微电机系统(Micro electromechanical Systems， MEMS )是将微电子和机械结合在一起的一种技术，它的出现已有几十年，但其真正发展是从二十世纪九十年代开始。而近几年间，MEMS的发展可用“迅猛”来形容。市场调研公司Yole Developpement的研究报告指出，2012年全球MEMS市场规模将达115亿美元，相比2011年的增长幅度约为12.7%。此外，Yole Developpement预测，未来六年MEMS市场都将保持稳定、持续的增长，市场需求量平均年复合增长率达20%，平均年收益增长率达13%(见图1)。
图1，2011-2017MEMS市场预测(来源：Yole Developpment)。
面对如此蓬勃发展且潜力巨大的市场，半导体业内的各路厂商推出了那些新的技术以抢得市场先机?目前MEMS技术发展遇到了哪些瓶颈和挑战?哪些应用领域将会是接下来的发展热点?通过访问走在MEMS领域前列的几家国际厂商，本文将对上述问题一一解答。
六、九、十轴，各厂商争打组合拳
MEMS涉及的产品领域极其丰富，从大家所熟知的加速度计、陀螺仪、地磁 传感器 等惯性传感器到微流量器件，从MEMS光学器件到无线器件。在MEMS市场整体增长的背后，各个领域的发展情况却不尽相同。根据Yole Developpement的研究报告，未来分立惯性传感器市场增长将放缓，取而代之的是组合型的传感器产品。组合型的传感器是一个新兴的市场，这一市场在2011年的规模约为1亿美元，而到2017年该市场预计达17亿美元。在这剧增数字的背后，快速增长的平板电脑和智能手机等消费类产品自然功不可没。
为了保持在消费电子设备上的位置，意法半导体推出了一系列的组合型传感器产品。LSM330就是一款拥有可自定义运动识别功能的微型六轴传感器模块，该模块整合一个三轴陀螺仪、一个三轴加速度计和两个嵌入式有限状态机，这两个可编程电路可在模块内部实现自定义运动识别功能。LSM303D则是集成了加速度计和磁传感器，在功耗和分辨率等方面都有很大的提升，并且和意法半导体的加速度传感器保持了同样的封装，仅为3mm*3mm。值得一提的是，另一款今年推出的新产品LSM333D在一个封装内整合一个三轴加速度计、一个三轴陀螺仪和一个三轴磁力计，达到9自由度(DOF)惯性感应功能。
组合型传感器产品的优势是显而易见的，重要的一点是提高系统的集成度，这对于不断追求低功耗、小体积的消费电子产品有着更深刻的意义。在此，我们必须提及另一家专注于消费电子领域的公司InvenSense。该公司近期发布的一款集成了三轴加速度计和三轴陀螺仪的六轴组合传感器尺寸仅为3mm*3mm;在1.8V供电电压下，工作模式下的功耗低至6.1mW，可以说刷新了组合型传感器体积和功耗的新纪录。InvenSense市场营销副总裁Ali Foughi指出，相比竞争对手，这款产品型号为MPU-6500的动作感测追踪传感器体积减少了33%、功耗更是降低了将近60% 。在九轴方面，InvenSense目前拥有的产品是MPU-9150，该产品整合了两个芯片：一个是集成了三轴陀螺仪和三轴加速器的MPU-6050，内建可处理复杂九轴运动感测融合算法的数字运动感测处理器(DMP);另一个 是三轴数字电子罗盘AK8975。
当各大厂商积极应战六轴、备战九轴之际，十轴传感器也开始走入人们的视线。所谓“十轴”，即在原先九轴的基础上再增加一个压力传感器。目前我们所使用的惯性导航一般局限于平面导航，而如果引入压力传感器则可通过感知大气压力的变化增加导航的精确度。
ADI近期推出的10自由度高精度MEMS惯性测量单元(IMU) ADIS16480就是一款加入了压力传感器的多轴传感器产品，它在在单个封装中集成了一个三轴陀螺仪、一个三轴加速度计、一个三轴磁力计、一个压力传感器和ADI的ADSP-BF512 Blackfin处理器。ADIS16480采用了一种扩展式卡尔曼 滤波器 (EKF)，可以持续融合传感器输入以提供高度精确的定位信息。虽然目前普通的消费电子产品可能并不需要这么强大的性能，但在某些应用方面这是非常必要的，诸如军事和商业飞机导航、无人车辆、移动式平台定位和工业机器人等要求实时定位但却存在持续运动并且具有复杂、动态特点的系统中。
MEMS传感器从分立不断走向融合，正是源于人们对MEMS产品小体积、低成本的不断追求，这恰恰也是目前各大厂商所面临的主要挑战和所致力突破的瓶颈。
意法半导体公司AMS产品部技术市场经理闫子波表示：“意法半导体在加速度传感器、陀螺仪和地磁传感器有着长期的技术和IP积累，但小型化仍然是当前面临的较大挑战之一。” 为解决这些问题，意法将采用多项技术来解决，比如今后的加速度计和陀螺仪可以共享一个MEMS芯片，六轴系统可集成到更小的封装中，而不用像现在加速度和陀螺仪分别使用两个MEMS Die，占用较大的面积。
飞思卡尔亚太区消费及工业用压力传感器产品应用经理郭培栋也认为当前MEMS产品发展的瓶颈在于封装技术，封装成本成为的挑战。如何进一步缩小封装尺寸，如何将多传感器融入单一封装之中是正面临的重要课题。据介绍，飞思卡尔近期推出的FXO8700CQ六轴传感器和采用了微型封装技术的MMA865xFC，都是建立在低成本的基础上。MMA865xFC是一款智能型、低功耗的三轴加速度计，2mm*2mm的封装尺寸与前一代产品相比体积缩小了将近56%。
创新的封装技术不仅解决了小型化的问题，在提高产品性能方面也是关键。以MEMS麦克风为例，市场上的产品顶部端口和底部端口在SNR上有很大差异，这种差异会显著降低噪声消除的效果。意法半导体 AMS产品部 技术市场经理闫子波介绍，由于意法的MEMS麦克风采用了一种新的堆叠和封装方式，能够保证两者的SNR无差异，并且双模技术把AOP从120dbs提高到140dbs，具有更宽的音域。
