国内MEMS方向哪所高校做得最好？全球呢？

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国内MEMS方向哪所高校做得最好？全球呢？
原文地址：https://www.zhihu.com/question/40899624

长长的路

给高Q值的石英加上电路，二者产生谐振，再用震荡电路给这个频率进行放大，所产生的频率就是电子系统的脉搏，也就是晶振，按照是否加震荡电路来区分，晶振也分为无源晶振和有源晶振，其中无源晶振占据了市场约90%的份额。石英晶振原理及实物图如下：


之前写时钟芯片的文章里提到过，从1920年把石英作为振动源开始，石英晶振发展了近100年，属于相当成熟的行业，日本台湾是第一梯队，占据高端市场，国内占据低端市场，还有点产能过剩，全球龙头是台湾晶技（TXC），国内主要玩家是泰晶科技和惠伦晶体。本来是岁月静好，不料这几年国内芯片技术突飞猛进，随着芯片级封装技术、高集成集成电路设计、精密晶体切割技术的深度应用，晶振向着小型化、低功耗、高性价比方向发展，一些新的创业团队开始冒出来，要使用全新的技术，对石英晶体这个传统行业进行全方位改造和颠覆了。
我们知道晶体厚度与振动频率成反比，工作频率越高，要求晶片越薄，机械强度越差，加工越困难，使用中也易损坏，像泰晶这样的传统巨头已经开始使用芯片加工工艺，用光刻的技术来做精细化的是石英晶振。
然而还有更进一步的，使用先进的MEMS技术（MEMS意为Micro-Electro-Mechanical System，即微机电系统），用硅材料代替石英做谐振器，配合ASIC芯片对输出频率调理。由硅谐振器+AIEC芯片，把二者封装在一起，就组成了一个全硅MEMS振荡器。下图为SiTime的全硅MEMS振荡器：


相对于石英晶振来说，全硅MEMS振荡器抗震动性和抗冲击力更强，石英片很薄之后会变得易碎，在强震动和强冲击力的工况下容易损坏，全硅MEMS振荡器就很耐震，抗冲击能力能达到50000G，抗震动能力能达到60G。其次全硅MEMS振荡器的成本更低，石英晶振有点定制化的感觉，一定的厚度对应一定的频率，全硅MEMS振荡器的谐振器，通过ASIC芯片调理后能在某个频率段任意调节，对于客户来说，测了一个频率，就相当于适用的整个频率段都测了，再加上半导体制造技术效率高，在对于成本比较敏感的消费电子领域，全硅MEMS振荡器优势尽显。除此之外，全硅MEMS振荡器还有功耗更低，面积更小，温度特性更稳定等特点，二者详细对比图如下：


话说回来，这个全硅MEMS振荡器这么好，为啥还没大面积替代石英晶振呢，首先是发展比较晚，全硅MEMS振荡器从20世纪60年代开始开发，在2005年才开始量产，相比之下，石英晶振树大根深，质量稳定，应用成熟，市场广泛，新事物要替代旧事物，是要有一个漫长的过程，再加上晶振的市场是一个成熟市场，全球每年大概也就30多亿美金，没啥增长，巨头都去关注增量市场了，存量市场显得比较不性感。
另一个原因就是这MEMS全硅振荡器壁垒比较高，首先是MEMS谐振器的设计和制造壁垒，MEMS谐振器光物理结构都有双端固支梁结构、梳齿型结构、双端自由梁机构、圆盘酒杯结构等，这么多结构设计起来难度不低，要制造出来也需要特殊工艺，各大晶圆线的标准工艺是没办法，一旦用到特殊工艺，首先要晶圆厂配合，又需要团队有专业的工艺人才，对于势单力薄的创业公司来说，要达成这两项难度极高。其次是ASIC芯片，数字和模拟人才都需要，里面的锁相环、分频电路、甚至还有温度补偿电路等，虽然制造起来标准CMOS工艺就可以，但设计难度高，国内很多跟石英晶谐振器搭配的ASIC芯片还是从日本买的。想想看，辛辛苦苦跨过了MEMS谐振器的工艺壁垒和ASIC的设计壁垒，再研究封装技术，把这两个东西合封在一起，搞完之后发现市场好像并没有很大，可能会有得不偿失之感。
说到市场规模，前面提到石英晶振全球规模约30多亿美金，假设是40亿美金，其中全硅MEMS振荡器渗透率差不多是5%，也就是2亿美金，咱们中国消耗了大部分的晶振，假设中国市场占比60%，那中国MEMS振荡器市场规模就是1.4亿美金，换算成人民币，约10亿人民币，也就是说中国的MEMS振荡器市场规模差不多是10亿人民币，现存盘子还比较小，不过随着MEMS振荡器对石英振荡器的替代率逐渐增高，算是一个增量市场，权威数据显示CAGR差不多有26.5%，数据如下：



