過(guò)去五年來(lái)，基于MEMS技術(shù)的傳感器和執(zhí)行器的出貨量一直穩(wěn)定在半導(dǎo)體器件大類(lèi)(總量大約在1.2萬(wàn)億左右)的2.5%至3%之間，即360億件左右。2020年全球傳感器/執(zhí)行器市場(chǎng)的總價(jià)值為167億美元左右，其中基于MEMS技術(shù)總銷(xiāo)售額為139億左右，這個(gè)數(shù)字和2019年非傳感器、非光電器件的銷(xiāo)售額基本持平，全球不含圖像傳感器的所有其他傳感器在內(nèi)的所有分類(lèi)，在市場(chǎng)中約有一半左右屬于MEMS范疇，而如全文所述，所有執(zhí)行器都基于MEMS技術(shù)，所以二者權(quán)重相加，計(jì)算得出83%這個(gè)數(shù)字。

其次，這近140億美元的MEMS傳感器和執(zhí)行器市場(chǎng)中，所有傳感器細(xì)分類(lèi)別銷(xiāo)售額占比最大的是壓力傳感器(31億美元)，其次是加速度傳感器/陀螺儀(26億美元)和磁場(chǎng)傳感器(22億美元)，執(zhí)行器市場(chǎng)作為“終端”貫穿整個(gè)傳感器的外部輸出，所以它占的營(yíng)業(yè)額最大，為60億美元。制圖如下：

我們?cè)賮?lái)對(duì)比一下2019年的狀況：首先是壓力傳感器(28億美元)，其次是加速度傳感器/陀螺儀(23.8億美元)和磁場(chǎng)傳感器(20.1億美元)和執(zhí)行器55.5億美元，作圖的結(jié)果和上述比例幾乎完全一致，我們可以發(fā)現(xiàn)，整個(gè)MEMS傳感器和執(zhí)行器的增長(zhǎng)率2020年同比有均值約11%的增長(zhǎng)。

集微咨詢(xún)(JW insights)之前曾發(fā)多篇文章闡述，2019年因受經(jīng)濟(jì)大環(huán)境尤其是DRAM周期性影響，整個(gè)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)處在一個(gè)“小冰川期”，各個(gè)細(xì)分領(lǐng)域的半導(dǎo)體器件營(yíng)業(yè)額均有下降，包括晶圓前端和后端的設(shè)備研發(fā)/營(yíng)收占比也相對(duì)處于低谷，部分原因是因?yàn)?018年之后全球半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈的庫(kù)存調(diào)整，智能手機(jī)出貨量放緩以及采購(gòu)訂單回落明顯。因此，在一個(gè)相對(duì)較低的基數(shù)下，2020年MEMS傳感器/執(zhí)行器的增長(zhǎng)率達(dá)到了2016年以來(lái)的新高，且5G技術(shù)無(wú)論移動(dòng)端還是基站布局的方興未艾，射頻前端所需的MEMS射頻濾波器極大地推動(dòng)了這個(gè)領(lǐng)域的銷(xiāo)售額增長(zhǎng)。

近日，賓夕法尼亞州立大學(xué)(PSU)工程科學(xué)與力學(xué)系助理教授程寰宇團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了一種在貝殼和智能器件上可“瞬間”印電路的方法。他們首次提出利用脈沖光及轉(zhuǎn)印技術(shù)，在毫秒量級(jí)的時(shí)間制備了多種不同 3D 曲面制備基于鋅金屬層可降解的傳感電路。

該工藝無(wú)苛刻制備要求，在室溫、任意實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下，就可以能快速、大規(guī)模、低成本地制備曲面/平面可降解電子器件，該技術(shù)可用于醫(yī)療可降解植入設(shè)備、環(huán)境綠色傳感器、軍用物理自破環(huán)保密、智能物聯(lián)網(wǎng)等多領(lǐng)域。

8 月 5 日，相關(guān)研究以《基于強(qiáng)脈沖光轉(zhuǎn)印技術(shù)的 3D 復(fù)雜表面多功能電路制備工藝》(Fabricating functional circuits on 3D freeform surfaces via intense pulsed light-induced zinc mass transfer)為題發(fā)表在 Materials Today。該研究通訊作者是賓夕法尼亞州立大學(xué)助理教授程寰宇，第一作者為博士生衣寧、高玉巖。

