一、前言
微機電系統（MEMS, Micro-Electro-Mechanical Systems）長期被視為半導體產業中「More than Moore」的重要分支，透過微型機械結構、感測材料、特殊應用積體電路（ASIC）、封裝技術與系統演算法的整合，實現對物理世界的感知、轉換與控制。一般而言，MEMS係指以半導體批次製程製造，包含可動或非可動微結構的微型元件，可透過體型微加工（Bulk Micromachining）、表面微加工、深蝕刻、犧牲層釋放或晶圓鍵合等技術形成感測器（Sensor）或致動器（Actuator），應用範圍涵蓋慣性感測、壓力感測、聲學、射頻、光學、紅外線、微流體、環境感測與微致動等領域。
近年來，MEMS元件的應用結構逐漸從消費性電子，擴充至汽車、工業、醫療、電信、資料中心與國防航太等更高附加價值的市場。雖然智慧型手機、穿戴式裝置與消費性電子產品仍然是MEMS元件的重要應用場域，但成熟終端產品對元件出貨量的拉動已趨於平穩；相較之下，汽車電子、工業自動化、醫療感測、高速通訊與特殊應用市場，則對MEMS元件提出更高的可靠度、穩定性、整合度與環境適應性要求，進一步推動產品技術升級，擴大MEMS元件應用廣度，成為支撐新一波市場拉力之基礎。
市場拉力的改變顯示，MEMS元件產業的競爭典範轉移，從低成本與大量出貨，逐步轉向高可靠度、高整合度、低功耗與智慧化應用能力。未來 MEMS 元件不僅需要提升單一元件性能，也需結合感測融合、邊緣運算、先進封裝、壓電材料與異質整合等技術，以支援更複雜的終端系統需求。
從技術發展方向來看，本研究提出三個方向：1.邊緣運算推動MEMS感測器從訊號擷取走向智慧判斷、2.Piezo-MEMS成為聲學、散熱與高頻應用的新興技術核心、3.12吋MEMS製造，為觀察 MEMS元件產業下一階段演化的重要切入點，說明如下。
二、邊緣運算推動MEMS感測器從訊號擷取走向智慧判斷
以往MEMS感測器多以獨立元件形式導入終端產品，例如加速度計、陀螺儀、壓力感測器與MEMS麥克風等，主要功能是將加速度、角速度、壓力、聲音等物理量轉換為電訊號，再由系統端處理器進行後續運算。故MEMS感測器結構，大多是以MEMS感測結構與訊號讀取及處理電路所組成；前者負責感測物理量變化，後者進行訊號放大、濾波、類比數位轉換、溫度補償與校正。因此，傳統MEMS感測器的功能多集中在物理訊號擷取與電訊號轉換，競爭重點則在於感測精度、雜訊表現、尺寸微縮、功耗控制與量產成本。
隨著終端產品朝向低功耗、即時反應與感測融合發展，MEMS感測器架構從「MEMS 感測元件+ ASIC」逐漸轉變為「MEMS + ASIC／DSP／MCU（微處理器）+ 韌體演算法」。如圖1所示。
在傳統處理鏈中，MEMS封裝內主要由MEMS感測元件與訊號讀取與處理電路（ASIC） 組成。MEMS感測元件產生的原始感測資料，先經由 ASIC 完成訊號前處理，再傳送至系統端微處理器（AP／MCU）進行資料處理與演算法運算，最後再由雲端平台完成AI運算。在此架構下，感測器端主要負責感測資料擷取與前端訊號處理，後續判斷、分析與應用決策仍以系統端或雲端為主。
相較之下，在邊緣運算處理鏈中，是將原本位於系統端或雲端的部分資料處理、演算法運算與AI運算功能，前移至MEMS封裝或感測器端。此架構中，ASIC進一步整合數位訊號處理器（Digital Signal Processor，DSP），在感測器端完成數位濾波、資料緩衝、特徵擷取與事件偵測；部分架構也會搭配感測器端微處理器（MCU）執行低功耗AI運算，使感測器能在本地端先完成初步判斷，再將結果傳送至系統端微處理器（AP／MCU）。因此，邊緣運算處理鏈減少原始感測資料的傳輸量，降低系統功耗與反應延遲，並使MEMS感測器從單純的訊號擷取元件，演化為具備資料處理、演算法運算與事件判斷能力的智慧感測節點。
資料來源：工研院產科國際所 ITIS研究團隊(2026/09)
圖1 邊緣處理推動MEMS感測器運算功能移動
