什么是MEMS傳感器？

MEMS傳感器即微機電系統（Microelectro Mechanical Systems），MEMS 技術(shù)于 1980 年代發(fā)明，是一種利用硅基半導體制造工藝制造微型機械電子系統的技術(shù)，最早在汽車(chē)和軍工領(lǐng)域有部分應用，主要產(chǎn)品包括 MEMS 傳感器和 MEMS 執行器。與傳統的傳感器相比，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)現智能化的特點(diǎn)。同時(shí)，在微米量級的特征尺寸使得它可以完成某些傳統機械傳感器所不能實(shí)現的功能。

MEMS技術(shù)被認為是傳統集成電路（IC）制造的擴展形式。傳統 IC 制造技術(shù) (VLSI) 與 MEMS 的主要區別在于，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、梁等機械部件。使用傳統 IC 技術(shù)，只能制造導體、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(wú)源元件集成到單個(gè)硅基板中。有源元件是傳感器和執行器，而無(wú)源元件是無(wú)源電子系統和無(wú)源機械系統。

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

傳感器是當今數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字信號上完成的，所以在模擬世界和數字電子設備之間應該有一個(gè)媒介。傳感器彌合了這一差距，因為它們用于觀(guān)察模擬物理參數的時(shí)間效應并產(chǎn)生有意義的信息（對計算機）。

傳感器的現代定義有時(shí)令人困惑，但簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，傳感器是一種包含基本傳感元件的設備，這些傳感元件可以感知溫度或濕度等物理量并將其轉換為電信號。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)設計和制造的，那么它被稱(chēng)為微機械微傳感器或簡(jiǎn)稱(chēng)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(chē)領(lǐng)域。從 1990 年到 2000 年，汽車(chē)電子化趨勢帶動(dòng)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、性能方面可比擬機械類(lèi)傳感器，但在成本、體積、功能、成本方面的優(yōu)勢超過(guò)了機械傳感器。

MEMS 行業(yè)的第二波浪潮是消費電子。從 2000 年到 2010 年，手機的快速發(fā)展帶動(dòng)運動(dòng)類(lèi)、聲學(xué)類(lèi)、光學(xué)類(lèi)、環(huán)境類(lèi) MEMS 快速崛起。智能手機的傳感器數量一般在 9~13個(gè)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)一步提升智能手機中傳感器數量和價(jià)值量。隨著(zhù)智能手機的技術(shù)創(chuàng )新和手機廠(chǎng)商差異化競爭的趨勢，傳感器數量還將繼續增長(cháng)。

MEMS 行業(yè)的第三波浪潮是物聯(lián)網(wǎng)。從 2010 年到 2020 年，隨著(zhù)聯(lián)網(wǎng)節點(diǎn)呈現爆發(fā)式增長(cháng)趨勢，智能傳感器與節點(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)中的重要應用場(chǎng)景包括智能家居、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、車(chē)聯(lián)網(wǎng)、環(huán)境監測、智慧城市等領(lǐng)域。

隨著(zhù)未來(lái)聯(lián)網(wǎng)設備數呈現高速增長(cháng)態(tài)勢，集成電源、MEMS、MCU、射頻等器件的多功能聯(lián)網(wǎng)傳感器將持續增長(cháng)，物聯(lián)網(wǎng)將是 MEMS 的下一個(gè)重要增長(cháng)極。

物聯(lián)網(wǎng)生態(tài)系統的核心是傳感、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。傳感器約占到物聯(lián)網(wǎng)硬件市場(chǎng)規模的 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(zhù)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)展中得到廣泛應用。

MEMS 市場(chǎng)細分領(lǐng)域眾多，前景廣闊

根據 Yole Développement 的研究，全球MEMS 傳感器市場(chǎng)規模將從 2015年的 118.5 億美元增長(cháng)至 2021 年的 396.9 億美元，CAGR為 22%。預計到 2021 年，10 億美元以上的 MEMS 細分領(lǐng)域包括射頻 MEMS（38 億美元）、光學(xué)類(lèi)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(chǎng)增速看，2015 年至 2021 年 CAGR 排名靠前的MEMS 細分領(lǐng)域有：環(huán)境類(lèi)MEMS（39%）、紅外線(xiàn)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%）。

從應用領(lǐng)域來(lái)看，MEMS 市場(chǎng)的主要應用領(lǐng)域集中在消費電子、醫療、汽車(chē)、工業(yè)等領(lǐng)域。按照應用領(lǐng)域分類(lèi)，根據 Yole Développement 的研究，2021 年全球 MEMS 傳感器市場(chǎng)規模分別為：電信（3 億美元）、醫療（10 億美元）、工業(yè)（18 億美元）、國防（4 億美元）、消費電子（111 美元）、汽車(chē)（48 億美元）、航空航天（2 億美元）；2015-2021年對應的 CAGR 增速為：電信（3.6%）、醫療（11.1%）、工業(yè)（7.3%）、國防（7.8%）、消費電子（11.8%）、汽車(chē)（4.2%）、航空航天（4.9%）。

全球 MEMS 市場(chǎng)競爭格局

2015 年全球 MEMS 企業(yè) 30 強實(shí)現 MEMS 銷(xiāo)售收入 90.73 億美元，同比增長(cháng) 5%，其中，5 家 MEMS 企業(yè)實(shí)現銷(xiāo)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手機頻道應用的增長(cháng)，實(shí)現銷(xiāo)售收入增速為41%；應美盛（InvenSense）2015 年銷(xiāo)售增速為 33%，得益于慣性傳感器系統的多功能集成以及針對手機研發(fā)的STUDIO 傳感軟件套裝業(yè)務(wù)的增長(cháng)；臺積電（TSMC）首次上榜，在應盛美和 mCube 等客戶(hù)的業(yè)務(wù)推動(dòng)，實(shí)現 29%的銷(xiāo)售收入增長(cháng)；Qorvo 和瑞聲科技（AAC）分別實(shí)現 MEMS營(yíng)收增速為28%、22%。

