MEMS系统整合前景看好

微机电系统（MEMS）是整合机械与电子的半导体技术，同时具备电子与机械特性，透过一连串微加工（Micromachining）步骤，来进行电子讯号处理与机械可动结构区块之制造，并具备微米至厘米尺寸的微系统组件。

MEMS以其轻、薄、短、小之特色，大量应用于消费性电子产品与医疗等领域。由于横跨机械与电子领域，除了多样化的产品架构（如微结构、微致动器、微传感器）与应用领域（如车用、消费电子、工业、信息、生医、环安）外，更有不同的制造材质与制程技术（如LIGA、Silicon Based、Polymer）。而可与半导体技术进行高度整合的Silicon Based MEMS技术，也成为近年来业界新宠，并促进MEMS系统整合的高速发展。

《图一 MEMS初始晶粒（die）显微图 》 数据源：SiTime

根据预测，2007年全球MEMS的市场规模将达到190亿美元，到了2009年更将成长到260亿美元。全球MEMS市场持续呈现成长态势，而MEMS技术也被多种应用领域所广泛接受，特别在通信产业的年复合成长率更高达60％。

MEMS与半导体

只不过尽管与IC设计产业有几分相似之处，MEMS毕竟与IC设计有所区隔，加上应用范围广泛，且多针对特定功能而设计，因此无法以单一标准制程量产。MEMS在生产过程中，最大的问题在于产品的封装作业，也由于封装作业的困难成为MEMS发展上的主要瓶颈，MEMS市场也出现群雄各拥技术的场面。

MEMS与半导体产业虽然各自独立，然而在发展的过程中难免激荡出火花，并渐渐朝向整合之路迈进。聚集化MEMS（MEMS on IC）便是将MEMS结构整合至以硅半导体之上，这也使得MEMS与半导体之间的界限开始模糊，而MEMS与IC的整合也成为全新的技术发展与应用趋势。藉由与半导体IC的整合，MEMS得以运用其成熟技术与丰富资源，加速开发时程、强化产品效能并降低制造成本。而半导体与MEMS的异质性整合，更可克服目前IC组件之发展瓶颈，刺激新的应用与需求。未来只要MEMS技术与IC设计产业加速整合，标准制程的出现将为MEMS产业带来全新的发展契机。

《图二MEMS应用于显微医疗技术示意图》 资料来源：Microvision

RF应用持续成长

在MEMS应用中拥有最丰厚获利的，就是RF MEMS的微波和毫米波应用。这和传统商用组件不同之处在于，RF MEMS组件具备系统整合与微型化发展潜力，同时拥有低功耗、高线性特性与高因子质量等特点，还可以采用不同的制程技术制造这些组件，例如以硅、砷化镓（GaAs）、碳化硅（SiC）和绝缘硅（SOI）等不同制程制造。

RF MEMS绝大部分应用于军事和车用电子。在军事用途方面主要是雷达数组系统，这样的雷达数组可使用多达50万个RF MEMS切换器（Switch）。车用领域则包括雷达防撞系统等。

RF MEMS切换器在低频（VHF约10GHz）的串联配置中，插入损耗（Insertion Loss）约0.1dB，隔离度约30dB。这些特性使得RF MEMS切换器非常适合用于RF前端、电容器等。而工作频率高于10GHz的RF MEMS则可应用于高速仪器前端和车用雷达中。目前许多研究发现RF MEMS组件可以整合于同一CMOS芯片上，这将带给RF MEMS组件更宽广的应用。未来MEMS组件也将持续提高整合度，在单一芯片上同时具备MEMS组件、信号处理单元及控制器等。

价格合理化提高普及率

由于MEMS组件价格渐渐下降，也使得原本令人却步的高价MEMS系统逐渐普及至一般消费者的生活当中，例如手机中的MEMS麦克风、各种行动装置的加速计、全球定位系统的陀螺仪等。这都是归功于MEMS制程技术的改进，使得产品良率大幅提升，价格的降低对于MEMS前进消费性电子市场特别重要，毕竟消费市场最敏感的便是价格，而未来MEMS的成长也将会由消费性市场的需求所带动。

