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美日欧竞相发展MEMS产业

MEMS


随着智能终端类产品需求的加大,MEMS(微电子机械系统)产业日益呈现出快速发展的势头。由于这一领域的市场应用技术要求高、加工工艺复杂,其高端产品基本上被美日欧公司所垄断。美日欧竞相发展MEMS产业,不断拓展新技术新领域。


美国:军用MEMS带动民用普及


美国DARPA(国防高级研究计划局)是进行军用MEMS研究项目的计划组织和推动机构。


美国是MEMS产业、技术和产品的发源地,其发展水平世界领先。上世纪60年代,斯坦福等大学就从事MEMS领域的研究开发,佐治亚理工学院和美国加利福尼亚大学洛杉矶分校等众多美国大学几乎都建立有自己的MEMS晶圆生产线。美国麻省理工学院、斯坦福大学、加利福尼亚大学伯克利分校、凯斯西储大学等还开发用于MEMS研究的设备、仪器等,支撑其技术研究。各学校一边研究探索,同时也相互不断进行技术与业务的交流,并与产业界组建成联盟,促进MEMS技术及时转化成MEMS产品。


上世纪90年代以后,美国开始在军用产品中推广使用MEMS技术和产品。美国军事研究机构DARPA(国防高级研究计划局)是进行军用MEMS研究项目的计划组织和推动机构。如美国军方推出的HI-MEMS计划中,将MEMS器件作为昆虫仿生的重要领域;美国政府为了支持MEMS发展,适时推出各种促进MEMS发展的应用规定,如美国从2007年开始已要求所有汽车采用轮胎压力监测系统(TPMS)和电子稳定控制器(ESC)等,加大MEMS产品在汽车中的推广措施。


经过长期的发展,其已发展为集官、产、学、研、金融等为一体的较为完整的MEMS产业体系。其用来进行MEMS产品生产的晶圆尺寸目前基本与IC同步,呈现大口径化、智能化,与人体神经元和大脑信息互通互联,与IC芯片、计算机软件、数据采集和处理技术等多位一体化发展的趋势。同时,应用领域也不断向军事、医疗、生物、仿生学、航空航天等领域全方位快速渗透和发展。


目前美国主要的MEMS公司有德州仪器(TI)、模拟器件(ADI)、飞思卡尔、楼氏电子(Knowles)、SiTime、惠普、IMT、Silicon Microstructures(SMI)、GE Infrastructure Sensing等。大部分半导体制造公司同时具有MEMS生产加工的业务。


从美国公司新近推出的MEMS产品来看,其技术动向正在向生物神经信号提取、大脑神经元信息获取和控制、3D环境识别、分子级化学成份识别、模拟动物及人的五官和四肢能力等方向发展。


2011年世界排名前10家MEMS公司中,美国占了4家,分别是德州仪器(第1名)、惠普(第2名)、楼氏(第8名)、ADI(第9名)。


2011年,美国MEMS企业的总销售额约为41.29亿美元,占世界MEMS市场销售额份额为40.5%%。


日本:汽车、机器人MEMS领先


世界前10名MEMS公司日本有4家,数量与美国相等,但销售额较美国小些。


日本政府从2007年起相继推出了与MEMS相关的国家项目,推动MEMS相关开发。2007年夏季,日本文部科学省科学技术及学术政策局推出“尖端融合领域革新创造基地的形成”计划课题——“微系统融合研究开发”启动了产学合作项目。日本东北大学与理光、丰田汽车等11家公司于2007年夏季共同启动了产学合作项目。目标是通过走在MEMS领域前沿的研究小组与拥有具体应用对象的企业合作,使各种MEMS技术尽快达到实用水平。


2009年日本在经济产业省的主导下设立名为JMEC(Japan MEMS Enhancement Consortium)的MEMS研发机构,力争成为国际性的开放式产官学协作研发基地。JMEC设在日本产业综合研究所、物质材料机构及筑波大学联手的纳米科技研发基地“筑波纳米科技基地”内,成为MEMS相关项目的运营母体。筑波纳米科技基地是日本经济产业省及文部科学省投资361亿日元设立的纳米科技及MEMS相关研究基础设施。JMEC主要以MEMS为对象,除了MEMS领域的尖端研发之外,还考虑与设计试制服务以及人才培养相结合。在尖端研发方面,瞄准与大学及产综研等公共研究机构未涉及的接近于应用的研发领域,致力于由企业单独从事高风险较大的研究课题。


如果JMEC在项目开发上取得成功,则有可能作为风险企业独立出去。在设计试制服务方面,提供以大生产为前提的民间MEMS代工无法满足的少量试制服务。


推动风险企业开展业务。元器件厂商、装置及材料厂商、设计工具提供商和汽车、机器人、电机厂商以及大学、公立实验研究机构等参与其中,JMEC根据加盟企业的意见来确定具体的运营方法。


日本主要的MEMS公司有丰田电装DENSO、松下、欧姆龙(Omron)、Matsushita、冲电气(Oki)、村田制作所(Murata)、爱普生、三菱电机、夏普等。


日本MEMS公司的最新技术发展动向主要有:智能视觉传感器、快速图像检索、人机接口MEMS器件、智能汽车感应系统等。如:日本东京早稻田大学研制出通过肺、舌头、声带和喉咙发出声音的机器人WT-4,使科学家们对大脑如何控制说话系统有了更深的了解。WT-4不仅使用机器肺脏与声带,还增加了机动灵活的舌头、柔软的上腭、嘴唇和牙齿,能够更加清晰地读出日本字母发音等,能模仿人类的声音。


