MEMS的應用趨勢與市場剖析

微機電系統(tǒng)(Micro Electro-Mechanical System, MEMS)是現(xiàn)在備受矚目的新興技術之一，并已在數(shù)個領域取得一席之地。打印機噴墨頭是最顯著的例子，目前每年有數(shù)億個MEMS器件銷售到打印機的市場上，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。

另一個成功的應用領域則是將MEMS器件用于顯示設備的市場。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)了大幅的成長態(tài)勢，據(jù)Display Search的研究報告指出，DLP技術已在投影顯示市場取得85%的市占率，讓DLP在2004年的MEMS銷售額上領先了打印機噴墨頭，銷售額達8.8億美元，也讓TI比HP的口袋中賺進更多的錢。

MEMS市場剖析

就廠商的市場占有率來看，今日的MEMS市場呈現(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和意法半導體(STMicroelectronics)等廠商因為噴墨打印機廠商提供微流體(Micro-fluidic)器件而主導這個市場，根據(jù)Yole Developpement的資料，若加上具有17年MEMS開發(fā)經(jīng)驗的廠商Bosch，上述三家廠商在2004年的MEMS銷售額總計超過10億美元。

但這并不就表示市場已被壟斷，畢竟這是一個新興的市場，仍有很多的發(fā)展可能性。以TI的DLP技術來說，至今已開發(fā)近二十年了，卻在2004年時一舉以9億美元的DLP芯片銷售額成為此市場的巨人。所以目前仍可見到許多公司前撲后繼地投入這一市場，希望成為下一個TI。

MEMS的應用范圍除了涵蓋熱門的IT、通信、消費類等3C市場外，也適用于汽車、軍事、生物、醫(yī)療、化學等各種領域，幾乎任何需要機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。

以通信產(chǎn)業(yè)來說，雖然電信骨干的市場并未明顯起色，但手機等移動終端仍是市場的殺手級應用，也是MEMS的商機所在。預料未來將有更多的手機整合RF MEMS器件和慣性傳感器，光纖網(wǎng)絡也會采用MEMS技術，這都會促成通信市場MEMS單位出貨量的高度成長。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之MEMS的用量增幅將最大，占整體MEMS銷售額的比例將成長近三倍。

此外，消費性電子產(chǎn)品也是MEMS搶攻的市場。In-Stat/MDR指出，加速計、回轉儀、麥克風、光學MEMS(Optical MEMS或MOEMS)和RF MEMS等是在消費類電子產(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(shù)字電視、手機和電子玩具等。

MEMS主流產(chǎn)品及技術現(xiàn)況

整體來看，根據(jù)In-Stat/MDR的報告，MEMS在未來幾年的單位出貨量將以19.87%的復合年增長率成長，到了2009年將接近60億個。雖然單位出貨量能維持兩位數(shù)的成長，但就銷貨額來看，隨著各種MEMS器件的競爭日趨激烈，EmTech Research預估未來五年的銷售成長率將會下降至一位數(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MEMS等等。In-stat/MDR指出，2004年全球MEMS市場規(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%，它主要用于打印機及照片打印用的噴墨頭。但未來幾年中，預估光學MEMS及RF MEMS將會有大幅的成長，因此會造成其它器件的比重下滑。請參考圖1、表1。以下介紹MEMS的幾個重要技術領域并對其市場做一剖析。

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MEMS

以光學MEMS來說，其產(chǎn)品包括開關(switch)、交錯連結器(cross-connect)、光可調衰減器(variable optical attenuator)、可調變波長激光器(tunable laser)和可調式濾波器(tunable filter)，主要應用領域為電信與顯示產(chǎn)業(yè)。在電信方面，由于光學MEMS制成的光學器件具有很好的效能，例如低插入損耗、優(yōu)良的波長平坦度和極小的串擾，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。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、自適應光學系統(tǒng)、商用印刷等等。In-Stat/MDR認為，在未來的5年中，光學MEMS的復合年增長率將達到15.8%。非電信類光學MEMS的成長預測，請參考圖2。

