MEMS應用需求各異壓電MEMS開辟新疆域

王懿

MEMS集中了當今科學技術發展的許多尖端成果，涉及物理學、半導體、光學、化學、電子工程、材料工程、機械工程及生物工程等多種學科和工程技術。相比傳統的結構型傳感器，MEMs傳感器具有體積小、重量輕、功耗低、價格低、集成度高、可批量制造等優點。此外，MEMs傳感器還可以與處理單元集成，例如采用系統級封裝（sip）或片上系統（soC）形式，因此MEMS成為智能傳感器的重要載體。

盡管IDM至今仍主導MEMS產業走向，但是代工模式也有其優點：不僅可以讓無晶圓廠（Fabless）MEMS設計公司節省興建晶圓廠的巨額成本，以投資更多人力專注于傳感器產品設計，還可以加速消費類MEMS應用的發展。

以MEMS慣性傳感器為例，與應用相關的精度指標主要有三方面：噪聲（Noise），如振動抑制、1/f噪聲、高頻噪聲等;穩定性（stabili-ty），如長期穩定性、溫度穩定性和重復穩定性等;偏差（Tolerance），如零偏、靈敏度、非線性、軸間串擾等。

展望未來10年，5G、物聯網、人工智能、自動駕駛汽車將成為MEMs市場的主要驅動因素。不同應用對MEMS傳感器的需求各異，以MEMS加速度計為例，在個人消費電子領域，功耗最重要，其次是精度和成本;在汽車領域，可靠性最重要，其次是精度和壽命;在工業領域，壽命最重要，其次是可靠性和精度。

受到多種MEMS產品的應用驅動，如壓力傳感器（例如胎壓監測系統）、射頻器件（例如5G通信和車聯網）、慣性傳感器（例如高級駕駛輔助系統和自動駕駛汽車）和新興MEMS器件（例如用于指紋識別的壓電MEMS超聲波換能器）等，預計MEMS市場將在2019年至2024年期間實現顯著增長：市場營收的復合年增長率約為8.3%，出貨量的復合年增長率約為11.9%。

此外，新材料（如壓電材料）和新工藝（如壓電薄膜沉積）的發展為MEMs應用領域開疆辟土。實際上，壓電和MEMS技術的融合發展正在為全球MEMS產業帶來一場革命。壓電MEMS技術越來越多地應用于射頻濾波器、MEMS時鐘、MEMS陀螺儀、噴墨打印頭、MEMS揚聲器和麥克風、MEMS微鏡、自動對焦執行器、能量收集器，以及超聲波換能器和指紋識別傳感器等產品。

隨著先進材料和半導體技術不斷發展，電子器件正朝著小型化、智能化和高集成化道路發展，面對智能手機等消費類產品的海量需求，市場對壓電薄膜型器件的需求日益增加，越來越多的電子器件采用的壓電材料開始從塊體型轉向薄膜型。因此，壓電薄膜沉積技術在MEMs產業中變得越來越重要。目前應用最廣泛的壓電薄膜材料是氮化鋁（AlN）和鋯鈦酸鉛（PZT）。

在市場需求和壓電材料制備水平提高的雙重因素影響下，壓電MEMs和傳感器正迎來黃金時代，將在5G通信、智能語音、消費類可穿戴設備、指紋識別和醫療等設備中擁有廣闊的應用前景。在整個壓電器件市場中，射頻濾波器受益于5G通信而快速發展，包括SAW和BAW濾波器。智能語音交互市場引爆了麥克風海量需求，新型壓電MEMS麥克風憑借高信噪比優勢，有望打破傳統的電容式麥克風壟斷地位，同樣壓電MEMS揚聲器也蓄勢待發。在全屏手機需求背景下，壓電超聲波指紋識別的高安全性和良好的抗污特性，更切合物聯網安全可靠的發展趨勢，因而備受關注。

MEMS傳感器正在將人類的體驗數字化，并推動真實世界和虛擬世界的緊密結合，為全球各地的用戶提供全新的體驗。MEMS傳感器與人工智能的結合將催生邊緣計算新時代：在邊緣設備中將多種傳感器融合，再結合人工智能技術，可以為視、聽、嗅、運動等多種物理量的感測開辟新應用。同時，壓電MEMS技術也將為蓬勃的MEMS市場再注一劑強心針。