在全硅MEMS振荡器这个有限的小市场里，由于其较高的壁垒，导致玩家比较少，全球龙头是SiTime，2003年底成立，依托的是德国BOSH公司30年验证的MEMS时脉技术，2019年底纳斯达克上市，目前占据着全球约90%以上的MEMS振荡器市场。翻看它的财务报表，每年营收也差不多是1个多亿美金（顶峰时有2亿多美金），去年不知为啥还爆亏了8000万美金，即使是细分龙头的隐形冠军，相比TI、NXP等大块头来说，也是不太起眼的。SiTime历年营收如数如下：


国内芯片市场这两年是创业热潮，各个细分赛道基本都有团队在参与竞争，在MEMS振荡器这个领域也不例外，不过由于前述的较高壁垒，相比别的赛道来说，玩家还比较少，目前走的比较快的是深圳麦斯塔，从资本市场拿了很多钱，2023年已经发布了两款产品，也在珠海投资建设封装线，领头人雷总为前IDT销售。除了麦斯塔之外，还有2个团队在进行相关的布局，一家是某MEMS大厂的工艺团队背景出身，一家是IDT背景，在开发一种更新的技术，据说直接省掉了谐振器，通过LC振荡器，在电路层直接产生震荡源，该技术一旦量产，将再次大幅降低晶振成本。
赛道壁垒高、蛋糕小，但是还是有勇士在前赴后继万里冲，我对这些团队抱以崇高敬意，真心希望目前的几个团队都能成功，MEMS振荡器国产化值得期待。

卡卡

简介
微机电系统（MEMS）是现代科技的无名英雄。从智能手机中的运动传感器到汽车中的安全气囊触发器，这些在微观尺度上集成了机械和电气元件的微型设备无处不在。它们的多样化应用使其成为科技行业的重要角色。
坎坷的 2023 年，但光明的前景在前方
2023 年，MEMS 市场略有下滑，收入降至 146 亿美元。这一下滑主要归因于消费电子产品的低迷和更广泛的经济挑战。不过，风云似乎正在散去。预计到 2024 年，MEMS 的出货量将接近 340 亿台，收入将达到 156 亿美元。
长期前景更加乐观。专家预测，在各行业主要趋势的推动下，2023 年至 2029 年的复合年增长率（CAGR）将稳定在 5%：

• 消费电子产品的传感器化： 从智能手机、可穿戴设备到智能家电，对更智能、反应更灵敏设备的需求推动了 MEMS 传感器的集成。
  
• 汽车行业的进步： 自动驾驶的兴起以及对乘客舒适性和安全性的关注，增加了汽车对 MEMS 传感器的需求。
  
• 工业 4.0 和人工智能：各行各业越来越多地采用自动化和人工智能，这在很大程度上依赖于 MEMS 传感器进行精确控制和数据收集。
  

预计到 2029 年，市场规模将达到 200 亿美元，MEMS 传感器的出货量将接近 430 亿个。


应对挑战，改变格局
虽然整体前景乐观，但 MEMS 行业也并非没有挑战。2023 年对许多企业来说是艰难的一年，高库存水平、供应链中断和汽车行业增长放缓等因素都造成了困难。
尽管存在这些障碍，一些公司还是通过赢得新的设计或扩大市场份额而茁壮成长。博世、意法半导体（STMicroelectronics）和 TDK 这三强继续主导 MEMS 传感器市场，而 Broadcom 和 Qorvo 则在射频 MEMS 领域处于领先地位。
代工业务也略有下降，主要原因是传感器制造商因需求下降和库存过剩而减少了订单。不过，由于不断有新企业以创新设计和技术进入微机电系统行业，抵消了这种下降。


