全景介紹 MEMS 技術、應用與投資機會 | 行業洞見

愛就投研究院不定期選擇公開行業研究成果，願與各行業實際從業者和投資人分享、交流關於創業、創新機會的洞見。本文對MEMS技術及其應用做了全景式介紹，提出關注與終端應用緊密聯繫的MEMS裝置提供商，以及MEMS封裝方面的技術突破。

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一．MEMS是什麼？

MEMS是微機電系統（Micro-Electro-Mechanical System）的縮寫，是微電路和微機械按功能要求在晶元上的集成，屬於微電子技術與機械工程結合的一種工業技術。MEMS的內部通常包括微處理器和若干獲取外界信息的微型感測器，可以實現對力、聲、光、熱、電、磁信號的感知和處理。

MEMS也被譯作微電子機械系統，在日本稱為微機械（Micromachines），在歐洲稱為微系統（Microsystems）。另外還有操作範圍在納米級的納機電系統（NEMS）與MEMS概念相似。

圖1

MEMS作為各種消費級和工業級智能硬體（如自動駕駛）的基礎技術，範圍非常碎片化和多樣化。圖1表達現有MEMS技術的進展基本可以使一個機器人實現全方面的感知和人機交互。

圖2

圖2的表是對圖1內容的整理，例舉了多種MEMS裝置或器件，它們被分為感測器（Sensors）和執行器（Actuators），同時與一些人體的組織、器官功能做了對應。

二．MEMS技術有什麼應用價值？

下面介紹MEMS在個人消費電子、工業級應用，包括醫療設備領域的多個終端應用案例，更直觀地展示MEMS作為基礎技術的價值。

圖3

先來看以智能手機為代表的個人消費電子領域。圖3列出的MEMS器件或應用分別屬於慣性（Inertial）、環境感測（Environmental）、光學（Optical）3個主要類別。智能手機及其它消費電子產品有用到慣性器件中的陀螺儀（Gyroscope）、加速度計（Accelerometer）和磁力計（Magnetometer）；環境感測器中的麥克風、壓力感測器；以及光學器件中屬於圖像感測器的功能。

圖4

圖4是一種掃描式微激光投影技術的原理圖。其中右下角的二維MEMS掃描鏡（2D MEMS Scanner Mirror）在投影區域按照特定軌跡，以光柵形式掃描由RGB激光管產生的單像素點激光束；掃描過程中同步調製3個激光管，控制單個像素點的顏色，形成畫面。單像素點光學系統的設計保證了激光束的高度空間相關性，使投影畫面總保持聚焦而清晰。

圖5

圖5出自全普光電公司，是將MEMS微激光投影與智能手機結合的效果，由激光亮度高且投影無需對焦，創造出隨時隨地大屏幕的新體驗。未來以智能手機和可穿戴設備為主的消費電子產品，通過與MEMS微激光投影技術結合，在視覺交互功能上做出大突破，甚至實現全新的環境遙感體驗，這可能成為新趨勢。

圖6

再來看工業級應用中的智能住宅和汽車。圖6出自Sensor期刊中的文章，所謂智能住宅，要求同時具有高度舒適性、安全性、便利性、藝術性和可持續性。其中，對房屋內溫度、濕度、氣體、壓力的實時監測要用到包括溫度和濕度感測器、氣體警報器、壓力感測器在內的MEMS裝置。另外，可以通過引入可信第三方（Trusted Third Party），降低對感測器的依賴，同時提高家電聯網的安全性。

圖7

前文提到的多種MEMS裝置也是目前汽車的基本配置，包括慣性器件，如陀螺儀、加速度計；壓力感測器，如機油壓力感測器、安全氣囊感測器；以及感測溫度、濕度、氣體的環境感測器。自動駕駛汽車則還需要增加用於實時監測路況的感測器設備，如圖7。

圖7出自諮詢公司Yole。其中，長距雷達（Long-range radar）、短距雷達（Short-range radar），連同航位推測感測器（Dead reckoning sensors）和超聲波（Ultrasound）感測器被歸為非圖像感測設備。屬於圖像感測設備範疇的可見光攝像頭（Visible cameras），3D攝像頭（3D cameras）、夜視攝像頭（Night vision camera）應用了MEMS自動對焦（Autofocus）模組，使其對焦速度相比應用傳統音圈電機模組（Voice Coil Motor Module）的設備提高了2-3倍，同時能耗更低、尺寸更小、壽命更長；激光雷達（LIDAR）也被歸為圖像感測設備。

