汽车电子领域常用的传感器主要包括加速传感器、压力传感器、陀螺仪、流量传感器、温度传感器、液位传感器、位置传感器、气体浓度传感器等,主要应用于电子稳定程序控制系统、安全气囊、胎压监测、进排气管绝对压力检测等领域。


在工业电子领域,MEMS传感器高稳定性、高精度的特性可满足工业控制领域近乎“零误差”的要求,同时对于极限温度、湿度和酸碱度等工作环境要求,MEMS传感器可通过封装形式、制作工艺等技术的变化进行满足。如应用在地质勘探等领域的ADI工业用陀螺仪,其寿命可达1000 h,抗冲击性达10 000 G,使用温度范围达-40℃~175℃ 。


3 先进MEMS传感器技术发展最新进展


当前,MEMS传感器已经应用于各个领域之中,其中技术迭代最快、应用规模最大的要数运动传感器和压力传感器。


MEMS运动传感器是目前应用最为广泛的MEMS传感器,包含了陀螺仪、加速度计和惯性测量单元等,目前已经在智能手机、可穿戴智能设备以及平板电脑等领域实现了大规模应用。


当前,MEMS运动传感器正在向着多功能集成和高精度进行演化,为解决智能终端产品中的不同需求衍生出各种先进的解决方案。



为实现多传感器之间的数据融合,飞思卡尔等公司在其传感器产品中嵌入了微处理器以及存储器等模块,解决了融合外部传感数据的问题。


博世公司利用系统封装(SiP)等技术,将三轴12位加速度计、三轴地磁传感器、三轴16位陀螺仪以及微控制器进行整合,进一步对增强现实、室内导航、个人健身以及其他对环境意识要求较高的场景的适应性进行了加强。


为实现无GPS信号情况下的精确惯性导航,目前已经有集成了加速度计、陀螺仪、地磁传感器以及接口专用芯片的个人惯性导航系统被报道,该系统在低功耗CMOS集成电路的辅助下,与系统校准技术充分结合,实现了在无GPS信号情况下,3 km步行距离内误差小于6 m的优越性能。


MEMS压力传感器同样是使用最广泛的MEMS传感器产品之一,通常应用于智能手机、航空航天、汽车、生物医药以及工艺控制等领域,按照压力探测方式可以分为压阻式、电容式、谐振传感等,而最为常用的是压阻式和电容式,因此这两种压力传感器的技术迭代也最为活跃。



为充分降低微压MEMS传感器中测量的敏感性和线性度之间的矛盾,不断提高微压传感器测量精度,一种新型的FBBM结构应运而生,该结构包含了4个短梁和一个位于中心的方形凸块,通过减少传感膜结构偏转程度达到进一步降低压力的非线性,并提高了压阻灵敏度,达到了提升微压MEMS传感器精度的目标。


为满足航空航天领域中在恶劣环境中的无源无线压力传感需求,一种基于蓝宝石的隔膜和结构体MEMS压力传感结构被提出,在施加压力时,传感器隔膜发生偏转,传感器的电谐振频率因而随压力隔膜的偏转而改变,实现了将轻微压力转换为电信号的目的,该结构可在1000℃的高温下正常工作,满足了恶劣环境下压力传感的需求。


4 我国MEMS传感器技术产业现状


近年来,国内MEMS产业链已形成从前端设计、制造到后端封装、测试的完整产业链条[4],瑞声科技、歌尔股份、耐威科技、中芯国际、长电科技等各产业链龙头企业发展迅速。


与此同时,近年来中国MEMS市场增速一直高于全球市场增长水平,这一方面得益于中国MEMS市场发展起步相对较晚,市场基数较小,因此市场增速较快;另一方面,近几年中国消费电子产品以及汽车电子产品持续保持较快增长势头,加之全球电子整机产业持续向中国转移,使得MEMS需求不断释放,中国MEMS市场因此呈现良好发展态势,占全球的市场份额也不断提高。


