微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS），這一高科技裝置的尺寸通常在幾毫米甚至更小，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)精細(xì)至微米甚至納米量級。MEMS技術(shù)是在微電子技術(shù)（半導(dǎo)體制造技術(shù)）的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，它融合了光刻、腐蝕、薄膜、LIGA、硅微加工、非硅微加工和精密機(jī)械加工等先進(jìn)技術(shù)，制作出高科技電子機(jī)械器件。
MEMS系統(tǒng)是一個(gè)獨(dú)立的智能系統(tǒng)，能夠進(jìn)行大批量生產(chǎn)。其尺寸通常在幾毫米乃至更小，內(nèi)部結(jié)構(gòu)的精細(xì)程度達(dá)到微米甚至納米量級。例如，常見的MEMS產(chǎn)品尺寸可能僅為3mm×3mm×1.5mm，甚至更小。
在MEMS傳感器中，關(guān)鍵的芯片包括MEMS芯片和ASIC芯片。MEMS芯片負(fù)責(zé)感知外部信號，并將測量量轉(zhuǎn)換為電阻、電容等信號變化；而ASIC芯片則負(fù)責(zé)將這些電容、電阻信號轉(zhuǎn)換為電信號，實(shí)現(xiàn)信號的轉(zhuǎn)換和放大等功能。
與傳統(tǒng)的機(jī)械傳感器相比，MEMS傳感器具有顯著的優(yōu)勢：體積小、重量輕、成本低、功耗低、可靠性高，并且非常適合批量化生產(chǎn)、易于集成和實(shí)現(xiàn)智能化。在微米量級的特征尺寸下，MEMS傳感器能夠完成傳統(tǒng)機(jī)械傳感器無法實(shí)現(xiàn)的功能。因此，MEMS傳感器正在逐步取代傳統(tǒng)機(jī)械傳感器的主導(dǎo)地位，廣泛應(yīng)用于消費(fèi)電子產(chǎn)品、汽車工業(yè)、航空航天、機(jī)械、化工及醫(yī)藥等多個(gè)領(lǐng)域。
一、MEMS傳感器的廣泛應(yīng)用領(lǐng)域
MEMS傳感器以其多樣化的種類，廣泛應(yīng)用于物理、化學(xué)、生物等領(lǐng)域的信號探測。常見的MEMS傳感器包括加速度傳感器、慣性傳感器、壓力傳感器、MEMS陀螺儀以及MEMS麥克風(fēng)等。目前，MEMS傳感器在多個(gè)領(lǐng)域中占據(jù)重要地位，其中消費(fèi)電子領(lǐng)域占比最高，達(dá)到41.8%，其次是醫(yī)療領(lǐng)域，占比28.1%，汽車電子領(lǐng)域占比16.7%，工業(yè)領(lǐng)域占比9.1%。
MEMS壓力傳感器是應(yīng)用最為廣泛的MEMS傳感器之一，廣泛應(yīng)用于智能手機(jī)、航空航天、汽車、生物醫(yī)藥以及工藝控制等領(lǐng)域。根據(jù)壓力探測方式的不同，MEMS壓力傳感器可分為壓阻式、電容式、諧振傳感等類型，其中壓阻式和電容式最為常用，這兩種傳感器的技術(shù)也在不斷迭代更新。
為了解決微壓MEMS傳感器中測量敏感性與線性度之間的矛盾，提高微壓傳感器的測量精度，一種新型的FBBM結(jié)構(gòu)被開發(fā)出來。該結(jié)構(gòu)包含四個(gè)短梁和一個(gè)位于中心的方形凸塊，通過減少傳感膜的結(jié)構(gòu)偏轉(zhuǎn)程度，有效降低了壓力的非線性，并提高了壓阻靈敏度，從而顯著提升了微壓MEMS傳感器的精度。
二、不同MEMS傳感器的特性對比
MEMS傳感器的種類繁多，每種傳感器因其測量外部信號的特性不同，技術(shù)實(shí)現(xiàn)上存在顯著差異。MEMS慣性傳感器主要用于檢測物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，通常需要固定在載體上以監(jiān)測其運(yùn)動(dòng)，因此多采用密封式封裝。相比之下，壓力傳感器、光學(xué)傳感器和聲學(xué)傳感器則需要直接接觸被測量的介質(zhì)，因此它們通常采用開放式封裝，并且需要根據(jù)使用環(huán)境設(shè)計(jì)有利于捕捉信號的敏感單元表面結(jié)構(gòu)。