圖8

最後看醫療設備方面。圖8出自Solid State Technology，表示MEMS裝置和器件的尺寸從相當於頭髮（Hair）直徑，到相當於紅血細胞（Red Blood Cell）、大腸桿菌（E-coli）、HIV病毒，大小不等且差別很大。MEMS技術使醫療設備可以做到微型化，醫療檢測、診斷、手術和治療過程因而更加便捷、精準，甚至無痛。

MEMS圖像感測器普遍應用於包括CT掃描（電子計算機斷層掃描）、內窺鏡在內的醫學成像設備中，如Intuitive Surgical公司的達芬奇外科手術系統（da Vinci® Surgical System）使用的3D攝像頭內窺鏡，可以精準捕捉像素，讓醫生看到患者體腔內的高清立體影像，實現了在肺、肝臟和盆底這些狹小空間內的細緻解剖，達到少出血、恢復快的微創手術效果。

MEMS慣性器件最主要用於心臟病治療設備。傳統的心臟起搏器存儲正常心率，在異常情況下給心臟提供固定的電脈衝，其沒有顧及所謂正常心率因人的不同特質及其所處環境而存在一定程度的差異。醫療科技公司美敦力（Medtronic），在心臟起搏器上增加了MEMS加速度計，使起搏器可以依據病人的生理活動實時調節電脈衝頻率，從而實現個性化心臟治療。

MEMS壓力感測器可以檢測包括血壓（Blood Pressure）、眼內壓（Intraocular Pressure）、顱內壓（Intracranial Pressure）、子宮內壓（Intrauterine Pressure）在內的人體器官壓力水平。

圖9

青光眼（Glaucoma）是眼內壓間斷或持續升高的一種眼病。圖7是瑞士Sensimed AG公司採用意法半導體（STMicroelectronics）集團的MEMS眼內壓感測器開發的隱形眼鏡產品Triggerfish®，可以24小時連續記錄眼尺寸變化，輔助監測病情。這是MEMS壓力感測器的一個應用案例。

三．MEMS代表公司與產業鏈

圖10

圖10的表總結了部分具有代表性的MEMS裝置或器件製造商及其國家和主要業務。晶圓廠是MEMS以至所有電子工業的基礎，其投資建設動輒數百億元。表中的前9家（從意法半導體到索尼）都是都是自有晶圓廠的整合元件製造商；國內實力雄厚的企業目前大多以晶圓代工為主要業務，如表中最後5家（從中芯國際到聯華電子）。

從一級市場投資的角度來看，更加值得關注的可能是主要MEMS業務與終端應用緊密聯繫的公司，因為終端市場更容易細分，存在更多為創新準備的個性化需求和使用場景。例如，為iPhone 7和7 Plus提供MEMS麥克風的樓氏和歌爾聲學，隨著麥克風在消費電子產品中越來越成為普遍配置而獲得了長足的發展。

圖11

圖11出自System Plus Consulting，顯示兩台iPhone 7 Plus中的共4個前置底部麥克風，有3個來自樓氏公司，1個來自歌爾聲學；還有1個前置頂部麥克風來自意法半導體，1個後置頂部麥克風也由樓氏提供。這些MEMS麥克風都是蘋果專用封裝尺寸，又有不同的內部結構（如襯底金屬層數、嵌入電容），用以實現高清語音錄音。

圖12

圖12以MEMS晶元的生產製造過程為主線做梳理，將MEMS相關產業鏈分為4部分：晶圓廠（Fab）、晶元設計（Design）、封裝及測試（Packaging & Testing），以及終端應用（Application）；同時例舉了相應的代表企業。

製造MEMS晶元的過程基本分為3步：晶元設計及試生產，規模化晶圓製造，封裝測試。晶元試生產也稱為流片（Tape Out），成功流片后就可以在晶圓廠啟動晶圓製造（Wafer Fabrication）；晶圓即單晶硅圓片，是生產集成電路（Integrated Circuit）的載體，晶圓製造的過程主要是複雜的集成電路工藝；進一步是將做完電路集成的整片晶圓切割為很多個小塊晶片（Dies），行業中稱為划片（Dicing），再經過封裝和測試，最後應用到終端產品中。

