微機電系統（Micro-Electro Mechanical System）是指尺寸在幾毫米乃至更小的傳感器裝置，其內部結構一般在微米甚至納米量級，是一個獨立的智能系統。簡單理解，MEMS就是將傳統傳感器的機械部件微型化后，通過三維堆疊技術，例如三維硅穿孔TSV等技術把器件固定在硅晶元（wafer）上，最后根據不同的應用場合采用特殊定制的封裝形式，最終切割組裝而成的硅基傳感器。受益于普通傳感器無法企及的IC硅片加工批量化生產帶來的成本優勢，MEMS同時又具備普通傳感器無法具備的微型化和高集成度。

傳統ECM駐極體電容麥克風/Apple Watch樓氏MEMS硅麥克風

MEMS是替代傳統傳感器的唯一選擇

諸如最典型的半導體發展歷史：從20世紀初在英國物理學家弗萊明手下發明的第一個電子管，到1943年擁有17468個電子三極管的ENIAC和1954年誕生裝有800個晶體管的計算機TRADIC，到1954年飛兆半導體發明了平面工藝使得集成電路可以量產，從而誕生了1964年具有里程碑意義的首款使用集成電路的計算機IBM360。模擬量到數字化、大體積到小型化以及隨之而來的高度集成化，是所有近現代化產業發展前進的永恒追求，MEMS也不例外。

正因為MEMS擁有如此眾多跨世代的優勢，目前來看我們認為其是替代傳統傳感器的唯一可能選擇，也可能是未來構筑物聯網感知層傳感器最主要的選擇之一。

1）微型化：MEMS器件體積小，一般單個MEMS傳感器的尺寸以毫米甚至微米為計量單位，重量輕、耗能低。同時微型化以后的機械部件具有慣性小、諧振頻率高、響應時間短等優點。MEMS更高的表面體積比（表面積比體積）可以提高表面傳感器的敏感程度。

2）硅基加工工藝，可兼容傳統IC生產工藝：硅的強度、硬度和楊氏模量與鐵相當，密度類似鋁，熱傳導率接近鉬和鎢，同時可以很大程度上兼容硅基加工工藝。

3）批量生產：以單個5mm*5mm尺寸的MEMS傳感器為例，用硅微加工工藝在一片8英寸的硅片晶元上可同時切割出大約1000個MEMS芯片，批量生產可大大降低單個MEMS的生產成本。

4）集成化：一般來說，單顆MEMS往往在封裝機械傳感器的同時，還會集成ASIC芯片，控制MEMS芯片以及轉換模擬量為數字量輸出。

同時不同的封裝工藝可以把不同功能、不同敏感方向或致動方向的多個傳感器或執行器集成于一體，或形成微傳感器陣列、微執行器陣列，甚至把多種功能的器件集成在一起，形成復雜的微系統。

微傳感器、微執行器和微電子器件的集成可制造出可靠性、穩定性很高的MEMS。隨著MEMS的工藝的發展，現在傾向于單個MEMS芯片中整合更多的功能，實現更高的集成度。

例如慣性傳感器IMU（Inertialmeasurementunit）中，從最早的分立慣性傳感器，到ADI推出的一個封裝內中集成了三軸陀螺儀、加速度計、磁力計和一個壓力傳感器以及ADSP-BF512Blackfin處理器的10自由度高精度MEMS慣性測量單元。

5）多學科交叉：MEMS涉及電子、機械、材料、制造、信息與自動控制、物理、化學和生物等多種學科，并集約了當今科學技術發展的許多尖端成果。MEMS是構筑物聯網的基礎物理感知層傳感器的最主要選擇之一。

由于物聯網特別是無線傳感器網絡對器件的物理尺寸、功耗、成本等十分敏感，傳感器的微型化對物聯網產業的發展至關重要。MEMS微機電系統結合兼容傳統的半導體工藝，采用微米技術在芯片上制造微型機械，并將其與對應電路集成為一個整體的技術，它是以半導體制造技術為基礎發展起來的，批量化生產能滿足物聯網對傳感器的巨大需求量和低成本要求。