MEMS系统整合应用日益广泛

随着消费市场需求的增加，预计MEMS麦克风取代传统麦克风、硅振荡器取代石英振荡器，以及三轴加速计的应用将会是近期MEMS市场的重要发展指针。此外，微型燃料电池则将是另一个最具发展潜力的MEMS应用商品。简单区分目前MEMS的应用市场，IT领域占有最大比重，例如打印机喷墨头。而车用市场则较为成熟，例如压力传感器、加速计、安全气囊、ESP（Electronic Stability Program）、侧面防撞、胎压感测，以及GPS导航系统和陀螺仪等。而目前炒得的消费性市场，则有任天堂的Wii游戏机使用三轴加速计，以及笔记本电脑的硬盘保护机制等。MEMS市场的快速发展，主要是技术的成熟加上成本的下降。未来几年除了汽车将大幅采用MEMS组件用于无线胎压感测用途之外，成长最大依旧会是消费性电子市场。

《图三 MEMS应用于头戴式显示器 》 数据源：HP

标准制程带来新契机

尽管MEMS市场规模庞大，然而由于各厂商的产品应用领域不同，加上相异的制程技术，使得不同产品市场规模相对变小，例如德州仪器（TI）拥有的DLP技术、惠普（HP）的打印机喷墨头、Avago的滤波器、楼氏电子与Akustica的MEMS麦克风，以及ADI、ST及Freescale的加速计等。根据调查，2006年全球MEMS营收第一名的TI，其营收也仅为8.83亿美元而已。

由于MEMS与IC间的结合越来越紧密，因此各厂商正积极开发标准制程以开发更多商品，例如Freescale与Akustica都以CMOS制程来生产MEMS芯片。未来随着MEMS标准制程的完备，提高产品整合度，将会为MEMS市场带来更大发展契机。

封装是最大挑战

由于MEMS各类产品的使用范围和应用环境差异颇大，封装并无统一模式，常根据产品不同而选择不同封装技术。根据估计，封装在MEMS产品总成本中占有70～80％的比重，由于不具备标准制程，加上MEMS产品出货数量比一般IC数量少，因此多数封测厂较不愿意进行MEMS产品的封装和测试，封装技术也成为MEMS生产的瓶颈。

用整合来降低MEMS产品体积与成本，目前在技术上尚存在难度。具体来说，MEMS产品的封装与传统IC并不兼容，传统的MEMS封装主要有金属封装、陶瓷封装和塑料封装等三种形式。近几年开发出较完善的封装设计，包括芯片级封装、圆片级封装与系统级封装。随着IC制造技术的进展，采用与标准IC制程技术兼容的MEMS架构也越来越多，同时由于CMOS技术的成熟，使得将各种电路与MEMS组件整合为一SoC成为可能。只要MEMS组件能够使用统一的标准封装，将成本降低并加速MEMS产品上市时程，例如模块化的MEMS封装设计便可能是MEMS封装重要的突破关键点。

《图四 MEMS架构微影图 》 数据源：SiTime

MEMS架构微影图

MEMS与IC之整合，可简单解释为MEMS结构与完整IC的整合技术，或称为聚集化MEMS（MEMS on IC），广义来说，凡架构于硅制程之上，藉由整合不同功能的硅电子组件以提供MEMS产品多元功能的微机电技术，都可称为聚集化MEMS，或称Integrated MEMS。其发展层次大致上可分成次组件、组件、基本微系统、半独立微系统与全独立微系统等五个层次。在次组件层次上仅具备基础电子组件，到了全独立微系统层次上，则已经整合了所有相关的电子区块，并具备自有电源。随着整合技术的进步，聚集化MEMS可将常见的离散组件（内部处理电路、机械结构与输出入装置等）微型化，整合成单一芯片系统，创造更多元化的应用空间。

结语

在次组件层次上仅具备基础电子组件，到了全独立微系统层次上，则已经整合了所有相关的电子区块，并具备自有电源。随着整合技术的进步，聚集化MEMS可将常见的离散组件（内部处理电路、机械结构与输出入装置等）微型化，整合成单一芯片系统，创造更多元化的应用空间。MEMS技术涵盖微机电与半导体领域，在发展上各自都遭遇瓶颈，然而MEMS朝向高度系统整合发展将是不变的趋势。过去微机电产业由于多样化与少量生产的特性，使得发展力道与投入的资源无法集中，这使得微机电产业不论是技术或成本都无法取得如半导体产业般的优势。