MEMS的應用趨勢與市場(chǎng)剖析

微機電系統(Micro Electro-Mechanical System, MEMS)是現在備受矚目的新興技術(shù)之一，并已在數個(gè)領(lǐng)域取得一席之地。打印機噴墨頭是最顯著(zhù)的例子，目前每年有數億個(gè)MEMS器件銷(xiāo)售到打印機的市場(chǎng)上，是出貨量最大的MEMS產(chǎn)品，這也讓HP始終居于MEMS出貨量的龍頭地位。

另一個(gè)成功的應用領(lǐng)域則是將MEMS器件用于顯示設備的市場(chǎng)。TI無(wú)疑是此例子中的代表性廠(chǎng)商，該公司以微面鏡(micro-mirror)數字光處理(digital light processing, DLP)生產(chǎn)的MEMS器件，在近三四年間出現了大幅的成長(cháng)態(tài)勢，據Display Search的研究報告指出，DLP技術(shù)已在投影顯示市場(chǎng)取得85%的市占率，讓DLP在2004年的MEMS銷(xiāo)售額上領(lǐng)先了打印機噴墨頭，銷(xiāo)售額達8.8億美元，也讓TI比HP的口袋中賺進(jìn)更多的錢(qián)。

MEMS市場(chǎng)剖析

就廠(chǎng)商的市場(chǎng)占有率來(lái)看，今日的MEMS市場(chǎng)呈現寡占的局面。In-Stat的分析顯示，2004年中20家最大MEMS器件供貨商就占了整體銷(xiāo)售額的62.2%，其中HP和意法半導體(STMicroelectronics)等廠(chǎng)商因為噴墨打印機廠(chǎng)商提供微流體(Micro-fluidic)器件而主導這個(gè)市場(chǎng)，根據Yole Developpement的資料，若加上具有17年MEMS開(kāi)發(fā)經(jīng)驗的廠(chǎng)商Bosch，上述三家廠(chǎng)商在2004年的MEMS銷(xiāo)售額總計超過(guò)10億美元。

但這并不就表示市場(chǎng)已被壟斷，畢竟這是一個(gè)新興的市場(chǎng)，仍有很多的發(fā)展可能性。以TI的DLP技術(shù)來(lái)說(shuō)，至今已開(kāi)發(fā)近二十年了，卻在2004年時(shí)一舉以9億美元的DLP芯片銷(xiāo)售額成為此市場(chǎng)的巨人。所以目前仍可見(jiàn)到許多公司前撲后繼地投入這一市場(chǎng)，希望成為下一個(gè)TI。

MEMS的應用范圍除了涵蓋熱門(mén)的IT、通信、消費類(lèi)等3C市場(chǎng)外，也適用于汽車(chē)、軍事、生物、醫療、化學(xué)等各種領(lǐng)域，幾乎任何需要機械器件的小型化電子系統都可能用得上MEMS。不過(guò)，很多的產(chǎn)品仍處于研發(fā)階段，在商言商，業(yè)界所矚目的還是3C和汽車(chē)等大眾化的市場(chǎng)。

以通信產(chǎn)業(yè)來(lái)說(shuō)，雖然電信骨干的市場(chǎng)并未明顯起色，但手機等移動(dòng)終端仍是市場(chǎng)的殺手級應用，也是MEMS的商機所在。預料未來(lái)將有更多的手機整合RF MEMS器件和慣性傳感器，光纖網(wǎng)絡(luò )也會(huì )采用MEMS技術(shù)，這都會(huì )促成通信市場(chǎng)MEMS單位出貨量的高度成長(cháng)。EmTech公司的分析顯示，在2009年以前，以手機應用為主的通信市場(chǎng)之MEMS的用量增幅將最大，占整體MEMS銷(xiāo)售額的比例將成長(cháng)近三倍。

此外，消費性電子產(chǎn)品也是MEMS搶攻的市場(chǎng)。In-Stat/MDR指出，加速計、回轉儀、麥克風(fēng)、光學(xué)MEMS(Optical MEMS或MOEMS)和RF MEMS等是在消費類(lèi)電子產(chǎn)品中最具影響力的MEMS器件。至于最具潛力的應用則包括家庭影院、便攜式攝影機、數字電視、手機和電子玩具等。

MEMS主流產(chǎn)品及技術(shù)現況

整體來(lái)看，根據In-Stat/MDR的報告，MEMS在未來(lái)幾年的單位出貨量將以19.87%的復合年增長(cháng)率成長(cháng)，到了2009年將接近60億個(gè)。雖然單位出貨量能維持兩位數的成長(cháng)，但就銷(xiāo)貨額來(lái)看，隨著(zhù)各種MEMS器件的競爭日趨激烈，EmTech Research預估未來(lái)五年的銷(xiāo)售成長(cháng)率將會(huì )下降至一位數。