全球变化和未来问题
从地域上看，西方国家（北美和欧洲）仍然主导着 MEMS 生产，占加工晶圆的近 60%。然而，尽管目前出现了产业转移的趋势，但预计中国大陆在未来几年的制造份额将会增加。
这一增长提出了几个重要问题：

• 中国 MEMS 公司和代工厂数量的增加是否会导致市场进一步整合？
  
• 中国生态系统将如何适应当前的供过于求和利润压力？
  
• 哪些公司将获得必要的资金支持，以便在激烈的竞争中生存和发展？
  

毫无疑问，MEMS 产业具有强大的生命力，有望强势回归。当它在复杂多变的全球环境中航行时，这些问题的答案将决定其未来的发展轨迹。


参考资料
https://www.yolegroup.com/product/report/status-of-the-mems-industry-2024/
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检验医师

针对国内高校MEMS团队做了一个简单的调研，给各位有保研、考研或者招聘需求的同志参考一下：
清华大学（http://www.ime.tsinghua.edu.cn/publish/ime/5897/index.html）：
信息科学技术学院，微电子学研究所，微纳器件与系统研究室，研究重点为各种新型微电子与纳电子器件及系统，主任为陈炜教授（长江学者）。任天令教授（长江学者）主要研究方向为智能微纳电子器件、芯片与系统，如智能传感器与智能集成系统、可穿戴器件与系统，其中也包括微纳声学器件与系统（音频、超声影像等）和集成微传感器（压力、温度、加速度、红外传感器等）等。刘泽文教授主要从事射频和微波MEMS器件，王喆垚教授从事生物MEMS传感器研究，王晓红教授主要从事能源MEMS研究
此外，清华大学具有微米/纳米技术研究中心和电子封装技术研究中心，具有完备的MEMS加工技术与设备，以及铁电/压电、磁电子等新型材料、器件的工艺加工条件。在叠层芯片技术、系统级封装、MEMS封装等方面都有较高水平。
北京大学（https://eecs.pku.edu.cn/）：
信息科学技术学院，微纳电子学研究院，带头人王阳元院士、黄如院士，研究院下属集成微纳系统研究所(MEMS)，拥有完整的微米/纳米加工工艺线，具备可同时开展MOS、硅基MEMS和集成化工艺技术研究的实验环境，研究内容包括MEMS陀螺仪、加速度计、射频器件、光学器件、柔性器件等一系列MEMS器件，以硅基MEMS为基础，开发了SiC  MEMS、 GaN MEMS、Ti MEMS、 Parylene  MEMS等一系列加工技术。吴文刚教授主要研究MEMS光开关阵列等器件，张海霞教授主要研究深槽刻蚀微纳加工、SiC  MEMS及能源MEMS等技术金玉丰教授主要从事微系统集成封装、MEMS传感器等方向的研究，于晓梅教授主要研究MEMS非制冷红外成像技术及太赫兹探测技术等。
此外，北大建有微米纳米加工技术国家级重点实验室（北大分部），目前该实验室包括微电子净化工艺实验室面积为900平，拥有各种先进的工艺加工及检测设备130多套，可加工CMOS集成电路、超高速硅双极集成电路、微电子机械系统、CMOS/SOI集成电路和化合物半导体器件等，是国内配套最全、最开放的微电子和微电子机械工艺实验研究环境。
上海交通大学（http://microsystem.sjtu.edu.cn/mems/research.html）：
微纳电子学系，通用MEMS技术实验室主要研究方向为非硅材料三维微加工技术研究和信息MEMS器件研制，涉及LIGA/准LIGA加工技术、UV－LIGA  技术、电化学微加工技术、薄膜电子材料制备与微细加工技术、RF  MEMS器件，Optical－MEMS器件、MEMS继电器、MEMS传感器等诸多领域，EE-MEMS实验室主要研究生物医学微系统、极端条件微传感器与系统和微纳制造与精密制靶，微系统集成研究所主要研究方向包括悬浮式微惯性器件、体声波固体波动及固体模态振动微陀螺、微飞行器、微安全系统、流动MEMS传感与控制、微流控芯片。