然而由于起步较晚,我国企业仍存在产能不足、核心技术欠缺等短板。总体而言,当前我国仍需在核心技术攻关、产业链配套水平提升等方面做工作,从根本上提升本土MEMS传感器产业的核心竞争力。


4.1 设计

MEMS传感器设计是一项集基础理论、应用技术以及诸如通信、化学、生物等学科交叉相关技术的复杂工作,涵盖范围广,综合性强,因此相比于传统传感器,MEMS传感器产品线开发难度大,周期长,且成本一直居高不下。


整体而言,我国在MEMS传感器设计能力以及基础研究等方面与国外先进水平仍存在一定差距。


设计能力方面,我国MEMS产业经过20多年的发展,目前已经涌现出歌尔股份、瑞声科技、敏芯科技等龙头企业,其中歌尔股份的MEMS麦克风产品已经进入苹果、三星等国际一流厂商的供应链,出货量稳居全球第二,且于2018年营收规模达到50 亿美元。


但与霍尼韦尔、博世等国际龙头厂商相比,我国企业仍存在产品线单一、整体规模偏小等问题,目前国内除歌尔股份和瑞声科技等少数龙头企业外,其他企业年营收仍难以达到1 亿美元。



在基础研究方面,目前中国在商业化MEMS设计工具方面处于真空状态,通常采用Coventorware、IntelliSuite和Ansys等国外工具进行MEMS仿真,并且缺乏优质的MEMS和ASIC设计服务(如IP库等),从而造成众多MEMS设计公司的产品研发周期过长,且以模仿国外成熟产品为主,缺乏引领市场的创新产品,无法满足日新月异的市场需求。


4.2 制造

MEMS制造工艺是集成电路IC制造工艺的一支,但与传统IC制造工艺相比存在明显差异。


传统IC制造的目的是在单位面积上集成尽可能多的晶体管,如英特尔最新i7处理器可集成数十亿只晶体管,与之相比,MEMS传感器件集成元件数量少、单个元件体积较大,因此MEMS制造工艺并非一味追求更小的制程节点与更高的集成度,而是更加注重材料的结构机械特性、材质化学特性以及刻蚀深度、精度、应力控制等每一步工艺的准确实现。


此外,由于MEMS器件中存在诸如悬臂梁等特殊结构,因此相比于传统的IC制造工艺,MEMS工艺存在更多实现难度较大的特殊技术,如深槽刻蚀、牺牲层释放技术、LIGA工艺、键合技术等。



国内主流的MEMS代工产线目前以6 英寸和8 英寸芯片为主,随着近年来罕王科技、耐威科技等先进产线先后落地,我国的MEMS产能得到了一定程度的提升,且产能利用率也从2015年的不足20%提升到如今的80%以上


目前我国产线仅能制备以压力传感器、MEMS麦克风、加速度计等为主的低端产品,制造工艺水平与国际领先代工厂的差距明显,诸如压电材料(AlN、PZT等)等高端制造工艺线尚未建立,无法生产薄膜体声波滤波器、压电式喷墨打印头和超声波传感器等产品。


尽管中国MEMS代工厂也拥有体微加工技术、表面微加工技术和CMOS MEMS技术,但由于产品出货量都比较小,因此在量产良率、可靠性和稳定性等方面存在不足。



4.3 封装

由于MEMS传感器内部存在可动部件或多个环境通路,因此传统的IC封装材料以及由封装造成的应力有可能对传感器外部环境及其相邻元件产生干扰。


为将封装对传感器所产生的影响降至最低,MEMS封装大多采用非标准工艺,导致MEMS封装成本在传感器制造环节中占总成本的比重达到40%以上。


目前,MEMS传感器多采用球栅阵列封装BGA、倒装球栅阵列封装FC-BGA以及晶圆级封装WLP等技术,其中倒装式封装仍是目前市场的主流,而晶圆级封装由于具有体积小、成本低等优势,其市场规模正快速攀升。