MEMS器件的產(chǎn)品類(lèi)型繁多，目前商業(yè)化的主要產(chǎn)品包括微流體器件、慣性傳感器、壓力傳感器、RF MEMS、光學(xué)MEMS等等。In-stat/MDR指出，2004年全球MEMS市場(chǎng)規模約70億美元，銷(xiāo)售量約23.7億顆，其中以微流體器件最多，占整體銷(xiāo)售量的67.9%，總銷(xiāo)售額則為23%，它主要用于打印機及照片打印用的噴墨頭。但未來(lái)幾年中，預估光學(xué)MEMS及RF MEMS將會(huì )有大幅的成長(cháng)，因此會(huì )造成其它器件的比重下滑。請參考圖1、表1。以下介紹MEMS的幾個(gè)重要技術(shù)領(lǐng)域并對其市場(chǎng)做一剖析。

圖1  MEMS器件銷(xiāo)售值及銷(xiāo)售量比例分析
資料來(lái)源：In-Stat/MDR; 工研院經(jīng)資中心(2005/11) 

光學(xué)MEMS

以光學(xué)MEMS來(lái)說(shuō)，其產(chǎn)品包括開(kāi)關(guān)(switch)、交錯連結器(cross-connect)、光可調衰減器(variable optical attenuator)、可調變波長(cháng)激光器(tunable laser)和可調式濾波器(tunable filter)，主要應用領(lǐng)域為電信與顯示產(chǎn)業(yè)。在電信方面，由于光學(xué)MEMS制成的光學(xué)器件具有很好的效能，例如低插入損耗、優(yōu)良的波長(cháng)平坦度和極小的串擾，而且能提高整合度及器件規模(Scalability)，極適用于高性能的光纖網(wǎng)絡(luò )。顯示產(chǎn)業(yè)方面，包括整合式可配帶的攜帶型設備，以及條形碼掃描、自適應光學(xué)系統、商用印刷等等。In-Stat/MDR認為，在未來(lái)的5年中，光學(xué)MEMS的復合年增長(cháng)率將達到15.8%。非電信類(lèi)光學(xué)MEMS的成長(cháng)預測，請參考圖2。

圖2  非電信類(lèi)的光學(xué)MEMS的成長(cháng)預測
單位：10億美元
資料來(lái)源：In-Stat/MDR. 2006.3
 
目前最成功的光學(xué)MEMS產(chǎn)品，正是由TI的DLP專(zhuān)利技術(shù)所制造的微面鏡器件。此技術(shù)其實(shí)早在1987年TI即已提出，但一直到近幾年才進(jìn)入到商業(yè)化的階段，成為前投與背投高階顯示系統的關(guān)鍵技術(shù)，提供極可靠的全數字化顯示解決方案。其中的DLP芯片可說(shuō)是目前最復雜的光源開(kāi)關(guān)，它包含了最多達220萬(wàn)用鉸鏈安裝的微型運動(dòng)鏡面組成的矩形數組，每片微型鏡面的大小都不超過(guò)人類(lèi)頭發(fā)絲厚度的五分之一，對應投影圖像中的一個(gè)像素。因此，單芯片的DLP投影系統可以產(chǎn)生至少1670萬(wàn)種顏色，而專(zhuān)業(yè)產(chǎn)品與DLP影院投影系統中的三芯片系統甚至能夠產(chǎn)生35萬(wàn)億種以上的色彩。

TI在DLP技術(shù)上的地位，短期內看來(lái)無(wú)人能撼動(dòng)，但在光學(xué)MEMS的市場(chǎng)仍有很多機會(huì )，一些新創(chuàng )公司已鎖定計算機屏幕及DTV的市場(chǎng)，也有人積極研發(fā)小尺寸的DLP器件，準備打進(jìn)手機、PDA及數字相機市場(chǎng)。Qualcomm在這方面的野心不小，這可以從該公司陸續并購了MicroVision和Iridigm兩家相關(guān)技術(shù)新創(chuàng )公司的動(dòng)作中看出。

RF MEMS

RF MEMES原鎖定作為下一代的開(kāi)關(guān)(swich)和繼電器(relay)，但研究進(jìn)度并不理想，至今仍有不少瓶頸尚待突破。相較之下，MEMS共振器(resonator)的前景相當看好。安捷倫的FBAR (film bulk acoustic resonator)雙工器(duplexer)就很成功，它具有為多媒體手機提供信息分流的功能，也就是讓手機能同時(shí)接收雙向語(yǔ)音電話(huà)和數據傳送，因此到2004年時(shí)，85%的CDMA手機中已采用FBAR雙工器，其出貨量也超過(guò)數千萬(wàn)顆。

據WTC的調查報告指出，RF MEMS在2004年的市場(chǎng)規模約為1.25億美元，然而，此市場(chǎng)每年有高達55%的復合增長(cháng)率，使其銷(xiāo)售額在2005年將達到2億美元，2006年將達到3億美元，2007年將達到4.5億美元，2008年將達到 7.25億美元，預計到2009年時(shí)將大幅增長(cháng)到11億美元。因此，該公司極看好此市場(chǎng)，認為RF MEMS可望成為主要的MEMS產(chǎn)品領(lǐng)域之一。

三軸加速計(Tri-axis Accelerometer)

