MEMS应用需求各异压电MEMS开辟新疆域

王懿

MEMS集中了当今科学技术发展的许多尖端成果，涉及物理学、半导体、光学、化学、电子工程、材料工程、机械工程及生物工程等多种学科和工程技术。相比传统的结构型传感器，MEMs传感器具有体积小、重量轻、功耗低、价格低、集成度高、可批量制造等优点。此外，MEMs传感器还可以与处理单元集成，例如采用系统级封装（sip）或片上系统（soC）形式，因此MEMS成为智能传感器的重要载体。

尽管IDM至今仍主导MEMS产业走向，但是代工模式也有其优点：不仅可以让无晶圆厂（Fabless）MEMS设计公司节省兴建晶圆厂的巨额成本，以投资更多人力专注于传感器產品设计，还可以加速消费类MEMS应用的发展。

以MEMS惯性传感器为例，与应用相关的精度指标主要有三方面：噪声（Noise），如振动抑制、1/f噪声、高频噪声等;稳定性（stabili-ty），如长期稳定性、温度稳定性和重复稳定性等;偏差（Tolerance），如零偏、灵敏度、非线性、轴间串扰等。

展望未来10年，5G、物联网、人工智能、自动驾驶汽车将成为MEMs市场的主要驱动因素。不同应用对MEMS传感器的需求各异，以MEMS加速度计为例，在个人消费电子领域，功耗最重要，其次是精度和成本;在汽车领域，可靠性最重要，其次是精度和寿命;在工业领域，寿命最重要，其次是可靠性和精度。

受到多种MEMS产品的应用驱动，如压力传感器（例如胎压监测系统）、射频器件（例如5G通信和车联网）、惯性传感器（例如高级驾驶辅助系统和自动驾驶汽车）和新兴MEMS器件（例如用于指纹识别的压电MEMS超声波换能器）等，预计MEMS市场将在2019年至2024年期间实现显著增长：市场营收的复合年增长率约为8.3%，出货量的复合年增长率约为11.9%。

此外，新材料（如压电材料）和新工艺（如压电薄膜沉积）的发展为MEMs应用领域开疆辟土。实际上，压电和MEMS技术的融合发展正在为全球MEMS产业带来一场革命。压电MEMS技术越来越多地应用于射频滤波器、MEMS时钟、MEMS陀螺仪、喷墨打印头、MEMS扬声器和麦克风、MEMS微镜、自动对焦执行器、能量收集器，以及超声波换能器和指纹识别传感器等产品。

随着先进材料和半导体技术不断发展，电子器件正朝着小型化、智能化和高集成化道路发展，面对智能手机等消费类产品的海量需求，市场对压电薄膜型器件的需求日益增加，越来越多的电子器件采用的压电材料开始从块体型转向薄膜型。因此，压电薄膜沉积技术在MEMs产业中变得越来越重要。目前应用最广泛的压电薄膜材料是氮化铝（AlN）和锆钛酸铅（PZT）。

在市场需求和压电材料制备水平提高的双重因素影响下，压电MEMs和传感器正迎来黄金时代，将在5G通信、智能语音、消费类可穿戴设备、指纹识别和医疗等设备中拥有广阔的应用前景。在整个压电器件市场中，射频滤波器受益于5G通信而快速发展，包括SAW和BAW滤波器。智能语音交互市场引爆了麦克风海量需求，新型压电MEMS麦克风凭借高信噪比优势，有望打破传统的电容式麦克风垄断地位，同样压电MEMS扬声器也蓄势待发。在全屏手机需求背景下，压电超声波指纹识别的高安全性和良好的抗污特性，更切合物联网安全可靠的发展趋势，因而备受关注。

MEMS传感器正在将人类的体验数字化，并推动真实世界和虚拟世界的紧密结合，为全球各地的用户提供全新的体验。MEMS传感器与人工智能的结合将催生边缘计算新时代：在边缘设备中将多种传感器融合，再结合人工智能技术，可以为视、听、嗅、运动等多种物理量的感测开辟新应用。同时，压电MEMS技术也将为蓬勃的MEMS市场再注一剂强心针。