2011年世界前10名MEMS公司中,日本有4家入围,数量与美国相等,但销售额较美国小些。分别是佳能(第5名)、松下(第6名)、电装(第7名)、爱普生(第10名)。2011年,日本MEMS产业的销售额约为20.289亿美元,占世界MEMS市场份额为20.1%%。


欧洲:生物、医疗、汽车三驾马车并行


研发动向主要有车用自发电和人体自发电MEMS器件以及智能假肢及医疗用MEMS等。


据报道,欧洲目前约有100家MEMS芯片研发和生产机构,研发人员超过7500人,拥有世界一流的MEMS研发基地和环境设施。


位于比利时的研发机构IMEC (Interuniversity Microelectronics Center)以国际性开放式产官学协作研发为发展目标,从事包括MEMS设备在内的专用半导体设备的研制。


欧洲各国政府积极制定相关规定推动MEMS产业和技术的发展,欧洲国家政府要求2012年汽车必须采用电子稳定控制(ESC)和轮胎压力监测系统。欧洲新车评估体系(NCAP)等汽车安全性评估系统虽然是一种自愿评估机制,但目前得到了欧洲各国政府、汽车俱乐部和消费者组织的支持。


欧洲的MEMS厂商主要包括博世、意法半导体、VTI科技、声扬(Sonion MEMS A/S)、Measurement Specialties(MSI)、Colibrys、Memscap等公司。


其中,博世是汽车MEMS市场中的重要厂商,汽车ESC系统的总体出货量排名第一,而且加速计、陀螺仪和压力传感器等相关汽车MEMS传感器的总体出货量也最高。2011年博世营业收入达6.25亿美元,比2010年的5.24亿美元增长19%%,高于整体汽车MEMS产业14%%的增速。


欧洲MEMS公司的最新技术研发动向主要有车用自发电MEMS器件、人体自发电MEMS器件、智能假肢及医疗用MEMS等。如:德国发明最小超微硅纳米谐振器,这一发明可进一步提高纳米级微观结构成像的分辨率,对医学等领域的研究具有重要意义。伊尔姆瑙理工大学制成的这种纳米谐振器的宽度只有16纳米,可用作原子力显微镜探针。原子力显微镜是一种可用来研究包括绝缘体在内的固体材料表面结构的分析仪器。其关键部件是一个对力非常敏感的微悬臂,悬臂尖端带有一个用来扫描样品表面的微小探针。


2011年世界前10大MEMS厂商中,欧洲有博世(第3名)、意法半导体(第4名)。在2011年全球102亿美元的MEMS器件市场中,欧洲MEMS制造商销售额约20.05亿美元,约占2011年世界MEMS市场19.7%%的份额。


IC观察:中国MEMS需变“墨点”为“梅花”


春秋


当前,美国、日本、德国、英国、俄罗斯等国家竞相发展MEMS产业。我国MEMS产业与世界的差距也不算太大,甚至某些方面还有自己的独创性贡献。近年来,投资迅猛,其发展势头值得期盼。


那么,我国应该如何走出一条自主特色的发展之路呢?


由于MEMS产品种类繁多,生产工艺和标准体系难于有效整合,虽然MEMS产品可以用与半导体相同或者相近的生产线来制作,但只有少数几类MEMS产品可以用大规模的foundry方式来生产,目前绝大部分MEMS产品都是以小批量方式生产的。这给世界MEMS产业发展带来了一定的挑战性,也将奠定今后MEMS生产可能是既不同于IC代工模式也不同于IDM模式的另一种模式:即仍然走设计fabless化,而制造却小规模化、工艺可以多样化。


MEMS有特殊工艺和要求,这可能是2011年世界MEMS代工产业增长慢于世界MEMS总体产业增长的内在原因。据统计数据显示,2011年全球MEMS市场规模为102亿美元,增长率19%%,而前二十大微机电系统(MEMS)代工厂的营收仅比2010年增长了5%%。目前,MEMS代工业务在全球市场所占比例较小,不到6%%;另外,MEMS代工厂营收在全球总体营业额中所占份额呈减少趋势。


我国半导体制造厂和设计公司规模小、工艺分散、工艺制作水平相对落后,但这可能成为今后MEMS产业发展的一大特点和优点。因为大部分MEMS产品都不必非要用最先进、最尖端的IC工艺生产线来制作,只要产品设计理念先进、应用目标清晰、市场定位明确,用落后几代的半导体生产线照样可以制作出一流水平的MEMS产品。


我国可以利用世界MEMS产业刚刚起步的机会,从产业现状出发,奋起直追,变“墨点为梅花”般地巧妙而及时的转型和发展。


第一,继续发挥中低端产品成本低的优势,力争在中低端领域实现“通吃”;第二,逐步向产业链高端发展,不断提高高价值MEMS产品比重;第三,国家适度规划,尽可能推出能够引导行业发展的并且能与世界MEMS技术标准相兼容的国家标准;第四,促进各类MEMS产业联盟、合作组织和学术交流与合作等发展;第五,同步进行MEMS生产设备研发,培养高级MEMS产品设计人员等。



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