MEMS传感器技术的发明、现状及未来发展

MEMS 技术于 1980 年代发明，是一种利用硅基半导体制造工艺制造微型机械电子系统的技术，最早在汽车和军工领域有部分应用，主要产品包括 MEMS 传感器和 MEMS 执行器。使用MEMS 工艺制造的器件具有小型化、可智能化的特点，契合物联网中边缘端设备采集不同维度、海量数据过程中对低功耗、一致性高的需求。但在 4G 网络诞生以前，由于通信网络数据传输和承载能力有限，MEMS 传感器的市场需求亦非常有限，正如胎儿时期的人类由于神经网络尚未发育，相应的感官器官的发展也会受到限制。

纵观 MEMS 行业的发展历史，汽车产业、医疗及健康监护产业、通信产业以及手机和游戏机等个人电子消费品产业相继促进了 MEMS 产业的快速发展。尤其是 2007 年以来，随着以智能手机为代表的消费电子产品的快速普及和发展，MEMS 商业化的进展明显加快。从而伴随着 4G网络和智能手机的诞生，MEMS 器件在过去十余年时间里有了非常显著的发展，根据 IHS 的报告，至 2019 年整个 MEMS 器件市场的容量为 165 亿美元，而中国信通院的报告显示，下游智能传感器市场的全球市场总量达到 378.5 亿美元。

MEMS 传感器芯片的基本特点

与大规模集成电路产品均采用标准的 CMOS 生产工艺不同，MEMS 传感器芯片本质上是在硅片上制造极微小化机械系统和集成电路的集合体，需要综合运用多学科、多行业的知识与技术、生产加工工艺具有明显的非标准化和高度的定制化以及对产品供应链体系的支撑有着非常高的要求等特点。MEMS 芯片具有非常强的工艺特征，三维制造工艺与集成电路的二维制造工艺相差甚大，这也是国家十四五规划中明确将 MEMS 特殊工艺的突破纳入其中的重要原因。

MEMS传感器的发展现状

MEMS 传感器目前已经广泛运用于消费电子、汽车、工业、医疗、通信等各个领域，随着人工智能和物联网技术的发展，MEMS 传感器的应用场景将更加多元。MEMS 传感器是人工智能重要的底层硬件之一，传感器收集的数据越丰富和精准，人工智能的功能才会越完善。

物联网生态系统的核心是传感、连接和计算，随着联网节点的不断增长，对智能传感器数量和智能化程度的要求也不断提升。未来，智能家居、工业互联网、车联网、智能城市等新产业领域都将为MEMS 传感器行业带来更广阔的市场空间。因其得天独厚的优势，MEMS 传感器应用绝不仅局限于可穿戴设备，未来医疗、人工智能以及汽车电子等领域的传输底层架构均要依赖 MEMS 传感器来布局。

从目前全球的发展趋势来看，汽车工业和消费类电子的市场已经发展得足够发达，成为了MEMS 传感器的发展基础。未来，医疗、人工智能、物联网、智慧城市等应用领域智能现代化趋势明显，MEMS 传感器的发展潜力很大。

未来的技术发展趋势：

（1）MEMS 和传感器呈现多项功能高度集成化和组合化的趋势。由于设计空间、成本和功耗预算日益紧缩，在同一衬底上集成多种敏感元器件、制成能够检测多个参量的多功能组合MEMS 传感器成为重要解决方案。

（2）传感器智能化及边缘计算。软件正成为 MEMS 传感器的重要组成部分，随着多种传感器进一步集成，越来越多的数据需要处理，软件使得多种数据融合成为可能。MEMS 产品发展必将从系统应用的定义开始，开发具有软件融合功能的智能传感器，促进人工智能在传感器领域更广阔的应用。

（3）传感器低功耗及自供能需求日趋增加。随着物联网等应用对传感需求的快速增长，传感器使用数量急剧增加，能耗也将随之翻倍。降低传感器功耗，采用环境能量收集实现自供能，增强续航能力的需求将会伴随传感器发展的始终，且日趋强烈。

（4）MEMS 向 NEMS 演进。随着终端设备小型化、种类多样化，推动微电子加工技术特别是纳米加工技术的快速发展，智能传感器向更小尺寸演进是大势所趋。与 MEMS 类似，NEMS（纳机电系统）是专注纳米尺度领域的微纳系统技术，只不过尺寸更小。

（5）新敏感材料的兴起。薄膜型压电材料具有更好的工艺一致性、更高的可靠性、更高的良率、更小的面积，可用于 MEMS 执行器、扬声器、触觉和触摸界面等。未来 MEMS 器件的驱动模式预计将从传统的静电梳齿驱动转向压电驱动。

（6）更大的晶圆尺寸。相比于目前业界普遍 应用的 6 英寸、8 英寸晶圆制造工艺，更大的晶圆尺寸能够很大程度上降低成本、提高产量，并且晶圆尺寸的扩大与芯片特征尺寸的缩小是相应促进和互相推动的。例如，用 12 英寸晶圆工艺线制造的 MEMS 产品已经出现。