物聯網給MEMS帶來新機遇

未來可以預見未來大規模下游應用主要會以新的消費電子例如AR/VR，以及物聯網例如智能駕駛、智慧物流、智能家居等。而傳感器做為感知層，是不可或缺的關鍵基礎物理層部分，物聯網的快速發展，將會給MEMS行業帶來巨大的發展紅利。

物聯網的系統架構主要包括三部分：感知層、傳輸層和應用層。

感知層的作用主要是獲取環境信息和物與物的交互，主要由傳感器、微處理器和RF無線收發器等組成；

傳輸層主要用于感知層之間的信息傳遞，由包括NB IOT、Zig Bee、Thread、藍牙等通訊協議組成；

應用層主要包括云計算、云存儲、大數據和數據挖掘以及人機交互等軟件應用層面構成。感知層傳感器處于整個物聯網的最底層，是數據采集的入口，物聯網的“心臟”，有著巨大的發展空間。

物聯網的三層架構

隨著國內設計、制造、封測等多個環節的技術和工藝正在逐步成熟，MEMS作為物理量連接半導體的產物，將恰逢其時的受益于物聯網產業的發展，MEMS在消費電子、汽車電子、工業控制、軍工、智能家居、智慧城市等領域將得到更為廣泛的應用，根據Yole developpement的預測，2016-2020年MEMS傳感器市場將以13%年復合成長率增長，2020年MEMS傳感器市場將達到300億美元，前景無限。

MEMS全球市場產值預測（億美元）

2015年中國MEMS器件市場規模為308億元人民幣，占據全球市場的三分之一。從發展速度而言，中國MEMS市場增速一直快于全球市場增速。中國MEMS器件市場平均增速約15-20%，中國集成電路市場增速約為7-10%，橫向對比而言，MEMS器件市場的增速兩倍于集成電路市場。

中國近年MEMS傳感器市場規模（億元）

MEMS產業鏈

MEMS沒有一個固定成型的標準化的生產工藝流程，每一款MEMS都針對下游特定的應用場合，因而有獨特的設計和對應的封裝形式，千差萬別。

MEMS和傳統的半導體產業有著巨大的不同，她是微型機械加工工藝和半導體工藝的結合。MEMS傳感器本身一般是個比較復雜的微型物理機械結構，并沒有PN結。但同時單個MEMS一般都會集成ASIC芯片并植在硅晶圓片上，再封裝測試和切割，后道工藝流程又類似傳統COMS工藝流程。

因此MEMS性能的提升很大程度上不會過分依賴于硅晶圓制程工藝的升級，而更傾向于根據下游應用需求定制設計、對微型機械結構的優化、對不同材料的選擇，實現每一款傳感器的獨特功能，因此也不存在傳統半導體工藝晶圓廠不同世代的制程工藝升級路線圖（ROAD MAP）。

IC制程工藝更接近于2D平面VSMEMS3維立體堆疊

典型的MEMS系統如圖所示，由傳感器、信息處理單元、執行器和通訊/接口單元等組成。其輸入是物理信號，通過傳感器轉換為電信號，經過信號處理（模擬的和/或數字的）后，由執行器與外界作用。

每一個微系統可以采用數字或模擬信號（電、光、磁等物理量）與其它微系統進行通信。MEMS將電子系統與周圍環境有機結合在一起，微傳感器接收運動、光、熱、聲、磁等自然界信號，信號再被轉換成電子系統能夠識別、處理的電信號，部分MEMS器件可通過微執行器實現對外部介質的操作功能。

傳感器工作原理

MEMS產業鏈類似于傳統半導體產業，主要包括了四大部分：前端fabless設計環節、ODM代工晶圓廠生產環節、封裝測試到下游最終應用的四大環節。

MEMS產業鏈劃分

全球前十名MEMS廠商主要包括博世、意法半導體、惠普、德州儀器、佳能、InvenSense、Avago和Qorvo、樓氏電子、松下等等。其中BOSCH因為其在汽車電子和消費電子的雙重布局，牢牢占據著行業的第一的位置，其營收約占五大公司合計營收的三分之一。