圖2  非電信類的光學MEMS的成長預測
單位：10億美元
資料來源：In-Stat/MDR. 2006.3
 
目前最成功的光學MEMS產(chǎn)品，正是由TI的DLP專利技術所制造的微面鏡器件。此技術其實早在1987年TI即已提出，但一直到近幾年才進入到商業(yè)化的階段，成為前投與背投高階顯示系統(tǒng)的關鍵技術，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雜的光源開關，它包含了最多達220萬用鉸鏈安裝的微型運動鏡面組成的矩形數(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，對應投影圖像中的一個像素。因此，單芯片的DLP投影系統(tǒng)可以產(chǎn)生至少1670萬種顏色，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35萬億種以上的色彩。

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

RF MEMS

RF MEMES原鎖定作為下一代的開關(swich)和繼電器(relay)，但研究進度并不理想，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接收雙向語音電話和數(shù)據(jù)傳送，因此到2004年時，85%的CDMA手機中已采用FBAR雙工器，其出貨量也超過數(shù)千萬顆。

據(jù)WTC的調查報告指出，RF MEMS在2004年的市場規(guī)模約為1.25億美元，然而，此市場每年有高達55%的復合增長率，使其銷售額在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年時將大幅增長到11億美元。因此，該公司極看好此市場，認為RF MEMS可望成為主要的MEMS產(chǎn)品領域之一。

三軸加速計(Tri-axis Accelerometer)

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

最為實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的檢測裝置，并在筆記型計算機碰撞地面前鎖住硬盤磁頭，以免造成的硬盤驅動器上數(shù)據(jù)的遺失。第二大應用則是作為狀態(tài)識別裝置，例如通過傾斜角度來向上或向下滾動手機、PDA及3D游樂器的屏幕，或以搖動的方式來關閉這些設備。這種通過特定動作來下達控制指令的用途，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(yī)療設備或安全管理等其它領域。

目前已有許多大小型的廠商投入此一市場，包括ADI、Freescale、STMicroelectronics等大廠，德國傳感器供貨商Robert Bosch GmbH甚至成立了一家專注于此市場業(yè)務的子公司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，形成兵家必爭的一塊橋頭堡。

MEMS麥克風、揚聲器

在強調多媒體應用的消費性電子產(chǎn)品市場中，麥克風(microphone)和揚聲器(speaker)的用量相當驚人。以2005年來說，全球麥克風市場就有20億部的銷售量，到了2008年預估將成長到30億部。由于采用MEMS制程的麥克風具有低成本、高性能和小型化等特色，在一些應用領域優(yōu)于傳統(tǒng)的ECM產(chǎn)品，因此也是MEMS廠商極看好的一個市場。

據(jù)Information Network的調查指出，MEMS麥克風在2005年時只能取得5%的整體市場率，但到2008年，預計在30億支麥克風市場中MEMS產(chǎn)品占據(jù)15%，復合成長率達240%。在揚聲器市場也有類似的情況，預估到2008年時MEMS揚聲器的出貨量將達5億支。

目前投入MEMS聲學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市場。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，建立從電聲器件設計、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。

結語

MEMS五花八門的潛在應用范圍很廣，未來值得期待的全新市場，包括無線傳感網(wǎng)絡、智能型藥丸、芯片上實驗室(Chip-On-Lab)等等，而能廣泛運用于汽車、生物醫(yī)學、通信，以及消費類產(chǎn)品裝置上。不過，雖然商機龐大，但其技術門坎也相當高，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，甚至得進行跨科技的合作，才能將產(chǎn)品從實驗室?guī)氲疆a(chǎn)業(yè)化的階段。

就半導體產(chǎn)業(yè)來說，MEMS與生產(chǎn)工藝技術的整合將為系統(tǒng)單芯片帶來極大的躍進。未來的單芯片中可望整合音訊、光線、化學分析及壓力、溫度感測等子系統(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；如果再加入對電磁、電力的感應與控制能力，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(zhàn)。