什么是MEMS傳感器？

MEMS傳感器即微機(jī)電系統(tǒng)（Microelectro Mechanical Systems），MEMS 技術(shù)于 1980 年代發(fā)明，是一種利用硅基半導(dǎo)體制造工藝制造微型機(jī)械電子系統(tǒng)的技術(shù)，最早在汽車和軍工領(lǐng)域有部分應(yīng)用，主要產(chǎn)品包括 MEMS 傳感器和 MEMS 執(zhí)行器。與傳統(tǒng)的傳感器相比，它具有體積小、重量輕、成本低、功耗低、可靠性高、適于批量化生產(chǎn)、易于集成和實(shí)現(xiàn)智能化的特點(diǎn)。同時，在微米量級的特征尺寸使得它可以完成某些傳統(tǒng)機(jī)械傳感器所不能實(shí)現(xiàn)的功能。

MEMS技術(shù)被認(rèn)為是傳統(tǒng)集成電路（IC）制造的擴(kuò)展形式。傳統(tǒng) IC 制造技術(shù) (VLSI) 與 MEMS 的主要區(qū)別在于，使用 MEMS 不僅可以制造電容器和電感器等電氣元件，還可以制造齒輪、彈簧、梁等機(jī)械部件。使用傳統(tǒng) IC 技術(shù)，只能制造導(dǎo)體、絕緣體、二極管和晶體管。

MEMS 是借助先進(jìn)的 IC 制造技術(shù)將有源和無源元件集成到單個硅基板中。有源元件是傳感器和執(zhí)行器，而無源元件是無源電子系統(tǒng)和無源機(jī)械系統(tǒng)。

由放大器、ADC、濾波器等信號處理電路組成的電子系統(tǒng)采用IC制造工藝設(shè)計，而由齒輪、曲柄、軸承等組成的機(jī)械系統(tǒng)采用微加工工藝設(shè)計。

傳感器是當(dāng)今數(shù)字世界的重要組成部分之一。由于所有的計算和處理都是在數(shù)字信號上完成的，所以在模擬世界和數(shù)字電子設(shè)備之間應(yīng)該有一個媒介。傳感器彌合了這一差距，因?yàn)樗鼈冇糜谟^察模擬物理參數(shù)的時間效應(yīng)并產(chǎn)生有意義的信息（對計算機(jī)）。

傳感器的現(xiàn)代定義有時令人困惑，但簡單來說，傳感器是一種包含基本傳感元件的設(shè)備，這些傳感元件可以感知溫度或濕度等物理量并將其轉(zhuǎn)換為電信號。傳感器還包括信號處理單元，如放大器、濾波器或 ADC 或這些元件的組合。

談到 MEMS 傳感器，如果傳感器是使用 MEMS 技術(shù)設(shè)計和制造的，那么它被稱為微機(jī)械微傳感器或簡稱為 MEMS 傳感器。

MEMS傳感器的三波浪潮

MEMS 行業(yè)的第一波浪潮是汽車領(lǐng)域。從 1990 年到 2000 年，汽車電子化趨勢帶動了加速度計、角速度傳感器、壓力傳感器、質(zhì)量流量傳感器的崛起，主要原因是 MEMS傳感器在可靠性、性能方面可比擬機(jī)械類傳感器，但在成本、體積、功能、成本方面的優(yōu)勢超過了機(jī)械傳感器。

MEMS 行業(yè)的第二波浪潮是消費(fèi)電子。從 2000 年到 2010 年，手機(jī)的快速發(fā)展帶動運(yùn)動類、聲學(xué)類、光學(xué)類、環(huán)境類 MEMS 快速崛起。智能手機(jī)的傳感器數(shù)量一般在 9~13個左右，比如 iPhone 中包含了近距離傳感器、麥克風(fēng)、加速度計、陀螺儀、溫濕度傳感器、環(huán)境光傳感器等 9 種 MEMS 器件。iPhoneX 搭載 3D Sensing，進(jìn)一步提升智能手機(jī)中傳感器數(shù)量和價值量。隨著智能手機(jī)的技術(shù)創(chuàng)新和手機(jī)廠商差異化競爭的趨勢，傳感器數(shù)量還將繼續(xù)增長。