MEMS慣性傳感器在應(yīng)用領(lǐng)域上相對廣泛，不僅在高可靠性領(lǐng)域，如航空航天，而且在工業(yè)和消費(fèi)電子領(lǐng)域也有豐富的應(yīng)用場景。不同應(yīng)用場景對傳感器的性能、成本、功耗和體積有著不同的要求。與在工業(yè)和消費(fèi)領(lǐng)域廣泛使用的聲學(xué)傳感器、環(huán)境傳感器等相比，高性能的MEMS慣性傳感器更多地應(yīng)用于高可靠性領(lǐng)域，這些領(lǐng)域在復(fù)雜環(huán)境下對產(chǎn)品性能要求極高，因此對產(chǎn)品的可靠性提出了更為嚴(yán)格的要求，技術(shù)門檻相對較高。
三、MEMS傳感器發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)
盡管國內(nèi)MEMS技術(shù)研究起步較晚，直到20世紀(jì)80年代末才被列為國家重點(diǎn)研究項(xiàng)目，但經(jīng)過近三十年的不懈努力，國產(chǎn)MEMS技術(shù)已取得顯著進(jìn)展，并在市場應(yīng)用方面積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。以MEMS麥克風(fēng)市場為例，全球四大主導(dǎo)企業(yè)中，有兩家來自中國——歌爾股份和瑞聲科技，它們正積極挑戰(zhàn)行業(yè)領(lǐng)導(dǎo)者樓氏電子的地位，展現(xiàn)出強(qiáng)勁的發(fā)展勢頭。
隨著消費(fèi)電子、汽車電子、工業(yè)、醫(yī)療等領(lǐng)域的迅猛發(fā)展，市場對MEMS產(chǎn)品的需求日益迫切，MEMS市場猶如一片干涸的池塘，亟待更多活水的注入。
然而，制造MEMS器件不僅需要成熟且多樣化的工藝技術(shù)，還必須擁有充足的產(chǎn)線以保證產(chǎn)能。目前，國內(nèi)能夠提供專業(yè)MEMS代工服務(wù)的企業(yè)包括中芯國際、無錫華潤上華、上海先進(jìn)等，它們能夠滿足代工產(chǎn)能和良率的要求。然而，其他大多數(shù)國內(nèi)MEMS代工企業(yè)尚未積累足夠的工藝技術(shù)儲(chǔ)備和大規(guī)模市場驗(yàn)證反饋的經(jīng)驗(yàn)，加工工藝的一致性和可重復(fù)性也未能滿足設(shè)計(jì)需求，產(chǎn)品的良率和可靠性更是難以達(dá)到規(guī)?；a(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)。
在這種背景下，設(shè)計(jì)公司往往不得不選擇與國外成熟的代工廠合作，以確保產(chǎn)品質(zhì)量。而在后端的封裝測試環(huán)節(jié)，情況則相對樂觀，南通富士通、晶方半導(dǎo)體、華天科技、長電科技、通富微電等企業(yè)能夠滿足產(chǎn)品質(zhì)量和數(shù)量的要求。
四、MEMS傳感器的發(fā)展前景
隨著國產(chǎn)MEMS傳感器產(chǎn)業(yè)的不斷成熟，MEMS技術(shù)將傳感器“芯片化”的能力已獲得廣泛認(rèn)可。在探討國產(chǎn)傳感器的發(fā)展趨勢時(shí)，除了集成化、小型化和智能化等傳統(tǒng)方向，“MEMS化”也成為了一個(gè)新的關(guān)鍵詞。設(shè)備的小型化和低功耗是未來MEMS傳感器行業(yè)的重要發(fā)展趨勢之一。隨著人工智能和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的進(jìn)步，MEMS傳感器的應(yīng)用場景將變得更加多元化。
MEMS傳感器作為人工智能的重要底層硬件之一，其收集的數(shù)據(jù)的豐富性和精準(zhǔn)性直接關(guān)系到人工智能功能的完善程度。未來，智能家居、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、車聯(lián)網(wǎng)、智能城市、機(jī)器人等新興產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域?qū)镸EMS傳感器行業(yè)帶來巨大的市場潛力。隨著技術(shù)水平的不斷提升，市場對“小而智能”的傳感器需求日益增長，特別是在物聯(lián)網(wǎng)等應(yīng)用的推動(dòng)下，MEMS傳感器的應(yīng)用前景將更加廣闊。