大部分MEMS行業的主要廠商是以Fabless為主，例如樓氏、HP、佳能等。同時，平行的也有IDM廠商垂直參與到整條產業鏈的各個環節，比如Bosch、ST等都建有自己的晶元代工生產線。

全球主要MEMS廠商的生產模式定位

基于之前闡述的MEMS本身區別于傳統IC產業特征，我們認為行業的核心門檻在于兩點：設計理念和封測工藝。

前者不僅僅包括對傳統IC設計的理解，更需要包括多學科的綜和，例如微觀材料學、力學、化學等等。原因是因為內部涉及機械結構，空腔，和不同的應用場景，如導航，光學，物理傳感等。可以展開細說。

后者，因為單個MEMS被設計出來的使用用途、使用環境、實現目的不同，對封裝有著各種完全不同的要求。比如對硅麥有防水和不防水區分，光學血氧濃度傳感器需要穿孔和空腔安裝透鏡，氣壓傳感器需要向外界敞開不能密封等等。在整個MEMS生產中，封測的成本占比達到35%-60%以上。

MEMS成本結構拆分

MEMS封裝和測試

MEMS產品種類豐富、功能各異，工藝開發過程中呈現出“一類產品一種制造工藝”的特點。MEMS芯片或器件的種類多達上萬、個性特征明顯，除了采用相同的硅材料外，不同的MEMS產品之間沒有完全標準的工藝，產品參量較多，每類產品品種實現量產都需要從前端研發重新投入，工藝開發周期長，且量產率較傳統半導體生產行業相比更低，依靠單一種類的MEMS產品很難支撐一個公司。

雖然不同種類的MEMS從用途來說截然不同，封裝形式也是天壤之別。但是從封裝結構上來說，大致可以分為以下3類：封閉式封裝（Closed Package）、開放空腔式封裝（Open Cavity Package）、眼式封裝（Open Eyed Package）。

MEMS封裝形式

中國MEMS產業在2009年后才逐漸起步，目前尚未形成規模，產業整體處于從實驗室研發向商用量產轉型階段。國內MEMS廠家在營業規模、技術水平、產品結構、產業環境上與國外有明顯差距，60%-70%的設計產品依舊集中在加速度計、壓力傳感器等傳統領域，對新產品（例如生物傳感器、化學傳感器、陀螺儀）的涉足不多。工藝水平與經驗缺失制約代工廠發展，制造環節亟需填補空白。

微機電系統的生產制造涵蓋設計、制造和封測。由于系統器件具有高度定制化、制程控制與材質特殊的特點，封裝與測試環節至少占到整個成本的60%。因此，為了能夠在日益嚴峻的產品價格下跌趨勢下有效降低成本，多數無晶圓或輕晶圓MEMS供應商將封裝與測試環節外包給專業封測廠商，這也將為MEMS器件封裝及測試廠商帶來機遇。

隨著國家政策扶持，近兩年中國MEMS產線投資興起，2014年國內MEMS代工廠建設投資超過1.5億美元，但是技術的匱乏和人才的缺失依然是產業短板。MEMS技術與IC技術有本質差異，技術核心領域在于工藝和制造，MEMS制造結構復雜、高度定制化、依賴于專用設備，且具有很強的規模效應。目前，本土MEMS產業明顯落后國際水平，國內市場嚴重依賴進口，市場份額基本被Bosch、ST、ADI、Honeywell、Infineon、AKM等國際大公司寡頭壟斷，中高端MEMS傳感器進口比例達80%，傳感器芯片進口比例高達90%。

MEMS制造目前主要分為三類，純MEMS代工、IDM企業代工和傳統集成電路MEMS代工。與其將MEMS看做一種產品倒不如把它看成一種工藝，MEMS器件依賴各種工藝和許多變量。只有經過多年的工藝改進及測試，MEMS器件才能真正被商品化。研發團隊一般需要大量時間來搜索有關工藝及材料物理特性方面的資料。利用單一一種材料（如多晶硅）制得的器件可能需要根據多晶硅的來源及沉積方法來標記工藝中的變化。因此每一種工藝都需要長期、大量的數據來穩定一個工藝。