MEMS 行業(yè)的第三波浪潮是物聯(lián)網(wǎng)。從 2010 年到 2020 年，隨著聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)呈現(xiàn)爆發(fā)式增長趨勢，智能傳感器與節(jié)點(diǎn)、傳感器相關(guān)軟件與算法、定制化物聯(lián)網(wǎng)傳感器解決方案將成為行業(yè)重要發(fā)展趨勢。物聯(lián)網(wǎng)的核心是傳感、互連和計算，MEMS 在物聯(lián)網(wǎng)中的重要應(yīng)用場景包括智能家居、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、車聯(lián)網(wǎng)、環(huán)境監(jiān)測、智慧城市等領(lǐng)域。

隨著未來聯(lián)網(wǎng)設(shè)備數(shù)呈現(xiàn)高速增長態(tài)勢，集成電源、MEMS、MCU、射頻等器件的多功能聯(lián)網(wǎng)傳感器將持續(xù)增長，物聯(lián)網(wǎng)將是 MEMS 的下一個重要增長極。

物聯(lián)網(wǎng)生態(tài)系統(tǒng)的核心是傳感、連接、計算。MEMS 傳感器、微控制器、安全芯片等硬件將成為物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的基礎(chǔ)。傳感器約占到物聯(lián)網(wǎng)硬件市場規(guī)模的 20%，微型化、低功率、高集成度、低成本將成為物聯(lián)網(wǎng)傳感器的發(fā)展趨勢。隨著NB-IoT、LTE-V 等通信協(xié)議的逐步商業(yè)化，MEMS 傳感器將在物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展中得到廣泛應(yīng)用。

MEMS 市場細(xì)分領(lǐng)域眾多，前景廣闊

根據(jù) Yole Développement 的研究，全球MEMS 傳感器市場規(guī)模將從 2015年的 118.5 億美元增長至 2021 年的 396.9 億美元，CAGR為 22%。預(yù)計到 2021 年，10 億美元以上的 MEMS 細(xì)分領(lǐng)域包括射頻 MEMS（38 億美元）、光學(xué)類MEMS（116 億美元）、慣性組合 MEMS（118 億美元）、陀螺儀（15 億美元）、加速度計（16 億美元）、麥克風(fēng)（18 億美元）、壓力傳感器（38 億美元）。

從市場增速看，2015 年至 2021 年 CAGR 排名靠前的MEMS 細(xì)分領(lǐng)域有：環(huán)境類MEMS（39%）、紅外線傳感器（29%）、射頻 MEMS（21%）、其他（19%）、振蕩器（16%）、微流體（13%）、輻射熱測量計（13%）、慣性組合（10%）、麥克風(fēng)（9%）、光學(xué) MEMS（8%）、壓力傳感器（6%）。

從應(yīng)用領(lǐng)域來看，MEMS 市場的主要應(yīng)用領(lǐng)域集中在消費(fèi)電子、醫(yī)療、汽車、工業(yè)等領(lǐng)域。按照應(yīng)用領(lǐng)域分類，根據(jù) Yole Développement 的研究，2021 年全球 MEMS 傳感器市場規(guī)模分別為：電信（3 億美元）、醫(yī)療（10 億美元）、工業(yè)（18 億美元）、國防（4 億美元）、消費(fèi)電子（111 美元）、汽車（48 億美元）、航空航天（2 億美元）；2015-2021年對應(yīng)的 CAGR 增速為：電信（3.6%）、醫(yī)療（11.1%）、工業(yè)（7.3%）、國防（7.8%）、消費(fèi)電子（11.8%）、汽車（4.2%）、航空航天（4.9%）。