现今,国产MEMS封装产业在全球范围内处于相对领先的地位。我国MEMS传感器封装通常由传统IC芯片封装企业进行代工。


当前,由长电科技、通富微电和华天科技组成的国内封装企业第一梯队的先进封装工艺占比均在50%以上,目前正致力于三维封装、硅通孔TSV等第四代封装关键技术的研发,且2019年三大厂商所占全球芯片封装市场份额合计达到20.7%,中国大陆已成为仅次于中国台湾(42%)的全球第二大芯片封装基地。



4.4 测试

与传统集成电路IC不同,传感器测试通常需通过桥路检测、零点检测、激励检测和稳定性检测4种检测。


桥路检测主要负责检测传感器外围电路是否连通;零点检测是指不加外加激励的情况下,检查传感器输出值是否超出技术指标;激励检测是在对产品外加激励的条件下,根据传感器输出数据判断产品的灵敏度、线性度、漂移、信噪比等指标;稳定性检测是在对产品施加过量激励的情况下,判断产品的抗冲击、抗高温、抗高压等稳定性能,保证产品在使用中不易损坏。


由于MEMS传感器测试方法因器件种类而不同,因此各厂商通常采用自研测试设备的方式对自身产品进行测试,例如美新半导体和明皜传感开发了加速度计测试设备,但总体而言国内能够量产高品质MEMS测试设备的企业数量仍然较少,高端测试设备仍被国外龙头企业垄断



5 我国MEMS传感器产业发展建议


5.1 加强核心技术攻关

在设计方面,积极探索采用分形理论、遗传算法、小波变换、协同优化、多Agent优化等方法的多科学优化MEMS器件设计方法,发展自主EDA软件,以不断提高产品性能、缩短设计周期和降低研制成本。


在制造方面,鼓励国产MEMS厂商在本土设厂,不断提升先进MEMS工艺产能与利用率,加大CMOS MEMS制造技术研发力度,逐渐实现高端MEMS产品自主化生产。


在封装方面,持续支持长电科技、通富微电、华天科技等国内龙头企业在三维封装、硅通孔TSV等第四代封装技术的研发,不断提升本土封装企业先进封装市场占比。


5.2 加强产业协同能力

支持以MEMS传感器制造厂商为主体,建立设计仿真平台和柔性制造模块平台,鼓励上游材料、中游设计、制造以及下游应用企业协同参与产品研发与定制,实现多种类产品柔性生产。


加大封装、测试厂商与制造代工厂之间的协同,针对不同种类MEMS传感器制定适合的封装工艺与测试方法,不断提升产品可靠性与健壮性。


5.3 加大政策支持力度

鼓励高校与企业开展合作,促进科研项目产业化,针对MEMS传感器基础理论研究、器件自主设计以及工艺研发等关键环节设立重点项目,为产业发展提供相应财政支持。


出台相关鼓励政策,支持相关企业开展包括技术引进、公司并购以及学术交流等在内的国际合作,鼓励、支持先进MEMS制造、封装、测试设备引进,促进国内MEMS制造、封测能力快速提升。


6 结束语


MEMS传感器技术产业已经成为推动物联网领域不断发展的关键动力,随着传感器种类的逐渐翻新、精度的不断提升以及成本的快速下降,必将为物联网产业与应用带来翻天覆地的变化。


我国在完善产业链各个环节的同时,需进一步加强产业链协同发展,支持基础研发与人才培养,从技术、产业、政策多角度发力,为我国物联网产业的繁荣打下良好基础。


参考文献


[1] 韩允. MEMS传感器的发展概况[J]. 电子产品世界, 2019,26(1):4-8.

[2] 刘进长, 刘振忠, 张建. MEMS传感器技术发展现状与趋势[J]. 科技中国, 2018(6):8-10.

[3] 石莎莉, 王旭. 智能传感器产业发展研究[J]. 新材料产业, 2017(12):39-42.

[4] 王跃林. 抢抓机遇 大力推进我国MEMS传感器产业化[N]. 中国电子报, 2020-08-28(008).


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