圖13

封裝是降低半導體集成電路尺寸、重量、能耗和成本的關鍵技術，包括晶圓級封裝和晶元封裝。圖13出自Sensors期刊，描述了2種晶圓級真空封裝（Wafer-Level Vacuum Packaging）技術和4種晶元封裝技術。

圖13左上方表示將MEMS和CMOS分別封裝在不同晶圓上，其中，CMOS是互補式金屬氧化物半導體（Complementary Metal-Oxide-Semiconductor）的縮寫，是一種是製造大規模集成電路晶元的技術，也指用這種技術製造出來的晶元；左下方表示MEMS和CMOS可以通過2D或3D多晶元封裝（Multi-chip Packaging）技術完成晶元封裝；右上方表示在晶圓級真空封裝過程中，將MEMS和CMOS集成到同一片晶圓上；右下方表示集合了MEMS和CMOS功能的晶元可以通過絲焊法（Wire Bond）或覆晶技術（Flip Chip）完成晶元封裝，稱為片上系統（System-on-Chip）封裝。

圖14出自國際微電子學（Microelectronics International）期刊，例舉了2種代表性封裝技術，分別是最左邊的2D片上系統（2D SoC）封裝和中間的3D集成電路堆疊（3D IC integration）封裝，並且認為後者優於前者；最右邊的3D硅集成（3D Si integration）是3D集成電路堆疊封裝中的一例。

如圖中底部的藍色和紅色英文所寫，通過將集成電路堆疊起來，可以縮短數字信號處理器（Digital Signal Processor，圖中為DSP）與處理器（Processor. ASIC, MCU, etc.）之間的連線，即縮短圖中從A點到B點的連線，其中需要用到硅穿孔（Through-SiliconVia，圖中為TSV）、薄晶元（Thin Chips）和微凸起（Microbumps）。其中，ASIC是指特殊應用集成電路（Application Specific Integrated Circuit），MCU是指微程序控制器（Microprogrammed Control Unit）。

封裝可能在目前是整個MEMS晶元製造過程中最具挑戰性和創新空間的部分。例如，對於2D片上系統封裝和3D集成電路堆疊封裝的晶元，熱耗散都是大問題；堆疊集成電路的過程中，體積不同、處理速度不同的晶元按照什麼標準來組合；以及檢測成品性能的標準和方法匱乏。這些都是值得創業者和投資人關注的機會。

參考資料：

[1] Yole Department report. What does the futurehold for MEMS? An overview of the Market & Technology Trends

[2] MEMS devices for biomedical applications.

[3] Laser Scanning Projector

https://www.youtube.com/watch?v=-SdyieXe6zU

[4] 全普光電-激光投影手機

[5] A Reliable TTP-Based Infrastructure with Low Sensor Resource Consumption for the Smart Home Multi-Platform.

[6] Yole Department report. Imaging Technologies for Automotive. 2016.

[7] Howard M. Ross, Sang W. Lee, Bradley J.Champagne, Alessio Pigazzi, David E. Rivadeneira. Robotic Approaches to Colonand Rectal Surgery [M]. Springer, 2015: 13-15.

[8] Tian En Timothy Seah, Thanh Nho Do,Nobuyoshi Takeshita, Khek Yu Ho, Soo Jay Phee. Future of Flexible Robotic Endoscopy Systems

[9] L'INTELLIGENZA DI UNA LENTE A CONTATTO

[10] STMicroelectronics develops contact lens totreat glaucoma

[11] Sensimed』s Triggerfish

[12] Sensimed Triggerfish White Paper

[13] The best MEMS microphones for the iPhone 7 Plus: Apple selected STMicroelectronics, Goertek/Infineon Technologies & Knowles

[14] Allan Hilton and Dorota S. Temple, Wafer-Level Vacuum Packaging of Smart Sensors, Sensors 2016, 16, 1819; doi: 10.3390/s16111819.

[15] John H. Lau, (2011) "Overview andoutlook of through‐silicon via (TSV) and 3D integrations", Microelectronics International, Vol.28 Issue: 2, pp.8-22, doi: 10.1108/13565361111127304