全球 MEMS 市場競爭格局

2015 年全球 MEMS 企業(yè) 30 強(qiáng)實(shí)現(xiàn) MEMS 銷售收入 90.73 億美元，同比增長 5%，其中，5 家 MEMS 企業(yè)實(shí)現(xiàn)銷售額增速大于 20%：安華高（Avago Technologies）受益射頻前端模組業(yè)務(wù)在4G手機(jī)頻道應(yīng)用的增長，實(shí)現(xiàn)銷售收入增速為41%；應(yīng)美盛（InvenSense）2015 年銷售增速為 33%，得益于慣性傳感器系統(tǒng)的多功能集成以及針對手機(jī)研發(fā)的STUDIO 傳感軟件套裝業(yè)務(wù)的增長；臺積電（TSMC）首次上榜，在應(yīng)盛美和 mCube 等客戶的業(yè)務(wù)推動，實(shí)現(xiàn) 29%的銷售收入增長；Qorvo 和瑞聲科技（AAC）分別實(shí)現(xiàn) MEMS營收增速為28%、22%。

2016 年全球 MEMS 企業(yè)前 30 強(qiáng)實(shí)現(xiàn)MEMS 銷售收入 93.5 億美元，同比增長 1.6%。博世和德州儀器公司相比 2015 年排名沒有變化，意法半導(dǎo)體和 Hewlett Packard 的 MEMS收入同比下降。受益 4G 應(yīng)用以及 4.5G 對蜂窩技術(shù)要求提升，2016 年射頻 MEMS 市場需求呈現(xiàn)高增長，博通憑借 RF MEMS 強(qiáng)勁出貨首次排名第二，Qorvo 也受益射頻前端市場，營收在 3 年內(nèi)從 1.45 億美元增長至 5.85 億美元。

射頻MEMS 市場將呈現(xiàn)高增長。Yole 預(yù)計 2017~2022 年，射頻 MEMS 濾波器市場規(guī)模 CAGR 為 35%，此外，射頻前端市場同期的 CAGR 為 14%。

MEMS 是智能汽車感知環(huán)境的關(guān)鍵

智能感知是智能汽車上路的基礎(chǔ)。智能汽車的核心在于傳感、計算、聯(lián)網(wǎng)、決策。智能汽車感知環(huán)境的物理角度包括聲學(xué)、光學(xué)、熱學(xué)、電學(xué)、力學(xué)等方面，汽車上路需要軟硬件協(xié)同一體化的智能傳感器（包括 MEMS、MCU、RF、AP 等單元）。

主要有：

加速度計——用于電子穩(wěn)定控制和安全氣囊展開。

慣性測量單元或 IMU（它們是 MEMS 加速度計和 MEMS 陀螺儀的組合）——用于測量自動駕駛的偏航、俯仰和滾動。

磁力計 - 用于導(dǎo)航的方向。

壓力和慣性傳感器——用于制動控制。

壓力傳感器——胎壓監(jiān)測系統(tǒng)。

氣流傳感器 - 進(jìn)氣監(jiān)控。

燃油傳感器——燃油液位指示器。

撞擊和碰撞傳感器——撞擊檢測和安全氣囊展開。

MEMS 麥克風(fēng)——用于通信和降噪。

溫度傳感器——用于自動氣候控制和發(fā)動機(jī)溫度監(jiān)測。

聲學(xué)感知包括超聲波雷達(dá)、麥克風(fēng)、揚(yáng)聲器等。超聲波雷達(dá)含有超聲波發(fā)射器和采集器，主要用于自動泊車、道路行人與障礙物檢測避障。麥克風(fēng)與揚(yáng)聲器是 MEMS 的成產(chǎn)品之一，同時也是智能汽車人機(jī)交互的主要接口之一，語音的接收與作答是MEMS 在汽車內(nèi)的重要應(yīng)用之一。

光學(xué)感知包括紅外夜視儀、激光雷達(dá)、CMOS 圖像傳感器、行車記錄儀等。紅外夜視儀包括紅外探測器、紅外發(fā)射器等 MEMS 器件，主要用于夜晚、雨霧等不良路況下的行人及動物檢測。激光雷達(dá)包括激光生產(chǎn)器、激光采集器等，用于道路中車輛、行人、礙物的精準(zhǔn)測距。

