王跃林
摘 要：利用微机电系统（MEMS）技术可以实现传感器大规模批量制造，要做到这一点，构建MEMS产业链是关键。本文首先分析了MEMS产业链的构成，其次阐述了我国MEMS产业链的现状和存在的主要问题，最后针对我国现状和存在的问题，对我国MEMS的发展提出了一些建议。
关键词：MEMS产业链；中试平台；量产平台
一、引言
微机电系统（MEMS）的最大优势是可以利用微电子技术将传感器、执行器和处理电路集成在一起构成单片集成传感器或系统，更可以实现传感器芯片的大规模批量制造，已广泛用于信息、汽车、消费、工控、生物医学、航天航空和国防等领域，并成为国际竞争的战略制高点。
近年来，部分国家正在对我国芯片采取包括代工业务在内的全产业实施限制性举措，传感器作为信息感知的基础芯片，也存在国际供应链断裂的风险。这一变化，使得以前大多数采用国外传感器的用户，已经开始考虑在国内选择合适的传感器供应商，构建稳定的国内供应链，以改变传感器受制于人的局面。因此，需抓住国产传感器需求迫切的机遇，采取必要措施，构建MEMS产业链，打通制约MEMS产业化的“最后一公里”，大力推进MEMS传感器的国产化，实现传感器芯片自主可控。
二、MEMS产业链构成
集成电路产业链主要包括应用市场、研发机构、产品公司（设计公司）和量产代工厂等。研发机构主要开展集成电路基础和产品前期研究，产品公司根据市场需求，设计出满足市场需求的集成电路，然后在集成电路量产代工厂进行芯片流片（芯片制造），流片完成的芯片封装成产品后回到产品公司进行测试，合格的产品在市场销售。在这个产业链环节中，集成电路量产代工厂的投入和运营成本巨大，一般产品公司很难承受如此巨大的成本，业界芯片流片都采用量产代工方式。集成电路的这一生产模式经过几十年运行已经非常成熟，并为绝大多数产品公司所接受。
MEMS脱胎于微电子技术，因此其产业链类似于集成电路，但又与集成电路有区别（见图1）。
集成电路具有基本单元即晶体管，以晶体管为核心可以制造出各种各样的集成电路，因此无论哪种集成电路本质上讲都是晶体管的制造，可以形成标准通用的工艺流程。产品公司只要利用量产代工厂提供的标准工艺流程来设计集成电路，一般不需要单独进行产品工艺验证和流片，就可以直接在集成电路量产线上生产出基本满足客户需求的产品。
然而，MEMS的核心是微机械结构，而且微机械结构多种多样，不同的传感器需要采用不同的微机械结构，还没有一种像晶体管那样功能强大的微机械结构，可以用来制造各种各样的MEMS传感器。因此，需要开发多种工艺流程以满足不同微机械结构的制造需求，也没有形成像集成电路那样通用的标准工艺流程来制造各种MEMS传感器，基本上还是沿袭了传统机械加工的一种工艺流程支撑一种器件的制造模式。这就使得MEMS产品设计完成后，不能直接在量产代工厂生产，需要先在产品中试平台进行制造工艺流片验证，以验证产品设计是否适合量产以及可以在哪个代工厂量产。
从MEMS产业链的产出来看，MEMS传感器产品对市场贡献最大，市场绝大多数营收来源于MEMS传感器产品，而且一般MEMS产品公司只需投入价格较低的测试等设备，投入远远低于芯片制造设备，因为产品研发工艺验证和量产可以依托中试平台和量产平台，自己无需建工艺线，属于轻资产企业。在这个产业链中，产品中试和量产平台投入巨大，运行费用高，也是MEMS产业链中带动性最强最重要的环节。依托产品中试量产平台，可以帮助大量的MEMS产品公司提高产品研发和量产能力，实现研发的产品大规模量产和快速占领市场。
三、我国MEMS产业链发展现状
（一）市场规模约占全球1/3
MEMS传感器广泛应用于消费电子、汽车、工业、医疗、通信等领域，随着人工智能、机器人和物联网的发展，应用场景将更加多元，是支撑智能和智慧等技术发展的底层核心技术。尽管对MEMS传感器的定义会略有差别，造成不同机构统计的市场规模数据各异，但2024年我国MEMS传感器的市场规模应该在千亿上下，约占全球市场的1/3。
（二）研究水平处在国际前列
MEMS的概念较新，涉及学科较多，属于研究热点，因此高校及科研院所纷纷进入这一领域开展研究工作。目前研发机构遍布高校科研院所和地方政府设立的新型研发机构等，地域涵盖我国大部分地区，相对来说长三角、珠三角和京津冀地区的研究力量较强。目前我国的研究基本涵盖了MEMS的主要领域，研究水平处在国际前列，在重要的MEMS国际会议上，我国发表的文章处在第一方阵。
（三）产品公司百花齐放
与集成电路主要是即插即用标准化产品不同，MEMS传感器产品与具体应用场景密切相关，难以做到即插即用，呈现出小批量多品种的个性化特点。例如，不同的公司，或者同一公司不同的车型，使用的汽车压力传感器就有可能不同，不同行业使用的压力传感器也各不相同。总之，市场需要的传感器千变万化，相应地，MEMS传感器产品公司也是百花齐放。目前，如果从产品类型分类，我国的MEMS产品公司包括了物理量传感器、化学量传感器和生物量传感器等产品公司；如果从产品市场分类，则包括了工业、汽车、手机、消费、生物医学、航天航空和国防等产品公司。总体来说，我国MEMS产品公司众多，产品各异，规模都比较小，尽管也有上市公司，但营收过亿还比较少。
