MEMS技术的发展与未来趋势

逍遥设计自动化

引言
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- o8 l0 {/ w) F5 u$ J* b( Z微机电系统（MEMS）产业正处于关键转型期，从传统技术向新一代创新迈进。当传统MEMS器件（如运动传感器、压力传感器和麦克风）已经商品化，产业正在积极探索可能引领MEMS技术突破性发展的新领域。

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图1：A.M. Fitzgerald & Associates公司提出的MEMS产品开发进程，突出显示了从初始概念到市场部署的关键阶段。
2 l- P$ ~6 i  C, v* N先进压电MEMS技术

MEMS架构正在发生重大变革，压电MEMS（piezoMEMS）作为传统电容式MEMS的替代方案表现出优越性。压电薄膜（特别是PZT，即钛酸锆铅）正在改变各类MEMS应用。与传统电容式解决方案相比，这些材料展现出更优异的性能特征和制造效率。该技术已应用于麦克风、微型镜面、气体传感器、图像稳定器和超声换能器。根据Yole Group的行业预测，到2029年，压电MEMS将占所有MEMS晶圆生产的30%。

压电MEMS技术的成熟可追溯到2017-2018年，当时晶圆厂实现了压电材料的可靠和一致性制造。这一制造突破推动了批量生产能力。该技术的成功促成了设计公司和晶圆厂之间的战略联盟，例如A.M. Fitzgerald与MEMS Infinity的合作，旨在简化设计到生产的流程，加快压电MEMS器件的上市时间。

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# i' @% p6 l1 A7 ?2 X! b0 W* [6 `图2：根据Yole Group预测，到2029年，压电MEMS将占所有MEMS晶圆产量的30%。
' I% b6 s/ }& ~. H6 d! F, I集成和计算能力进展

过去二十年，MEMS产业在系统集成和计算能力方面取得显著进展。现代MEMS器件已从简单的模拟起源发展到包含复杂的计算处理。这种转变源于对更高效数据处理和传输的需求。当代MEMS系统设计为仅处理和传输关键信息，如阈值超限或特定事件发生，而不是原始传感器数据。
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# H% F7 ]6 g: a* Q. m集成趋势促进了完整解决方案包的开发，将MEMS芯片与电子和软件结合。博世和意法半导体等主要业内企业正引领这一集成趋势，通过综合系统产品获取更高价值。这种集成扩展到三维异构集成，MEMS和半导体技术在三维集成电路开发中正在融合。这种融合导致了硅通孔（TSV）和布线层等MEMS技术在集成电路领域的应用。
9 Q0 A, f7 |, [: }硅基光电子MEMS和数据中心应用

. q+ S# J  }9 W& L) l# B硅基光电子MEMS代表产业新兴前沿，主要由数据中心需求推动。该技术提供显著的能源效率优势，在数据中心用光纤替代传统铜缆可实现高达30%的能源节省。这一转变重新激发了对2000年代初光通信高潮期开发的技术的兴趣，包括MEMS镜面、光交叉连接和光调制器。
3D打印MEMS：未来制造范式

3D打印技术的发展为MEMS制造带来变革性可能。随着增材技术在线宽和材料兼容性方面接近MEMS级别能力，直接打印MEMS器件的可能性增加。3D打印中多种材料（金属、电介质和半导体）的集成可能彻底改变MEMS生产，特别是小批量应用。

目前，小批量MEMS制造（年产约10,000片芯片）涉及掩模工作、工艺开发和晶圆厂设置的巨大成本。采用3D打印可大幅降低这些成本，同时加快原型制作并改善交付时间。虽然完全具备多材料打印能力的打印机预计在五到十年内可用，但3D打印已在MEMS晶圆生产的后端工艺中得到探索。
市场动态和行业挑战
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$ ?/ p% G% K0 \7 L( a: \$ hMEMS市场格局仍然高度分散，各参与者成功程度不一。截至2023年，市场经历了3%的下降，达到146亿美元，主要受消费电子放缓和更广泛经济周期的影响。该行业每年处理约400万片晶圆，预计到2029年产量将达到500万片。目前，60%的生产发生在西方国家，19%在日本，其余分布在大中华区和东南亚。

- s) w# {" n; a* J地缘政治因素显著影响了行业动态，特别是影响美中实体之间的合作。硅谷与中国技术中心之间此前活跃的交流已显著减少，导致市场分散化和孤立化加剧。尽管面临这些挑战，该行业继续发展，专业市场和新技术前沿不断涌现机遇。

MEMS技术的未来取决于适应不断变化的市场需求的能力，同时利用新兴制造技术和材料。该行业对集成、增强计算能力以及光电子技术和数据中心新应用的关注表明创新和增长将持续发展。
参考来源
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% c4 L% N0 j( P, p' b[1] Pelé, "The MEMS Industry Strives for the Next Big Thing," EE Times Europe, Dec. 10, 2024. [Online]. Available: https://www.eetimes.eu/the-mems-industry-strives-for-the-next-big-thing/ [Accessed: Dec. 27, 2024]
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& \7 i; `) g4 b深圳逍遥科技有限公司（Latitude Design Automation Inc.）是一家专注于半导体芯片设计自动化（EDA）的高科技软件公司。我们自主开发特色工艺芯片设计和仿真软件，提供成熟的设计解决方案如PIC Studio、MEMS Studio和Meta Studio，分别针对光电芯片、微机电系统、超透镜的设计与仿真。我们提供特色工艺的半导体芯片集成电路版图、IP和PDK工程服务，广泛服务于光通讯、光计算、光量子通信和微纳光子器件领域的头部客户。逍遥科技与国内外晶圆代工厂及硅光/MEMS中试线合作，推动特色工艺半导体产业链发展，致力于为客户提供前沿技术与服务。

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