在設計與封裝層面，多感測功能整合與感測融合演算法的導入，已成為MEMS感測器發展的重要方向。實務上，MEMS感測器廠商透過多晶片封裝、系統級封裝或感測模組，將加速度計、陀螺儀、磁力計、壓力感測器、環境感測器與訊號讀取及處理電路整合在一起。部分產品亦會結合晶圓級封蓋、氣密封裝、聲學開孔、壓力腔體或保護結構，以滿足不同感測原理對封裝環境的需求。因此，封裝不只是保護元件的外部結構，也會直接影響感測器的靈敏度、雜訊、漂移、可靠度與系統整合性。
國際大廠的產品布局亦反映此趨勢：Bosch的BHI385智慧感測器結合6軸式慣性測量單元（IMU）、整合式32位元微處理器（Fuser2）與內建AI演算法軟體，並支援Motion AI Studio，讓使用者可將機器學習模型部署於穿戴式裝置邊緣端，開發高動態運動追蹤、姿態分析與手勢辨識的功能；ST Microelectronics透過機器學習核心（MLC）與智慧感測處理單元（ISPU）的AI架構，將低功耗分類、事件觸發與推論功能導入MEMS感測器，使資料可在本地端完成初步判斷，再喚醒主處理器；TDK InvenSense以SmartMotion系列強化6軸IMU的低功耗、高穩定性與動作追蹤性能，支援擴增實境（AR/VR）、穿戴式裝置、機器人與無人機等應用。
三、Piezo-MEMS成為聲學、散熱與高頻應用的新興技術核心
壓電式微機電系統（Piezo-MEMS）的應用範圍正持續擴張。傳統MEMS元件常見的訊號轉換與致動機制，包括電容式、壓阻式、熱式與靜電式致動等架構，然而，在微型喇叭、壓電式微加工超音波換能器（Piezoelectric Micromachined Ultrasonic Transducer，PMUT）、噴墨列印頭、微鏡、射頻濾波器與微型散熱等應用中，壓電材料因具備較佳的機電轉換效率、致動能力與薄型化潛力，逐漸成為Piezo-MEMS應用擴張的重要技術基礎。
如圖2所示，Piezo-MEMS元件可應用於PMUT、噴墨列印頭、微鏡、射頻微機電元件、微型散熱元件與MEMS微型喇叭等領域。就材料來看，鋯鈦酸鉛（PZT）具備良好致動特性，適合用於微型喇叭、微鏡、噴墨頭與部分致動應用，但因含鉛故面臨環保與法規壓力；鈮酸鉀鈉（KNN）等無鉛壓電材料具備替代潛力；氮化鋁（AlN）與摻鈧氮化鋁（ScAlN）則多用於感測、射頻濾波與高頻元件。相較於單純討論市場規模，薄膜壓電材料在晶圓製程中的導入程度，更能反映壓電式MEMS的技術成熟度與量產潛力。
資料來源：工研院產科國際所 ITIS研究團隊(2026/09)
圖2 壓電式MEMS元件材料與應用導入趨勢
Piezo-MEMS元件的重要性，在於能使MEMS元件從「感測」進一步延伸至「致動」與「功能元件」應用。以MEMS微型喇叭為例，透過壓電薄膜驅動微型振膜，作為傳統動圈式或平衡電樞式聲學結構的替代方案之一，具備薄型化、表面黏著封裝、耐灰塵、耐濕與高整合度等優勢，適合真無線藍牙耳機（TWS）、智慧手錶、助聽器與AI智慧眼鏡等穿戴式裝置。尤其在助聽器與AI穿戴式裝置中，終端產品對微型化、低功耗與高整合聲學元件的需求提高，將使MEMS微型喇叭具備較高成長潛力。
除聲學應用外，微型散熱亦是Piezo-MEMS的新興應用方向。美國廠商xMEMS於2025年宣佈，將微型散熱晶片平台延伸至AI資料中心光收發模組，支援高速光收發模組內部的局部主動散熱，並透過隔離氣流通道降低對光路與核心電子元件的污染風險。值得注意的是，由於此類MEMS微型散熱仍處於新興應用與導入初期，可以潛在技術路線的角度觀察後續發展再行評估是否可以取代傳統的散熱方案。
同時，xMEMS亦將微型散熱技術導入AI智慧眼鏡，作為可嵌入鏡框內的主動式熱管理方案，以因應穿戴式顯示裝置在微型化與高整合設計下的散熱需求。此一發展顯示，MEMS產業正由傳統感測元件市場，逐步延伸至聲學、散熱、觸覺、超音波與射頻等主動功能元件領域。未來商機不僅存在於MEMS元件本身，也將涵蓋壓電薄膜沉積、微細蝕刻、晶圓級封裝、驅動電路、聲學模擬、熱流模擬與可靠度驗證等周邊技術。
