一說(shuō)到芯片，就是橫在我們心頭的一根尖刺！雖說(shuō)國(guó)家已經(jīng)在大力扶持芯片產(chǎn)業(yè)，但是與美歐在芯片的長(zhǎng)期深耕相比，我們還有很大的鴻溝等待跨越！

4G將視頻普及到了手機(jī)上，讓互聯(lián)網(wǎng)經(jīng)濟(jì)觸及到我們每一個(gè)人，而隨著5G的快速發(fā)展，萬(wàn)物互網(wǎng)將會(huì)將所有人和物聯(lián)系在一起，這股巨大流量將會(huì)引爆一個(gè)更加龐大的市場(chǎng)。物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，除了計(jì)算核心芯片之外，外貌和芯片有點(diǎn)像的MEMS(微機(jī)電系統(tǒng))市場(chǎng)規(guī)模和芯片也一樣大得很。

微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS, Micro-Electro-Mechanical System），也叫做微電子機(jī)械系統(tǒng)、微系統(tǒng)、微機(jī)械等，指尺寸在幾毫米乃至更小的高科技裝置。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)一般在微米甚至納米量級(jí)，是一個(gè)獨(dú)立的智能系統(tǒng)。主要用作各種傳感器，以測(cè)量加速度、角速度、壓力、位移、流量、電量、磁場(chǎng)、紅外、溫度、氣體成分、濕度、PH值、離子濃度、生物濃度、觸覺(jué)等。

可能大家對(duì)MEMS沒(méi)有太多概念，但是我們實(shí)際每天都用到它。在手機(jī)就有很多MEMS器件，比如用于測(cè)量單擊雙擊手式的MEMS陀螺儀，它還集成重力感應(yīng)和方向感應(yīng)的功能。

從上圖看起來(lái)MEMS似乎不小，但這是它封裝好之后的形式，而這種微結(jié)構(gòu)，比芯片的工藝更復(fù)雜，我國(guó)近年通過(guò)扶持政策，已經(jīng)初步具備了芯片生產(chǎn)能力。但是在MEMS行業(yè)，我們比芯片落后得更多。MEMS產(chǎn)品包羅萬(wàn)象，它用微電子加工的方式做出常用的機(jī)械裝置，如馬達(dá)、泵、陀螺儀、反射鏡面等，內(nèi)部可能包括通道、孔、懸臂梁、膜、腔體等結(jié)構(gòu)。MEMS融合了微電子加工工藝和精密機(jī)械加工等技術(shù)，涉及微電子、機(jī)械、材料、力學(xué)、化學(xué)甚至生物學(xué)等諸多科學(xué)領(lǐng)域。

MEMS芯片與螨蟲的對(duì)比圖

微機(jī)械概念是著名物理學(xué)家費(fèi)曼(Richard Feynman)，1959年在加州理工學(xué)院的物理年會(huì)上發(fā)表的題為“There's Plenty of Room at the Bottom（底部還有很大空間）”的著名演講提出的。1987年，加州大學(xué)伯克利分校的科學(xué)家借鑒集成電路(IC)工藝，制作出了直徑僅為100μm左右的硅微靜電微電機(jī)，它的大小與人類頭發(fā)絲的粗細(xì)相當(dāng)。此后，MEMS技術(shù)進(jìn)入飛速發(fā)展時(shí)代，各種MEMS產(chǎn)品層出不窮，應(yīng)用在各種尖端領(lǐng)域。

硅微靜電微電機(jī)