2016 年全球 MEMS 企業(yè)前 30 強實(shí)現MEMS 銷(xiāo)售收入 93.5 億美元，同比增長(cháng) 1.6%。博世和德州儀器公司相比 2015 年排名沒(méi)有變化，意法半導體和 Hewlett Packard 的 MEMS收入同比下降。受益 4G 應用以及 4.5G 對蜂窩技術(shù)要求提升，2016 年射頻 MEMS 市場(chǎng)需求呈現高增長(cháng)，博通憑借 RF MEMS 強勁出貨首次排名第二，Qorvo 也受益射頻前端市場(chǎng)，營(yíng)收在 3 年內從 1.45 億美元增長(cháng)至 5.85 億美元。

射頻MEMS 市場(chǎng)將呈現高增長(cháng)。Yole 預計 2017~2022 年，射頻 MEMS 濾波器市場(chǎng)規模 CAGR 為 35%，此外，射頻前端市場(chǎng)同期的 CAGR 為 14%。

MEMS 是智能汽車(chē)感知環(huán)境的關(guān)鍵

智能感知是智能汽車(chē)上路的基礎。智能汽車(chē)的核心在于傳感、計算、聯(lián)網(wǎng)、決策。智能汽車(chē)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(chē)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——用于電子穩定控制和安全氣囊展開(kāi)。

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(dòng)駕駛的偏航、俯仰和滾動(dòng)。

磁力計 - 用于導航的方向。

壓力和慣性傳感器——用于制動(dòng)控制。

壓力傳感器——胎壓監測系統。

氣流傳感器 - 進(jìn)氣監控。

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(kāi)。

MEMS 麥克風(fēng)——用于通信和降噪。

溫度傳感器——用于自動(dòng)氣候控制和發(fā)動(dòng)機溫度監測。

聲學(xué)感知包括超聲波雷達、麥克風(fēng)、揚聲器等。超聲波雷達含有超聲波發(fā)射器和采集器，主要用于自動(dòng)泊車(chē)、道路行人與障礙物檢測避障。麥克風(fēng)與揚聲器是 MEMS 的成產(chǎn)品之一，同時(shí)也是智能汽車(chē)人機交互的主要接口之一，語(yǔ)音的接收與作答是MEMS 在汽車(chē)內的重要應用之一。

光學(xué)感知包括紅外夜視儀、激光雷達、CMOS 圖像傳感器、行車(chē)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(dòng)物檢測。激光雷達包括激光生產(chǎn)器、激光采集器等，用于道路中車(chē)輛、行人、礙物的精準測距。

熱學(xué)感知包括車(chē)身空調系統、溫度傳感器等。車(chē)身空調系統、動(dòng)力控制系統等部件均有 MEMS 溫度傳感器。

電學(xué)感知包括射頻器件、天線(xiàn)等 MEMS，主要用于車(chē)與車(chē)、車(chē)與人、車(chē)與道路之間的車(chē)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(pán)、振蕩器等 MEMS 傳感器，運動(dòng)類(lèi)傳感器主要用于智能汽車(chē)的高精度定位與導航，壓力傳感器用于胎壓監測、油壓監測等方面。

國內 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(chǎng)，重點(diǎn)產(chǎn)品包括運動(dòng)類(lèi)、聲學(xué)類(lèi)、射頻類(lèi)、紅外成像等領(lǐng)域，構建了從科研、產(chǎn)品開(kāi)發(fā)、設計到代工制造、封裝測試、下游應用的完整產(chǎn)業(yè)鏈。2015 年中國 MEMS 傳感器市場(chǎng)規模約為 300 億元，連續兩年增速在 15%以上，隨著(zhù)消費電子、汽車(chē)電子、物聯(lián)網(wǎng)等市場(chǎng)的發(fā)展以及國內制造工藝技術(shù)的不斷革新，中國MEMS 傳感器市場(chǎng)將迎來(lái)重要發(fā)展機遇。

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

MEMS 產(chǎn)業(yè)鏈中，科研環(huán)節包括大學(xué)、科研院所等機構，產(chǎn)品開(kāi)發(fā)環(huán)節包括上海微技術(shù)工業(yè)研究院、蘇州納米城、無(wú)錫物聯(lián)網(wǎng)等單位，設計環(huán)節包括 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(cháng)電科技、華天科技、通富微電、晶方科技等，下游應用包括智能手機、平板電腦、汽車(chē)、工業(yè)等領(lǐng)域。

國內 MEMS 代工制造以 6 英寸和 8 英寸產(chǎn)線(xiàn)為主，封裝測試環(huán)節是強項，應用領(lǐng)域正從手機、汽車(chē)走向 VR/AR、物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域。

科技的進(jìn)步一直在推動(dòng)時(shí)代的發(fā)展，從工業(yè)時(shí)代到信息化時(shí)代，如今，物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代已經(jīng)到來(lái)。毫無(wú)疑問(wèn)，萬(wàn)物互聯(lián)，萬(wàn)物皆可被感知的時(shí)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(cháng)，MEMS一直以來(lái)都是一顆璀璨明星。智能物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，MEMS傳感器正在扮演著(zhù)不可取代的重要角色。