此外，上海交通大学建有微米纳米加工技术国家级重点实验室（上交分部），紧紧围绕非硅三维微加工技术，开展非硅材料的微米/纳米加工技术的基础与应用基础及其创新工艺技术设计开发研究，突破了一系列关键技术，开发了一系列具有自主知识产权的非硅微米/纳米加工先进工艺技术，建立了面向多用户开放使用的先进的非硅的微米/纳米加工开放工艺规范，研制了一批关键MEMS器件。
东南大学（https://electronic.seu.edu.cn/）：
电子科学与工程学院，MEMS教育部重点实验室，带头人为黄庆安教授（长江学者，IEEE   Fellow），实验室的研究方向包括风速风向传感器、气象传感器、无源无线传感器等多种MEMS传感器的设计与加工制作。秦明教授主要研究MEMS流量、风速、气压等传感器，廖小平教授主要研究基于RF   MEMS技术的微波通讯信号的功率、相位和频率的集成检测系统，以及微型能量收集等方面的设计理论和实现方法研究。尚金堂教授的研究方向包括芯片级原子/量子器件以及微半球谐振器，黄晓东教授主要研究微能源器件与信息存储器件，窦广彬教授主要研究MEMS重力梯度及惯导传感，NEMS石墨烯位移传感，机械量子传感系统，周再发教授主要研究MEMS材料参数在线测试技术与MEMS设计软件开发。
西安交通大学（http://mec.xjtu.edu.cn/）：
机械工程学院，陕西省微型机械电子系统（MEMS）研究中心，主任蒋庄德教授、副主任赵玉龙教授，现主要从事MEMS设计与工艺、各种MEMS器件、MEMS传感器和相关系统的设计和制作，主要包括极端环境下的传感器如耐高温的压力传感器、油气检测传感器等等。
重庆大学（http://coe.cqu.edu.cn/info/1178/2374.htm）：
光电工程学院，光电技术及系统教育部重点实验室，研究方向包括光纤光子技术、微纳器件及系统、智能结构系统与智能化光电仪器及设备。其中与MEMS相关的主要是微纳器件及系统，带头人是牟笑静教授，研究范围包括微纳生化传感器与微型仪器、MEMS微能源器件与系统、新型微纳器件的基础理论与关键核心共性技术等，重点从事基于氮化铝薄膜的压电功能芯片的研究及研发工作。
西北工业大学（http://jidian.nwpu.edu.cn/xygk/xyjj.htm）：
机电学院，微系统工程系，空天微纳系统教育部重点实验室，是国内较早开展MEMS研究的单位之一，以微机电系统技术为核心，以纳机电系统（NEMS）技术为深入方向，以面向航空、航天、航海及国家重大需求的微纳系统及相关技术研究为重点和特色。带头人为苑伟政教授（长江学者），主要研究MEMS微系统集成、制造相关技术，重点面向军工需求的MEMS陀螺仪、惯性传感器以及微光学系统等。
除以上高校外，还有中科院上海微系统所、北京电子所、苏州纳米所以及中电集团55所等研究所在MEMS领域都有深厚的研究积累，尤其在加工工艺条件上相比高校具有一定优势。
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卡卡

高校的话北大，清华，东南大学，重庆大学，上海交大（前两者有很强的研究人员和资金来源，后三者有重点实验室）；研究机构的话（这些都是在招硕博的）中电13所，中电55所，上海微系统所，中科院微电子所。这些的实力在国内来说都是一流的。之前有听说过北大清华十三所是国家发展MEMS 技术的“金三角”。

清风寡欲

高校肯定还是北大做的最好，工艺条件相对领先，其他上海微系统所，东南大学，南理工也还不错