四、12吋MEMS製造推動高整合應用，但平台轉換仍具挑戰
對一般IC而言，晶圓尺寸放大通常有助於提升單片晶圓的產出效率，進而降低單位生產成本；但MEMS元件的製程高度依賴產品結構、材料特性、腔體設計、釋放製程與封裝條件，不同元件往往需要高度客製化的製程整合。因此，MEMS元件製造轉向12吋晶圓的主要動機，並不只是追求單片晶圓可切割更多晶粒，而是與製程整合能力、元件尺寸、系統整合需求及量產穩定性高度相關。
從技術面來看，12吋MEMS製造的價值主要體現在三大方向。第一，有助於MEMS元件與IC進行更緊密的整合。隨著智慧MEMS感測器、超音波換能器、光學MEMS元件，以及感測器端運算需求持續提升，MEMS元件與CMOS讀出電路、訊號處理電路或控制晶片之間的整合程度愈來愈高。12吋晶圓平台有助於與既有半導體製程及供應鏈銜接，進一步支援異質整合與系統級封裝發展；第二，可導入較高階或性能較佳的製程設備，提升薄膜沉積、蝕刻、鍵合與製程均勻性；第三，支援特定應用所需的大尺寸或高整合度晶片，例如電容式微加工超音波換能器（Capacitive Micromachined Ultrasonic Transducer ，CMUT）、部分光學MEMS元件，以及與CMOS電路緊密整合的感測元件。
在支援特定應用所需的大尺寸或高整合度晶片發展方向中，CMUT可視為較具代表性的12吋MEMS應用案例。此類元件通常採用陣列式結構，整體晶片或模組面積可能較大，且常需要與CMOS讀出電路、驅動電路或訊號處理電路進行緊密整合，因此採用12吋製程具有一定的技術與經濟合理性。相較之下，許多成熟或成本敏感型的傳統MEMS元件，可能會長期沿用6吋或8吋晶圓製造，原因在於既有製程成熟、設備折舊攤提完成，且在成本、良率與供應穩定性上具備優勢。因此，12吋 MEMS並不代表整個產業將在短期內全面轉換製造平台，而是會優先出現在高整合度、大尺寸晶片，或需要與IC進行深度整合的應用領域。
然而，12吋MEMS製造仍面臨多項挑戰。MEMS製程常涉及深反應離子蝕刻、薄膜應力控制、晶圓鍵合、犧牲層釋放、晶圓封蓋與氣密封裝等步驟，且元件結構對殘留應力、晶圓翹曲、粒子污染、腔體壓力與封裝應力高度敏感，因此對設備能力、製程穩定性與材料控制要求相當高。若採用MEMS元件與CMOS電路整合的架構，製程溫度還需受到嚴格限制，以避免影響電路特性。整體而言，12吋平台的導入不只是晶圓尺寸放大，也是製程整合、設備配置、材料管理與良率控制的系統性挑戰。
五、結論
1.MEMS元件從以感測功能、尺寸微縮與成本控制為核心的，逐步轉向智慧感測、主動功能元件與晶圓製程升級並進的新階段。
隨著邊緣運算導入感測器端，MEMS感測器不再只是單純擷取物理訊號，而是進一步具備資料處理、事件偵測與初步判斷能力，成為終端系統實現低功耗、即時反應與感測融合的重要基礎。同時，Piezo-MEMS的應用擴張，也使MEMS元件從傳統感測領域延伸至聲學、散熱、觸覺、超音波與射頻等主動功能元件市場，帶動壓電材料、微細加工、封裝與驅動電路等技術需求。
2.12吋MEMS製程有助於支援異質整合、大尺寸晶片與高階應用發展，但導入仍受製程穩定性、材料控制、設備配置與良率管理等挑戰限制。
隨著MEMS元件朝向智慧化、多功能整合與高階應用發展，未來競爭力取決於能否結合感測融合演算法、先進封裝、壓電材料與晶圓製程能力，滿足終端系統對微型化、高可靠度與高整合度的需求。12吋MEMS製程可支援較大尺寸晶片、異質整合與更高複雜度的製程平台，並有助於銜接CMOS製程與先進封裝發展，應用機會可望優先出現在車用、工業、AIoT與高階消費電子等領域。
不過，MEMS製程具有高度客製化特性，12吋製程並非單純放大晶圓尺寸，晶圓廠仍需克服薄膜應力、材料均勻性、蝕刻與陽極鍵合穩定性等挑戰。因此，短中期內8吋製程仍是MEMS產品的量產主力，12吋MEMS製程較可能先應用於高出貨量、高整合度或高階應用的產品。