近年来，MEMS技术以其惊人的创新潜力，成为科技领域的一颗耀眼明星。

MEMS全称Micro Electromechanical System，即微机电系统，MEMS产品将具有不同功能的微传感器、微执行器、微结构、信号处理与控制电路、通讯/接口单元在硅晶圆上制作而成，是微型机械加工工艺和半导体工艺相结合的产品。

简单来讲，MEMS是一种结合了机械和电子技术的微小装置。

由于MEMS拥有小型化、低功耗、集成化、智能化等特点，被广泛应用于消费电子、汽车、工控、医疗等领域，用于感知运动、声音、温度、压力等，并且MEMS器件在几乎所有市场中都得到越来越多的采用。

MEMS是传感器乃至整个半导体产业重要的技术分支，目前正处于第三次产业浪潮的爆发期，方兴未艾。未来，随着物联网、人工智能、自动驾驶等新兴技术的发展成熟，MEMS新产品、新功能、新应用也将不断涌现，从而带动MEMS行业规模持续增长。

根据Yole Group近期发布的MEMS年度报告《Status of the MEMS Industry 2023》显示，MEMS市场将以5%的年复合增长率，从2022年的145亿美元增长到2028年的200亿美元。

MEMS 行业发展历程与3次产业浪潮

MEMS 起源可追溯至 20 世纪 50 年代，硅的压阻效应被发现后，学者们开始了对硅传感器的研究。然而，MEMS 产业真正发展始于 20 世纪 80 年代，前后经历了 3 次产业化浪潮。

20 世纪 80 年代至 90 年代：1983 年 Honeywell 利用大型刻蚀硅片结构和背蚀刻膜片制作了集成压力传感器，将机械结构与电路集成在一个芯片内。80 年代末至 90 年代，汽车行业的快速发展，汽车电子应用如安全气囊、制动压力、轮胎压力监测系统等需求增长，巨大利润空间驱使欧洲、日本和美国的企业大量生产 MEMS，推动了 MEMS 行业发展的第一次浪潮。

20 世纪 90 年代末至 21 世纪初：本阶段早期，喷墨打印头和微光学器件的巨大需求促进了 MEMS 行业的发展。而 2007 年后，消费电子产品对 MEMS 的强劲需求，手机、小家电、电子游戏、远程控制、移动互联网设备等消费电子产品要求体积更小且功耗更低的 MEMS 相关器件，对 MEMS 产品需求更大，掀起了 MEMS 行业发展的第二次产业化浪潮，并将持续推动 MEMS 行业向前发展。

2010 年至今：产品应用的扩展，使 MEMS 行业呈现新的趋势。MEMS 产品逐步应用于物联网、可穿戴设备等新领域，应用场景日益丰富，正渐渐覆盖人类生活的各个维度。此外，MEMS 是当前移动终端创新的方向，新的设备形态（如可穿戴设备）需要更加微型化的器件和更为便捷的交互方式。

然而，物联网、可穿戴设备应用助推 MEMS 第三次产业化浪潮的同时，行业仍然面临来自产品规格、功率消耗、产品整合以及成本等方面的压力，MEMS 产品及相关技术亟待持续改进，以满足更小、更低能耗、更高性能的需求。

MEMS需求越来越明显

过去，随着中国消费电子组装行业的增长，对高端进口传感器的需求不断增加，近几年，即使消费电子行业趋于平缓，但汽车、储能等新行业的介入有助于继续保持对 MEMS 传感器需求的增长。

大数据与物联网相结合意味着越来越多的传感器被用来收集数据进行处理。这些传感器可应用于智能城市和工厂，并在电动汽车中普及。

在电动汽车中，一些最常见的传感器是惯性传感器，如加速度计和陀螺仪；光学 MEMS，例如用于无人驾驶解决方案的镜子、用于安全气囊展开或内部电池的压力传感器；和热传感器来监控 BMS 等子系统。现在每辆汽车都使用了 100 多个MEMS 传感器，而且这个数字还会增加。

自动化和安全，已经成为越来越广泛的需求，无论是在车辆、工厂还是城市中，都需要这些传感器。

我国“十四五”规划、2021年基础电子元器件发展规划、2021年物联网基础设施三年行动计划均提到MEMS，甚至要求有针对性地支持温度、气体、运动、光电、速度和生化传感器。

MEMS技术的未来发展趋势？

MEMS技术在目标市场中已经较为成熟。但随着创新正在发生，OEM希望能够持续优化成本、尺寸和性能，这也将进一步推动MEMS市场和技术需求。

为了保持竞争力，MEMS行业始终在追求创新。

业内人士应该了解，MEMS与生俱来就具有创新的能力，这种创新能力最早始于其极具创新性的设计、创新性的结构、以及创新性的封装技术等。例如，在博世公司首次在专用集成电路ASIC中引入硅通孔技术（TSVs），并在3轴加速器上采用了晶圆级芯片规模封装技术之后，与其竞争对手ST和mCube相比，博世MEMS产品的封装尺寸减小至55%。此项技术突破帮助他们减小了硅芯片的尺寸，并因此很好的降低了产品成本。

