导读:MEMS也叫微机电系统,它是将微电子技术与机械工程融合到一起的一种工业技术,操作范围在微米范围内。比它更小的,在纳米范围的类似的技术被称为纳机电系统。
MEMS也叫微机电系统,它是将微电子技术与机械工程融合到一起的一种工业技术,操作范围在微米范围内。比它更小的,在纳米范围的类似的技术被称为纳机电系统。MEMS主要包括微型机构、微型传感器、微型执行器和相应的处理电路等几部分,它是在融合多种微细加工技术,并应用现代信息技术的最新成果的基础上发展起来的高科技前沿学科。
MEMS技术的优势
MEMS的技术基础主要包括设计与仿真技术、材料与加工技术、封装与装配技术、测量与测试技术、集成与系统技术等。MEMS相对于传统的机械,它们的尺寸更小,最大的不超过一个厘米,甚至仅仅为几个微米,其厚度就更加微小。采用以硅为主的材料,电气性能优良,硅材料的强度、硬度和杨氏模量与铁相当,密度与铝类似,热传导率接近钼和钨。采用与集成电路(IC)类似的生成技术,可大量利用IC生产中的成熟技术、工艺,进行大批量、低成本生产,使性价比相对于传统“机械”制造技术大幅度提高。
三大特点:
1、微型化:MEMS器件体积小,重量轻,耗能低,惯性小,谐振频率高,响应时间短。MEMS系统与一般的机械系统相比,不仅体积缩小,而且在力学原理和运动学原理,材料特性、加工、测量和控制等方面都将发生变化。在MEMS系统中,所有的几何变形是如此之小(分子级),以至于结构内应力与应变之间的线性关系(虎克定律)已不存在。MEMS器件中摩擦表面的摩擦力主要是由于表面之间的分子相互作用力引起的,而不是由于载荷压力引起。MEMS器件以硅为主要材料。硅的强度、硬度和杨氏模量与铁相当。密度类似于铝,热传导率接近铜和钨,因此MEMS器件机械电气性能优良。
2、批量生产:MEMS采用类似集成电路(IC)的生产工艺和加工过程,用硅微加工工艺在一硅片上可同时制造成百上千个微型机电装置或完整的MEMS。使MEMS有极高的自动化程度,批量生产可大大降低生产成本;而且地球表层硅的含量为2%。几乎取之不尽,因此MEMS产品在经济性方面更具竞争力。
3、集成化:MEMS可以把不同功能、不同敏感方向或制动方向的多个传感器或执行器集成于一体,或形成微传感器阵列和微执行器阵列。甚至把多种功能的器件集成在一起,形成复杂的微系统。微传感器、微执行器和微电子器件的集成可制造出高可靠性和稳定性的微型机电系统。
MEMS技术的应用前景
MEMS技术的发展开辟了一个全新的技术领域和产业,采用MEMS技术制作的微传感器、微执行器、微型构件、微机械光学器件、真空微电子器件、电力电子器件等在航空、航天、汽车、生物医学、环境监控、军事以及几乎人们所接触到的所有领域中都有着十分广阔的应用前景。
MEMS最初大量用于汽车安全气囊,而后以MEMS传感器的形式被大量应用在汽车的各个领域,随着MEMS技术的进一步发展,以及应用终端“轻、薄、短、小”的特点,对小体积高性能的MEMS产品需求增势迅猛,消费电子、医疗等领域也大量出现了MEMS产品的身影。MEMS技术正发展成为一个巨大的产业,就象近20年来微电子产业和计算机产业给人类带来的巨大变化一样,MEMS也正在孕育一场深刻的技术变革并对人类社会产生新一轮的影响。目前MEMS市场的主导产品为压力传感器、加速度计、微陀螺仪、墨水喷咀和硬盘驱动头等。
国内MEMS产业发展与应用面临的三大挑战
一、高端研发人员缺失是关键
现在开发一个技术所花的时间,比该技术从商业化到市场上得到大规模应用所花时间还要长,对于技术企业的资金和商业运作都是一个挑战。随着技术商业化进程的加快,很多技术在市场存活时间很短,而MEMS传感器需要较长研发时间,这对MEMS企业是一个很大的挑战。国内MEMS企业,由于基础弱,没有国外MEMS巨头拥有的IP资源的广度与深度,将考验中国初创企业的耐心、远见。
本土MEMS产业缺乏高端研发人员,与欧美发达国家相比,我们的研发水平相对较低,从基础研究上就处于落后地位;亦缺乏经验丰富的本土MEMS工程师,导致产业化难度较大。
二、产业链尚未形成
尽管中国MEMS产业生态逐步完善,但各个产业链上缺乏规模企业,没有产生在国际市场上具有领导地位的企业。MEMS传感器和IC芯片一样,具有很强的规模效应,国内企业的出货量上不去,导致整个产业链,比如前端流片等环节加工能力比较薄弱,一致性、生产重复性都不能满足设计的加工工艺要求。因此整个 MEMS产业链均处于投入阶段,盈利比较困难,产生了恶性循环。
三、企业盈利难题待解决
产品的价格并不与产品的重要性或者开发难度成正比,从陀螺仪和加速度计来看,价格每季度下跌3%至5%,系统厂商对于MEMS产品需求量很大,但是它们已经把价格杀到MEMS厂商难以为继的地步。
中国MEMS传感器产业的机遇
整个MEMS传感器产业链,包括研发、设计、代工、封测到应用。MEMS产业链将来的投资机会重点应在新型封装与测试、12寸晶圆、软件和新兴传感器。
1. 新的封装与测试已经成为众多MEMS传感器公司的焦点,由于MEMS传感器的复杂性,封装占据了整个芯片成本的很大部分,因此未来要降低成本来扩展市场,很大程度上等同于降低封装成本;其次国内整个测试效率较低,这也是制约MEMS传感器发展的瓶颈。降低封装成本、提高测试效率,是亟待解决的难题。
2. 目前几乎所有的MEMS传感器都是由8英寸晶圆产线制造的,不过由于汽车电子与物联网等需求的不断攀升,导致生产MEMS传感器的8英寸产线利用率极高,所以生产MEMS传感器的12英寸MEMS晶圆制造将在未来几年成为热门主题,12英寸晶圆制造将影响整个MEMS传感器供应链,包括设计、材料、设备和封装等。
3. 电子产业迫切需要新的MEMS来推动智能产品和物联网的发展,期待有突破性的新产品不断出现。新兴MEMS传感器是产业投资的重点方向。
4.软件正成为MEMS传感器的重要组成部分。随着传感器进一步集成,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。软件将是未来的投资机会。
综述:们不仅要开发各种制造MEMS的技术,更重要的是如何将MEMS技术与航空航天、信息通信、生物化学、医疗、自动控制、消费电子以及兵器等应用领域相结合,制作出符合各领域要求的微传感器、微执行器、微结构等MEMS器件与系统。未来,随着我国经济的发展,MEMS在技术上与应用上将取得更大的突破。
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