國內MEMS代工廠華潤上華、中芯國際、上海先進等，硬件條件雖與國際水平相近，但開發能力遠不及海外代工廠；中國MEMS代工企業還未積累起足夠的工藝技術儲備和大規模市場驗證反饋的經驗，加工工藝的一致性、可重復性都不能滿足設計需要，產品的良率和可靠性也無法達到規模生產要求。因此商業化階段的本土設計公司更愿意同TSMC、X-Fab、Silex等海外成熟代工廠合作。

代工環節薄弱導致好的設計無法迅速產品化并推向市場，極大地制約了中國MEMS產業的發展，產業中游迫切需要有工藝經驗和高端技術的廠商填補洼地。雖然大部分MEMS業務仍然掌握在IDM企業中，隨著制造工藝逐漸標準化，MEMS產業未來會沿著傳統集成電路行業發展趨勢，將逐步走向設計與制造分離的模式。純MEMS代工廠與MEMS設計公司合作開發的商業模式將成為未來業務模式的主流。

MEMS代工企業類型比較

MEMS技術自八十年代末開始受到世界各國的廣泛重視，對比傳統集成電路，該系統擁有諸多優點，體積小、重量輕，最大不超過一個厘米，甚至僅僅為幾個微米，其厚度更加微小。MEMS的原材料以硅為主，價格低廉，產量充足批量生產，良率高。同時使用壽命長，耗能低，但由于MEMS的工藝難度高，其良率仍然與傳統IC制造相比有一定的差距。

就工藝方面，目前全球主要的技術途徑有三種，一是以美國為代表的以集成電路加工技術為基礎的硅基微加工技術；二是以德國為代表發展起來的利用X射線深度光刻、微電鑄、微鑄塑的LIGA技術；三是以日本為代表發展的精密加工技術，如微細電火花EDM、超聲波加工。

盡管MEMS和IC在封裝和外觀上具有相似性，但實質上MEMS在芯片設計和制造工藝方面與IC不同。IC一般是平面器件，通過數百道工藝步驟，在若干個特定平面層上使用圖案化模板制造而來，表現出特定的電學或電磁學功能來實現模擬、數字、計算或儲存等特定任務。理想狀態下，IC基本元件（晶體管）是一種純粹的電學器件，幾乎所有的IC應用和功能方面具有共通性。

相對地，MEMS是一種3D微機械結構。基于硅工藝技術，MEMS相比于傳統的“大型器件”，微米級別的MEMS器件能夠更廣泛、靈活地應用在汽車電子、消費電子等領域。

中國MEMS產業

國內MEMS行業的fabless規模相對較小，但市場規模來說具備很大的發展空間。面對國內巨大的消費電子市場，自產自銷滿足國內部分中低端市場需求，也是國內Fabless司的一個捷徑。

例如蘇州敏芯最近宣布MEMS傳感器出貨量超一億顆，他的微硅麥克風傳感器產品已經滲透至以消費類電子產品為主的各個細分應用中，成功應用在MOTOROLA，SONY，ASUS，聯想，魅族，小米，樂視等品牌客戶的產品上。

中國MEMS設計企業主要集中于華東地區，約占全國企業總數的55%，其中，以上海、蘇州、無錫三地為產業集中地：

上海：

深迪，矽睿，麗恒，芯敏，微聯，銘動，文襄，天英，巨哥

蘇州：

明皜，敏芯，雙橋，多維，能斯達，汶灝，圣賽諾爾，希美

無錫：

美新，樂爾，康森斯克，微奧，杰德，必創，微納，芯奧微，沃浦

其他：

深圳瑞聲，山東歌爾，河北美泰，山西科泰，鄭州煒盛，北京水木智芯，浙江大立，武漢高德，成都國騰，西安勵德，天津微納芯等。

國內MEMS 企業布局

從產品使用領域結構來看，國內MEMS公司在營業規模、技術水平、產品結構、與國外有明顯差距，60%-70%的設計產品集中在加速度計、壓力傳感器等傳統領域。工藝開發是我國MEMS行業目前面臨最主要的問題，產品在本身技術實力和生產工藝還有待于進步。