三軸加速計可說(shuō)是MEMS中相當實(shí)用和有趣的一項新興產(chǎn)品。二軸加速計已廣泛被用在車(chē)輛當中，當車(chē)子一旦發(fā)生碰撞，它就會(huì )感測到并自動(dòng)觸發(fā)安全氣囊。新一代的加速器則能沿三軸來(lái)感知運動(dòng)，因此具有更大的應用可能性。

最為實(shí)用的例子仍是作為保護加速計，但是用于計算機產(chǎn)品，尤其是筆記型計算機。它可作為筆記型計算機墜落時(shí)的檢測裝置，并在筆記型計算機碰撞地面前鎖住硬盤(pán)磁頭，以免造成的硬盤(pán)驅動(dòng)器上數據的遺失。第二大應用則是作為狀態(tài)識別裝置，例如通過(guò)傾斜角度來(lái)向上或向下滾動(dòng)手機、PDA及3D游樂(lè )器的屏幕，或以搖動(dòng)的方式來(lái)關(guān)閉這些設備。這種通過(guò)特定動(dòng)作來(lái)下達控制指令的用途，除了提供了鍵盤(pán)輸入以外的便利途徑，也為強調趣味變化與加值功能的消費性手持設備增添了許多想象空間。當然三軸加速器也適用于商業(yè)、醫療設備或安全管理等其它領(lǐng)域。

目前已有許多大小型的廠(chǎng)商投入此一市場(chǎng)，包括ADI、Freescale、STMicroelectronics等大廠(chǎng)，德國傳感器供貨商Robert Bosch GmbH甚至成立了一家專(zhuān)注于此市場(chǎng)業(yè)務(wù)的子公司Bosch Sensortec，其它的廠(chǎng)商還包括Kionix、Hitachi Metals、Oki Electric等，到2005年底，全球至少有10家公司提供這種芯片，形成兵家必爭的一塊橋頭堡。

MEMS麥克風(fēng)、揚聲器

在強調多媒體應用的消費性電子產(chǎn)品市場(chǎng)中，麥克風(fēng)(microphone)和揚聲器(speaker)的用量相當驚人。以2005年來(lái)說(shuō)，全球麥克風(fēng)市場(chǎng)就有20億部的銷(xiāo)售量，到了2008年預估將成長(cháng)到30億部。由于采用MEMS制程的麥克風(fēng)具有低成本、高性能和小型化等特色，在一些應用領(lǐng)域優(yōu)于傳統的ECM產(chǎn)品，因此也是MEMS廠(chǎng)商極看好的一個(gè)市場(chǎng)。

據Information Network的調查指出，MEMS麥克風(fēng)在2005年時(shí)只能取得5%的整體市場(chǎng)率，但到2008年，預計在30億支麥克風(fēng)市場(chǎng)中MEMS產(chǎn)品占據15%，復合成長(cháng)率達240%。在揚聲器市場(chǎng)也有類(lèi)似的情況，預估到2008年時(shí)MEMS揚聲器的出貨量將達5億支。

目前投入MEMS聲學(xué)器件的廠(chǎng)商雖然眾多，但能夠量產(chǎn)的供貨商只有Knowles Acoustics，該公司幾乎壟斷了整個(gè)市場(chǎng)。我國臺灣也有意急起直追，日前包括臺灣“工研院電子所”、美律、亞太優(yōu)勢、探微、日月光、菱生、硅品、天瀚等20余家揚聲器、麥克風(fēng)和其它電聲器件廠(chǎng)商，共同成立了“微電聲產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟”，以整合上、中、下游廠(chǎng)商，建立從電聲器件設計、器件制作/代工、器件封裝至系統模塊的完整產(chǎn)業(yè)需求為發(fā)展目標。

結語(yǔ)

MEMS五花八門(mén)的潛在應用范圍很廣，未來(lái)值得期待的全新市場(chǎng)，包括無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )、智能型藥丸、芯片上實(shí)驗室(Chip-On-Lab)等等，而能廣泛運用于汽車(chē)、生物醫學(xué)、通信，以及消費類(lèi)產(chǎn)品裝置上。不過(guò)，雖然商機龐大，但其技術(shù)門(mén)坎也相當高，除了少不了大量的研發(fā)資金外，研發(fā)團隊更需要對基礎科技有深入的掌握，甚至得進(jìn)行跨科技的合作，才能將產(chǎn)品從實(shí)驗室帶入到產(chǎn)業(yè)化的階段。

就半導體產(chǎn)業(yè)來(lái)說(shuō)，MEMS與生產(chǎn)工藝技術(shù)的整合將為系統單芯片帶來(lái)極大的躍進(jìn)。未來(lái)的單芯片中可望整合音訊、光線(xiàn)、化學(xué)分析及壓力、溫度感測等子系統，因而發(fā)展出人體眼睛、鼻子、耳朵、皮膚等感官功能的芯片；如果再加入對電磁、電力的感應與控制能力，那就超越人體的能力了。不過(guò)，如何讓MEMS在工藝面進(jìn)入到如同今日CMOS般的標準程序，將是產(chǎn)業(yè)鏈上的一大挑戰。