（四）中试平台各有特色
从中央到地方，我国对MEMS传感器非常重视，在各级政府的支持下，从南到北建设了多个MEMS中试平台，长三角地区的上海、苏州、无锡和蚌埠等地，珠三角地区的深圳和广州等地，京津冀地区的北京和石家庄等地，还有山东、辽宁等，均建设了以MEMS为主的工艺线。这些工艺线对外都称之为中试线或中试平台，除了拥有常用的基本工艺外，根据建设者的自身需求，它们涉及的特殊工艺略有不同，形成了各自的特色，定位也各不相同。
（五）量产平台已上规模
令人鼓舞的是，在政府和社会资本的支持下，近年来我国MEMS量产能力得到大幅度提升。科创板上市公司芯联集成的8寸MEMS晶圆月出货量达到数万片；早在10年前，华润上华就实现了6寸MEMS晶圆的批量出货，近年其8寸MEMS晶圆也开始出货；广州增芯的MEMS量产平台已经建成，开始进入量产阶段。如今，国内建成了数条量产线，月出片量达到数万片，在一些领域实现了规模量产，进步非常大。
（六）面临的主要挑战
MEMS产业有自己的特质，产业发展依赖于产业链和产业环境。目前，我国在MEMS应用市场、研发机构、产品公司（设计公司）、中试平台和量产代工厂产业链各环节上均有较好的基础。产业链各环节必须联动，形成整体合力，才能实现效益最大化。
衡量MEMS研发成果是否实现转化的重要标志是量产，研发成果能否量产不仅与量产能力有关，也与产品中试能力有关。一般来说，中试的目的是实现量产。因此，中试能力包括两方面：一是研发产品的工艺验证能力；二是中试成功后移植到量产平台后的达产能力。中试平台要具备这两方面的能力，就必须与量产平台联动，做到中试工艺与量产工艺对接，这样可以保证中试工艺可以快速移植到量产平台实现规模量产。
目前，尽管国内建设了多个中试平台，但中试平台与量产平台对接联动仍存在一些挑战：大多数中试平台并没有与量产平台对接，更不知道中试后在哪量产。最后，一些中试平台自己成了生产平台，自产自销；一些中试平台成了研发平台，只能产出样品。这使得中试平台的作用难以充分发挥，成为MEMS研发成果向产业化转化的制约。
四、推动MEMS产业链发展的思考
“十四五”时期实施的国家重点研发计划“智能传感器”重点专项对MEMS产业链建设较为重视，启动了多个MEMS工艺平台研发项目，既有中试平台项目，又有量产平台项目。如何运用好这些项目的研发成果，以及我国在MEMS产业链各环节的基础是当前亟待解决的关键问题。亟须做好顶层规划，强化产业链各环节的联动，打造紧密结合的MEMS产业链，这对推进MEMS的产业化是非常重要的。
（一）中试平台与量产平台对接联动
量产平台的建设费用远高于中试平台，把量产平台的产能拿出来做中试显然是不经济的，研发的样品没有经过中试验证也很难在量产平台量产。这一情况不仅使量产平台新产品导入难，也使得新研发的样品量产难，成了制约MEMS从样品走向产品乃至商品的瓶颈。针对这一问题，我们可以将现有的中试平台与量产平台联动，中试平台工艺与量产平台对接，中试工艺验证成功后可快速移植到量产平台进行量产，打通MEMS从样品走向产品乃至商品的“最后一公里”，推进我国MEMS的产业化发展。
（二）研发阶段应考虑量产
MEMS从本质上讲是应用技术，之所以受到重视，是因为利用微电子技术可以实现大规模批量制造，生产出高性价比的MEMS传感器。这类传感器可以应用在我们日常生活的方方面面，提高人们的生活品质。从这个角度上讲，研发的产品只有实现了量产，MEMS的高性价比价值才能得以体现，研发成果才能得到大规模应用，创造出显著的经济效益。因此，在产品研发方案设计阶段，应该考虑采用从原理上讲可量产的方案；原理性验证通过后，就可以转入工艺条件好的中试平台进行量产工艺验证；中试验证通过后就可以快速转入量产平台进行量产，实现研发成果的快速转化。
（三）开辟新的应用市场
实际上，MEMS的重要意义在于开辟了利用微电子技术大规模制造各种机械、光学和仪器等的新路径。在某些应用领域，它颠覆了传统的机械加工等制造手段，催生出微机械、微光学、片上仪器、片上反应器等一批新兴交叉学科研究领域，孕育了新的应用市场。从这个意义上讲，MEMS是带着创新的“金钥匙”出现的，有广阔的创新空间。因此，我们应该思考，利用MEMS技术还可以做什么？做什么最有价值？只有这样，我们才可以催生出新的研究领域，创造出新的器件或系统，开辟出新的应用市场。
参考文献
[1]王跃林.硅基 MEMS 制造技术[M].北京：电子工业出版社，2022 .
[2]王云平,魏丽.适应新质生产力形成和发展的产业政策研究[J].新经济导刊,2024,(07):10-21.
（王跃林系中国微米纳米技术学会副理事长、中国科学院上海微系统与信息技术研究所原副所长）