在投影機(jī)當(dāng)中，最核心的芯片叫做DMD，這種芯片就是一種MEMS器件，全世界只有美國(guó)的TI（德州儀器）可以生產(chǎn)。DMD技術(shù)也稱為"數(shù)字光線處理技術(shù)"。通過(guò)數(shù)字信息控制數(shù)十萬(wàn)到上百萬(wàn)個(gè)微小的反射鏡，將不同數(shù)量的光線投射出去。每個(gè)微鏡的面積只有16×16微米，微鏡按矩陣行列排布,每個(gè)微鏡可以在二進(jìn)制0/1數(shù)字信號(hào)的控制下做正10度或負(fù)10度的角度翻轉(zhuǎn)。如果美國(guó)禁止這種芯片出口，那么臺(tái)灣的揚(yáng)明、臺(tái)達(dá)等投影機(jī)引擎企業(yè)都要歇菜，世界上所有投影機(jī)都得想辦法再用回液晶這種昏暗的投影技術(shù)。

TI的DMD芯片原理

據(jù)相關(guān)預(yù)測(cè)，隨著物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的推廣，全球MEMS行業(yè)在未來(lái)幾年將持續(xù)每年兩位數(shù)的增長(zhǎng)，這個(gè)增長(zhǎng)速度遠(yuǎn)超全球芯片行業(yè)的增速。到2020年，全球傳感器市場(chǎng)接近600億美元，而我國(guó)傳感器芯片的國(guó)產(chǎn)化率還不到10%，比芯片還更依賴進(jìn)口。

2018年全球前十大MEMS芯片公司

全球前十大MEMS公司全部是歐美日企業(yè)，并且現(xiàn)在MEMS的三種生產(chǎn)工藝分別為美國(guó)、德國(guó)和日本掌握著。這三種技術(shù)分別是以美國(guó)為代表的以集成電路加工技術(shù)為基礎(chǔ)的硅基微加工技術(shù)，以德國(guó)為代表發(fā)展起來(lái)的利用X射線深度光刻、微電鑄、微鑄塑的LIGA技術(shù)，和以日本為代表的精密加工技術(shù)，如微細(xì)電火花EDM、超聲波加工技術(shù)。

我國(guó)的MEMS產(chǎn)業(yè)起步較晚，一般認(rèn)為從2010年前后我國(guó)的MEMS產(chǎn)業(yè)才有了雛形。但是，之前在我國(guó)的一些高校也有做過(guò)這方面的一些研究。例如2006年，哈爾濱技術(shù)學(xué)院電子工程系研制了一種高速開關(guān)磁阻微電機(jī)，其轉(zhuǎn)速可達(dá)到10^5r/min。

哈爾濱技術(shù)學(xué)院微電機(jī)結(jié)構(gòu)和主磁通量分布。

總體來(lái)說(shuō)，我國(guó)MEMS不管從技術(shù)上還是從商業(yè)上，都遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后美歐日，2018年我國(guó)只有兩家企業(yè)進(jìn)入全球前30名MEMS廠商，分別是第11名的歌爾股份和第23名的瑞聲科技，兩家公司主營(yíng)業(yè)務(wù)都集中于MEMS聲學(xué)器件。我國(guó)雖已形成了設(shè)計(jì)、生產(chǎn)制造、封裝測(cè)試、系統(tǒng)集成的完整產(chǎn)業(yè)鏈條，但產(chǎn)品集中在加速度計(jì)、壓力傳感器等傳統(tǒng)領(lǐng)域。

MEMS傳感器經(jīng)歷了三次浪潮，第一次發(fā)生在20世紀(jì)80年代末到90年代，以汽車電子需求增長(zhǎng)帶來(lái)的；第二次發(fā)生在2007年之后，以消費(fèi)電子產(chǎn)品和互聯(lián)網(wǎng)設(shè)備帶來(lái)的傳感器產(chǎn)品需求；第三次是物聯(lián)網(wǎng)出現(xiàn)，其快速發(fā)展將給行業(yè)帶來(lái)巨大發(fā)展紅利。

能否隨著這股浪潮將我國(guó)MEMS產(chǎn)業(yè)帶動(dòng)發(fā)展起來(lái)，就看我們能否抓住這個(gè)機(jī)會(huì)，將我國(guó)自主的MEMS技術(shù)發(fā)展了。