MEMS的應(yīng)用趨勢(shì)與市場(chǎng)剖析

微機(jī)電系統(tǒng)(Micro Electro-Mechanical System, MEMS)是現(xiàn)在備受矚目的新興技術(shù)之一，并已在數(shù)個(gè)領(lǐng)域取得一席之地。打印機(jī)噴墨頭是最顯著的例子，目前每年有數(shù)億個(gè)MEMS器件銷售到打印機(jī)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(yīng)用領(lǐng)域則是將MEMS器件用于顯示設(shè)備的市場(chǎng)。TI無疑是此例子中的代表性廠商，該公司以微面鏡(micro-mirror)數(shù)字光處理(digital light processing, DLP)生產(chǎn)的MEMS器件，在近三四年間出現(xiàn)了大幅的成長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，據(jù)Display Search的研究報(bào)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銷售額上領(lǐng)先了打印機(jī)噴墨頭，銷售額達(dá)8.8億美元，也讓TI比HP的口袋中賺進(jìn)更多的錢。

MEMS市場(chǎng)剖析

就廠商的市場(chǎng)占有率來看，今日的MEMS市場(chǎng)呈現(xiàn)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售額的62.2%，其中HP和意法半導(dǎo)體(STMicroelectronics)等廠商因?yàn)閲娔蛴C(jī)廠商提供微流體(Micro-fluidic)器件而主導(dǎo)這個(gè)市場(chǎng)，根據(jù)Yole Developpement的資料，若加上具有17年MEMS開發(fā)經(jīng)驗(yàn)的廠商Bosch，上述三家廠商在2004年的MEMS銷售額總計(jì)超過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)來說，至今已開發(fā)近二十年了，卻在2004年時(shí)一舉以9億美元的DLP芯片銷售額成為此市場(chǎng)的巨人。所以目前仍可見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(yīng)用范圍除了涵蓋熱門的IT、通信、消費(fèi)類等3C市場(chǎng)外，也適用于汽車、軍事、生物、醫(yī)療、化學(xué)等各種領(lǐng)域，幾乎任何需要機(jī)械器件的小型化電子系統(tǒng)都可能用得上MEMS。不過，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和汽車等大眾化的市場(chǎng)。

以通信產(chǎn)業(yè)來說，雖然電信骨干的市場(chǎng)并未明顯起色，但手機(jī)等移動(dòng)終端仍是市場(chǎng)的殺手級(jí)應(yīng)用，也是MEMS的商機(jī)所在。預(yù)料未來將有更多的手機(jī)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(zhǎng)。EmTech公司的分析顯示，在2009年以前，以手機(jī)應(yīng)用為主的通信市場(chǎng)之MEMS的用量增幅將最大，占整體MEMS銷售額的比例將成長(zhǎng)近三倍。

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

MEMS主流產(chǎn)品及技術(shù)現(xiàn)況

整體來看，根據(jù)In-Stat/MDR的報(bào)告，MEMS在未來幾年的單位出貨量將以19.87%的復(fù)合年增長(zhǎng)率成長(zhǎng)，到了2009年將接近60億個(gè)。雖然單位出貨量能維持兩位數(shù)的成長(zhǎng)，但就銷貨額來看，隨著各種MEMS器件的競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈，EmTech Research預(yù)估未來五年的銷售成長(zhǎng)率將會(huì)下降至一位數(shù)。

MEMS器件的產(chǎn)品類型繁多，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(guī)模約70億美元，銷售量約23.7億顆，其中以微流體器件最多，占整體銷售量的67.9%，總銷售額則為23%，它主要用于打印機(jī)及照片打印用的噴墨頭。但未來幾年中，預(yù)估光學(xué)MEMS及RF MEMS將會(huì)有大幅的成長(zhǎng)，因此會(huì)造成其它器件的比重下滑。請(qǐng)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(duì)其市場(chǎng)做一剖析。