“該研究起源于一個(gè)偶然的發(fā)現(xiàn)?！背体居钫f(shuō)。

研究人員最初嘗試用氙燈燒結(jié)鋅顆粒制備可降解電路，但是由于鋅顆粒易氧化，其表面的氧化層阻礙了直接燒結(jié)成型，這使研究一度陷入困境。

之后，程寰宇團(tuán)隊(duì)從問(wèn)題的本質(zhì)出發(fā)，換了一種研究思路：既然表面氧化層不可避免，可否利用一層臨時(shí)過(guò)渡基底，利用轉(zhuǎn)印技術(shù)，將氧化層與內(nèi)部金屬顆粒分離?

研究團(tuán)隊(duì)驚奇地發(fā)現(xiàn)，引入臨時(shí)過(guò)渡基底后，鋅顆?？梢赞D(zhuǎn)印到任意曲面，極大地?cái)U(kuò)展了光致燒結(jié)金屬顆粒的應(yīng)用范圍。在論文中，該團(tuán)隊(duì)展示了將器件轉(zhuǎn)印到燒杯和貝殼上的成功案例。

“失敗乃成功之母”，程寰宇表示，“歷史上很多科研的重大發(fā)現(xiàn)都是在不經(jīng)意間，甚至在錯(cuò)誤的預(yù)期結(jié)果中得到的。這種科研上的混沌(chaos)或隨機(jī)性，其實(shí)是科研本身具有的魅力之一。”

壓電式加速度傳感器以壓電效應(yīng)使某些晶體表面產(chǎn)生電荷為傳感器元件。當(dāng)加速度計(jì)受到振動(dòng)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)作用在壓電元件和振動(dòng)質(zhì)量上的力。由于壓電效應(yīng)，這種振動(dòng)或沖擊會(huì)產(chǎn)生與所施加的力成正比的電荷輸出。在很寬的頻率范圍內(nèi)，傳感器質(zhì)量和傳感器基座具有相同的加速度幅度，因此傳感器測(cè)量加速度計(jì)主體的加速度。

壓電式加速度傳感器的工作原理是指當(dāng)某些電介質(zhì)受外界影響而變形時(shí)，晶體內(nèi)部會(huì)發(fā)生極化，在晶體表面產(chǎn)生正負(fù)電荷。當(dāng)外界影響消失后，又會(huì)回到不帶電的初始狀態(tài)，而這也稱(chēng)為壓電式加速度傳感器的壓電效應(yīng)。

壓電式加速度傳感器也叫壓電加速度計(jì)，是一種慣性傳感器。壓電式加速傳感器利用石英晶體等材料的壓電效應(yīng)，當(dāng)加速度計(jì)產(chǎn)生振蕩時(shí)，壓電元件上質(zhì)量塊所加的力也隨之改變。在測(cè)量到的振動(dòng)頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于加速度計(jì)的固有頻率時(shí)，受力的變化與被測(cè)加速度成正比。

壓電式加速度傳感器可以說(shuō)是工業(yè)測(cè)試應(yīng)用中非常受歡迎的一款。由于低成本、小尺寸等特點(diǎn)，壓電式加速度傳感器設(shè)備在嵌入式電子產(chǎn)品中得到廣泛應(yīng)用，但是壓電技術(shù)仍是機(jī)械工程師們進(jìn)行沖擊振動(dòng)測(cè)試的主要手段。

壓電式加速度傳感器主要構(gòu)造有預(yù)壓彈簧、基座、壓電元件和傳感器殼體構(gòu)成。它們具有環(huán)狀剪切型，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可制作出極小、共振頻率高的加速度計(jì)，環(huán)質(zhì)塊粘附于安裝在中央支柱上的環(huán)狀壓電元件上。壓電式加速度傳感器的最高工作溫度受限，因?yàn)檎澈蟿?huì)隨著溫度的升高而變軟。