熱學(xué)感知包括車身空調(diào)系統(tǒng)、溫度傳感器等。車身空調(diào)系統(tǒng)、動力控制系統(tǒng)等部件均有 MEMS 溫度傳感器。

電學(xué)感知包括射頻器件、天線等 MEMS，主要用于車與車、車與人、車與道路之間的車聯(lián)網(wǎng)通信。

力學(xué)感知包括加速度計、壓力傳感器、陀螺儀、電子羅盤、振蕩器等 MEMS 傳感器，運(yùn)動類傳感器主要用于智能汽車的高精度定位與導(dǎo)航，壓力傳感器用于胎壓監(jiān)測、油壓監(jiān)測等方面。

國內(nèi) MEMS 產(chǎn)業(yè)鏈完整，蓄勢待發(fā)

中國是全球 MEMS 傳感器最大的市場，重點(diǎn)產(chǎn)品包括運(yùn)動類、聲學(xué)類、射頻類、紅外成像等領(lǐng)域，構(gòu)建了從科研、產(chǎn)品開發(fā)、設(shè)計到代工制造、封裝測試、下游應(yīng)用的完整產(chǎn)業(yè)鏈。2015 年中國 MEMS 傳感器市場規(guī)模約為 300 億元，連續(xù)兩年增速在 15%以上，隨著消費(fèi)電子、汽車電子、物聯(lián)網(wǎng)等市場的發(fā)展以及國內(nèi)制造工藝技術(shù)的不斷革新，中國MEMS 傳感器市場將迎來重要發(fā)展機(jī)遇。

中國是全球 MEMS 行業(yè)的增長引擎。中國擁有全球最大的智能手機(jī)和汽車市場，但中高端傳感器和傳感器芯片自主化率低，MEMS 傳感器需求十分強(qiáng)勁。以智能手機(jī)為例，目前iphone手機(jī)中所使用的MEMS器件在9~13個，隨著智能手機(jī)部件更新的加快，MEM器件在智能手機(jī)中的使用量將有望達(dá)到 20 個。隨著華為、小米、OPPO、Vivo 等國產(chǎn)機(jī)廠商在全球崛起，預(yù)計智能手機(jī)所需要的硅麥克風(fēng)、加速度計、陀螺儀、電子羅盤、射頻儀器、高精度壓力傳感器、氣體傳感器等 EMMS 器件將實(shí)現(xiàn)快速增長。

MEMS 產(chǎn)業(yè)鏈中，科研環(huán)節(jié)包括大學(xué)、科研院所等機(jī)構(gòu)，產(chǎn)品開發(fā)環(huán)節(jié)包括上海微技術(shù)工業(yè)研究院、蘇州納米城、無錫物聯(lián)網(wǎng)等單位，設(shè)計環(huán)節(jié)包括 MEMSIC、硅?？萍?、敏芯微電子等，代工制造包括中芯國際、華虹宏力、CSMC、ASMC、耐威科技，封裝測試包括長電科技、華天科技、通富微電、晶方科技等，下游應(yīng)用包括智能手機(jī)、平板電腦、汽車、工業(yè)等領(lǐng)域。

國內(nèi) MEMS 代工制造以 6 英寸和 8 英寸產(chǎn)線為主，封裝測試環(huán)節(jié)是強(qiáng)項(xiàng)，應(yīng)用領(lǐng)域正從手機(jī)、汽車走向 VR/AR、物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域。

科技的進(jìn)步一直在推動時代的發(fā)展，從工業(yè)時代到信息化時代，如今，物聯(lián)網(wǎng)時代已經(jīng)到來。毫無疑問，萬物互聯(lián)，萬物皆可被感知的時代，最重要的技術(shù)突破就是傳感器。

不論行業(yè)面臨飽和停滯，抑或高速增長，MEMS一直以來都是一顆璀璨明星。智能物聯(lián)網(wǎng)時代，MEMS傳感器正在扮演著不可取代的重要角色。