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

光學(xué)MEMS

以光學(xué)MEMS來說，其產(chǎn)品包括開關(guān)(switch)、交錯(cuò)連結(jié)器(cross-connect)、光可調(diào)衰減器(variable optical attenuator)、可調(diào)變波長(zhǎng)激光器(tunable laser)和可調(diào)式濾波器(tunable filter)，主要應(yīng)用領(lǐng)域?yàn)殡娦排c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(zhǎng)平坦度和極小的串?dāng)_，而且能提高整合度及器件規(guī)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(shè)備，以及條形碼掃描、自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)、商用印刷等等。In-Stat/MDR認(rèn)為，在未來的5年中，光學(xué)MEMS的復(fù)合年增長(zhǎng)率將達(dá)到15.8%。非電信類光學(xué)MEMS的成長(zhǎng)預(yù)測(cè)，請(qǐng)參考圖2。

圖2  非電信類的光學(xué)MEMS的成長(zhǎng)預(yù)測(cè)
單位：10億美元
資料來源：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(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，提供極可靠的全數(shù)字化顯示解決方案。其中的DLP芯片可說是目前最復(fù)雜的光源開關(guān)，它包含了最多達(dá)220萬(wàn)用鉸鏈安裝的微型運(yùn)動(dòng)鏡面組成的矩形數(shù)組，每片微型鏡面的大小都不超過人類頭發(fā)絲厚度的五分之一，對(duì)應(yīng)投影圖像中的一個(gè)像素。因此，單芯片的DLP投影系統(tǒng)可以產(chǎn)生至少1670萬(wàn)種顏色，而專業(yè)產(chǎn)品與DLP影院投影系統(tǒng)中的三芯片系統(tǒng)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(nèi)看來無人能撼動(dòng)，但在光學(xué)MEMS的市場(chǎng)仍有很多機(jī)會(huì)，一些新創(chuàng)公司已鎖定計(jì)算機(jī)屏幕及DTV的市場(chǎng)，也有人積極研發(fā)小尺寸的DLP器件，準(zhǔn)備打進(jìn)手機(jī)、PDA及數(shù)字相機(jī)市場(chǎng)。Qualcomm在這方面的野心不小，這可以從該公司陸續(xù)并購(gòu)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(dāng)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(jī)提供信息分流的功能，也就是讓手機(jī)能同時(shí)接收雙向語(yǔ)音電話和數(shù)據(jù)傳送，因此到2004年時(shí)，85%的CDMA手機(jī)中已采用FBAR雙工器，其出貨量也超過數(shù)千萬(wàn)顆。

據(jù)WTC的調(diào)查報(bào)告指出，RF MEMS在2004年的市場(chǎng)規(guī)模約為1.25億美元，然而，此市場(chǎng)每年有高達(dá)55%的復(fù)合增長(zhǎng)率，使其銷售額在2005年將達(dá)到2億美元，2006年將達(dá)到3億美元，2007年將達(dá)到4.5億美元，2008年將達(dá)到 7.25億美元，預(yù)計(jì)到2009年時(shí)將大幅增長(zhǎng)到11億美元。因此，該公司極看好此市場(chǎng)，認(rèn)為RF MEMS可望成為主要的MEMS產(chǎn)品領(lǐng)域之一。

三軸加速計(jì)(Tri-axis Accelerometer)

三軸加速計(jì)可說是MEMS中相當(dāng)實(shí)用和有趣的一項(xiàng)新興產(chǎn)品。二軸加速計(jì)已廣泛被用在車輛當(dāng)中，當(dāng)車子一旦發(fā)生碰撞，它就會(huì)感測(cè)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感知運(yùn)動(dòng)，因此具有更大的應(yīng)用可能性。