雖然國內主要集中在初級階段，中低端應用。但從近幾年的發展來看，中國地區已經成為過去五年全球MEMS市場發展最快的地區。2015年，我國MEMS市場規模接近300億元，且連續兩年增幅高達15%以上；而且從中長期來看，國內MEMS行業的發展增速會快于國外，到2020年，我國傳感器市場增幅將進一步提升，年平均增長率將達到20%以上，繼續保持全球前列。

從國內市場來看，我國擁有全球規模最大的集成電路市場。蘋果、三星、小米、華為、中興等手機品牌在中國設廠生產，加之汽車電子、物聯網、無人機、智能家庭等概念產品的逐步興起，以及可穿戴設備的蓬勃發展，國內市場對硅麥克風、加速度計、陀螺儀、電子羅盤、射頻儀器、高精度壓力傳感器、氣體傳感器等MEMS器件的需求快速增長。

根據SEMI的估計，中國市場在全球市場的占比將從2010年的9.2%增長到2015年占比15.10%。

MEMS行業發展趨勢

1） MEMS封裝將會向標準化演進，模塊平臺標準化意味著更快的反應速度。

根據Amkor公司的觀點，MEMS的整合正在向標準化、平臺化演進。從之前眾多分散復雜的封裝形式（Discrete Packaging）逐漸演化到以密封模壓封裝（Overmolded）、集成電路便面裸露封裝（Exposed Die Surface）、空腔封裝（Cavity Package） 這三種載體為主的封裝形式。

MEMS 封裝向標準化演進

2） SIP（System In Package）系統級的高度集成化會是 MEMS 未來在互聯網應用場合的主要承載形式。隨著下游最重要的應用場景物聯網的快速發展，MEMS在IOT平臺的產品未來會逐漸演化到SIP封裝就顯得尤為重要。往往單個MEMS模塊會集成包括MCU（Microcontroller Unit）、RF模塊（Radio Frequenc，例如藍牙，NB IOT發射模塊）和MEMS傳感器等多個功能部分。系統級的封裝帶來的同樣是快速響應速度和及時的產品更新換代，這對于消費電子產品來說極端重要。目前很多代工廠或者封裝廠例如 Amkor都在推廣標準化的IOT MEMS平臺產品。

MEMS在IOT應用領域的SIP封裝

而采用的封裝形式主要會以空腔封裝（Cavity Package）和混合空腔封裝（HybirdCavity Package）。

3）未來MEMS產品可能會逐漸演變為低端、中端和高端三類。低端MEMS主要應用于消費電子類產品如智能手機、平板電腦等。中端MEMS主要應用于GPS輔助導航系統、工業自動化、工程機械等工業領域。根據Yole Developpment報告，作為智能感知時代的重要硬件基礎，2014年中低端MEMS傳感器市場規模達到130億美元，預計到2018年，中低端MEMS市場產值將以12%～13%的復合增長率增長至225億美元。

在今后5到10年內隨著MEMS技術的成熟，以智能手機以及平板電腦為主要應用對象的低端MEMS市場利潤將逐漸下降，但未來在可穿戴設備、物聯網領域還有一定機遇；以工業、醫療及汽車為應用對象的中端MEMS還將持續提供增長和盈利；未來以工業4.0和國防軍工市場也應用對象的高端MEMS將為帶來顯著的超額收益。

據市場研究機構預測，高端MEMS市場在2016年~2021年的其年復合增長達到13.4%，而同期全球MEMS市場的復合年增長率僅為8.9%，其中軍事航天、高端醫療電子和工業4.0應用四個領域將會占未來高端MEMS市場營收的80%。