此类创新竞赛从未停上过。mCube后续又凭借其MC3600系列加速器的创新方案再次反超博世公司，重新居于领跑地位。

如今，MEMS领域的创新仍在继续，这种创新不仅来自新技术，也包括成熟MEMS技术的新应用。

先进封装：微型化、集成化趋势

作为一种技术趋势，MEMS传感器和执行器不断致力于缩小尺寸、降低成本和提高性能，并正在转向以异构功能集成为关键的系统化。

首先，微型化不可逆，MEMS向NEMS（纳机电系统）演进。与MEMS类似，NEMS是专注纳米尺度领域的微纳系统技术，只不过尺寸更小。而随着终端设备小型化、种类多样化，MEMS向更小尺寸演进是大势所趋。

此外，从前端制造到封装、模块和系统集成，整个MEMS供应链都朝着混合能力的方向发展。

随着MEMS加工工艺的进步，以及CMOS工艺和MEMS工艺的集成，MEMS传感器可以在更小面积的芯片上集成更强大的运算与存储能力，更好地满足系统应用对低成本、小体积、高性能的全面要求。

多传感器融合

现代传感器作为电子产品的“感知中枢”，通过加入微控制单元和相应信号处理算法，还可以承担自动调零、校准和标定等功能，实现终端设备的智能化。

同时，传感器市场也正在呈现多项功能高度集成化和组合化。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。

多传感器融合技术有助于增加可获得的数据数量，显著提高系统的冗余度和容错性，从而保证决策的快速性和正确性。随着设备智能化程度的提升，单个设备中搭载的传感器数量不断增加，多传感器的融合和协同提升了信号识别与收集效果。

综合来看，先进的封装技术，如多芯片模块可以将多个芯片组合封装，特别是3D堆叠封装技术，代表着MEMS产品不断向微型化和高集成化的发展趋势迈进，预示着其可在有限的体积内集成更多的组件，实现更复杂更强大的功能。随着MEMS传感器的技术的发展，传感器的体积将不断缩小，这将有利于更多应用领域，如消费电子、汽车行业等领域，更易于整合到不同类型产品中。

基于此，业界还出现了很多新技术：

密封双模技术

当前，可听设备和以音频为中心的可穿戴设备对音质和电池寿命都有很高的期望。因此，工程师必须利用先进的MEMS技术和创新的电路设计跟上步伐。

例如，英飞凌在Apple Airpods Pro中的MEMS麦克风中采用了密封双膜技术，将其专有的MEMS技术和巧妙的ASIC设计发挥到极致，这种设计可以将功耗降低两倍，将高音频质量和低噪声结合在一个微型麦克风设备中，也实现了超高SNR（信噪比）、极低失真，并且可以防止水和灰尘滞留在膜和背板之间，从而实现几乎无噪音音频信号捕获。

激光重新密封工艺

比如，2015年至2018年，博世在苹果iPhone中的压力传感器从LGA封装转向O形圈防水封装，让苹果提高了耐用性。在此期间，博世将MEMS芯片的尺寸减少了一半以上，从0.8mm²缩小到0.35mm²，遵循了行业小型化的模式。

博世还推出了新的制造技术，新的激光重新密封工艺可显着减少压力变化，从而最大限度地发挥 iPhone 14 Pro 内惯性传感器的性能。虽然该工艺比以前的工艺贵三倍，但它允许将MEMS陀螺仪和加速度计集成到同一芯片上，从而实现传感器的进一步小型化并更好地控制腔内的真空水平。

MEMS器件真空封装结构

MEMS器件真空封装的制造工艺主要包括基底加工、薄膜沉积、真空腔室形成和密封结构制备等步骤。该结构是为了保护其微观结构免受外部环境影响，如温度、湿度、气体等，能够有效降低器件的气阻，提高其灵敏度和性能稳定性。

MEMS器件真空封装结构及其制造工艺对于确保器件的性能和稳定性至关重要。通过精确的基底加工、薄膜沉积、真空腔室形成和密封结构制备等工艺步骤，可以实现高质量的真空封装。

然而，由于MEMS器件的尺寸和复杂性不断增加，其真空封装制造工艺也面临着诸多挑战。未来，随着封装技术的不断创新和优化，有望进一步提高MEMS器件真空封装的性能和可靠性。

总结来看，随着MEMS技术的不断发展，对于封装技术的要求也将不断提高。未来的封装技术需要在降低成本、提高生产效率、缩小封装体积等方面取得更多突破。例如，通过集成多种功能的封装技术，可以减少器件间的连接，提高整体性能。此外，新型材料的开发和应用也将为MEMS器件真空封装带来更多可能性。

在实际应用中，为了满足不同MEMS器件的需求，封装技术应具备一定的灵活性和可定制性。为了实现这一目标，未来研究应聚焦于多种封装技术的融合和创新，如将微观和宏观尺度的封装技术相结合，以及将传统和新兴封装技术相结合。

总之，MEMS器件真空封装结构及其制造工艺在保证器件性能和稳定性方面起着至关重要的作用。未来的研究和发展将继续专注于提高封装技术的性能、可靠性和生产效率，以满足不断变化的MEMS器件需求。通过不断创新和优化，有望为各行各业提供更加高效、稳定和可靠的MEMS器件解决方案。

此外，MEMS传感器制造商正试图通过为MEMS传感器添加软件、处理和计算能力，赋予其额外的功能，从而摆脱商品化周期并提升价值链。MEMS传感器与边缘或云中的AI/ML/DL相结合的应用正在开辟一条道路。

文章来源： 半导体行业观察，传感器专家网