最為實(shí)用的例子仍是作為保護(hù)加速計(jì)，但是用于計(jì)算機(jī)產(chǎn)品，尤其是筆記型計(jì)算機(jī)。它可作為筆記型計(jì)算機(jī)墜落時(shí)的檢測(cè)裝置，并在筆記型計(jì)算機(jī)碰撞地面前鎖住硬盤磁頭，以免造成的硬盤驅(qū)動(dòng)器上數(shù)據(jù)的遺失。第二大應(yīng)用則是作為狀態(tài)識(shí)別裝置，例如通過傾斜角度來向上或向下滾動(dòng)手機(jī)、PDA及3D游樂器的屏幕，或以搖動(dòng)的方式來關(guān)閉這些設(shè)備。這種通過特定動(dòng)作來下達(dá)控制指令的用途，除了提供了鍵盤輸入以外的便利途徑，也為強(qiáng)調(diào)趣味變化與加值功能的消費(fèi)性手持設(shè)備增添了許多想象空間。當(dāng)然三軸加速器也適用于商業(yè)、醫(yī)療設(shè)備或安全管理等其它領(lǐng)域。

目前已有許多大小型的廠商投入此一市場(chǎng)，包括ADI、Freescale、STMicroelectronics等大廠，德國(guó)傳感器供貨商Robert Bosch GmbH甚至成立了一家專注于此市場(chǎng)業(yè)務(wù)的子公司Bosch Sensortec，其它的廠商還包括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(zhēng)的一塊橋頭堡。

MEMS麥克風(fēng)、揚(yáng)聲器

在強(qiáng)調(diào)多媒體應(yīng)用的消費(fèi)性電子產(chǎn)品市場(chǎng)中，麥克風(fēng)(microphone)和揚(yáng)聲器(speaker)的用量相當(dāng)驚人。以2005年來說，全球麥克風(fēng)市場(chǎng)就有20億部的銷售量，到了2008年預(yù)估將成長(zhǎng)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(yīng)用領(lǐng)域優(yōu)于傳統(tǒng)的ECM產(chǎn)品，因此也是MEMS廠商極看好的一個(gè)市場(chǎng)。

據(jù)Information Network的調(diào)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(yù)計(jì)在30億支麥克風(fēng)市場(chǎng)中MEMS產(chǎn)品占據(jù)15%，復(fù)合成長(zhǎng)率達(dá)240%。在揚(yáng)聲器市場(chǎng)也有類似的情況，預(yù)估到2008年時(shí)MEMS揚(yáng)聲器的出貨量將達(dá)5億支。

目前投入MEMS聲學(xué)器件的廠商雖然眾多，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(guó)臺(tái)灣也有意急起直追，日前包括臺(tái)灣“工研院電子所”、美律、亞太優(yōu)勢(shì)、探微、日月光、菱生、硅品、天瀚等20余家揚(yáng)聲器、麥克風(fēng)和其它電聲器件廠商，共同成立了“微電聲產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟”，以整合上、中、下游廠商，建立從電聲器件設(shè)計(jì)、器件制作/代工、器件封裝至系統(tǒng)模塊的完整產(chǎn)業(yè)需求為發(fā)展目標(biāo)。

結(jié)語(yǔ)

MEMS五花八門的潛在應(yīng)用范圍很廣，未來值得期待的全新市場(chǎng)，包括無線傳感網(wǎng)絡(luò)、智能型藥丸、芯片上實(shí)驗(yàn)室(Chip-On-Lab)等等，而能廣泛運(yùn)用于汽車、生物醫(yī)學(xué)、通信，以及消費(fèi)類產(chǎn)品裝置上。不過，雖然商機(jī)龐大，但其技術(shù)門坎也相當(dāng)高，除了少不了大量的研發(fā)資金外，研發(fā)團(tuán)隊(duì)更需要對(duì)基礎(chǔ)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(yàn)室?guī)氲疆a(chǎn)業(yè)化的階段。

就半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)來說，MEMS與生產(chǎn)工藝技術(shù)的整合將為系統(tǒng)單芯片帶來極大的躍進(jìn)。未來的單芯片中可望整合音訊、光線、化學(xué)分析及壓力、溫度感測(cè)等子系統(tǒng)，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(duì)電磁、電力的感應(yīng)與控制能力，那就超越人體的能力了。不過，如何讓MEMS在工藝面進(jìn)入到如同今日CMOS般的標(biāo)準(zhǔn)程序，將是產(chǎn)業(yè)鏈上的一大挑戰(zhàn)。