1.1 什么是MEMS
? 微機電系統（MEMS, Micro-Electro-Mechanical System），也叫做微電子機械系統、微系統、微機械等，指尺寸在幾毫米乃至更小的高科技裝置。微機電系統其內部結構一般在微米甚至納米量級。微機電系統是在微電子技術(shù)（半導體制造技術(shù)）基礎上發(fā)展起來(lái)的，融合了光刻、腐蝕、薄膜、LIGA、硅微加工、非硅微加工和精密機械加工等技術(shù)制作的高科技電子機械器件。MEMS是一個(gè)獨立的智能系統，可大批量生產(chǎn)，其系統尺寸在幾毫米乃至更小，其內部結構一般在微米甚至納米量級。例如，常見(jiàn)的MEMS產(chǎn)品尺寸一般都在3mm×3mm×1.5mm，甚至更小。一個(gè)MEMS傳感器里面最重要的芯片為MEMS芯片和ASIC芯片，其中MEMS芯片負責感知信號，將測量量轉化為電阻、電容等信號變化；ASIC芯片負責將電容、電阻等信號轉換為電信號，其中涉及到信號的轉換和放大等功能。
? MEMS側重于超精密機械加工，涉及微電子、材料、力學(xué)、化學(xué)、機械學(xué)諸多學(xué)科領(lǐng)域。它的學(xué)科面涵蓋微尺度下的力、電、光、磁、聲、表面等物理、化學(xué)、機械學(xué)的各分支。
? 常見(jiàn)的產(chǎn)品包括MEMS加速度計、MEMS麥克風(fēng)、微馬達、微泵、微振子、MEMS光學(xué)傳感器、MEMS壓力傳感器、MEMS陀螺儀、MEMS濕度傳感器、MEMS氣體傳感器等等以及它們的集成產(chǎn)品。
1.2 MEMS傳感器
? MEMS傳感器是基于微機電系統的典型傳感器件。它是指可以批量制造的，集微結構、微傳感器、微執行器以及信號處理和控制電路于一體的器件或系統。其特征尺寸一般在0.1μm～100μm范圍。MEMS集成了當今科學(xué)技術(shù)的許多尖端成果，它將感知信息處理與執行機構相結合，改變了人類(lèi)感知和控制外部世界的方式。
? 與傳統的機械傳感器相比，MEMS傳感器具有體積小、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)現智能化等特點(diǎn)。在微米量級的特征尺寸MEMS傳感器可以完成某些傳統機械傳感器所不能實(shí)現的功能。因此，MEMS傳感器正逐步取代傳統機械傳感器的主導地位，在消費電子產(chǎn)品、汽車(chē)工業(yè)、航空航天、機械、化工及醫藥等領(lǐng)域得到廣泛的應用。
? 中國MEMS傳感器市場(chǎng)的起步和發(fā)展與中國3C產(chǎn)品(包括計算機、通信和消費類(lèi)電子產(chǎn)品)及汽車(chē)電子產(chǎn)品保持快速增長(cháng)、全球電子整機產(chǎn)業(yè)向中國轉移密切相關(guān)。近年來(lái)，隨著(zhù)消費電子、汽車(chē)電子產(chǎn)品等下游行業(yè)的快速發(fā)展，我國MEMS傳感器市場(chǎng)需求旺盛，歷年持續保持快速增長(cháng)。
? 根據Omdia的數據統計，2022年全球MEMS行業(yè)市場(chǎng)規模已達到184.77億美元，2017-2022年復合增長(cháng)率為5.77%。
根據中科飛龍的數據統計與預測，2022年中國MEMS傳感器市場(chǎng)規模已達到982.1億元，同比增長(cháng)15.1%，預計到2025年市場(chǎng)規模將達到1571.3億元，2022-2025年復合增長(cháng)率為17.0%。
1.3 MEMS傳感器應用領(lǐng)域
? MEMS傳感器種類(lèi)極多，可應用于物理、化學(xué)、生物等領(lǐng)域信號的探測，較為常見(jiàn)的種類(lèi)有加速度傳感器、慣 性 傳 感 器、壓 力 傳 感 器、MEMS 陀 螺 儀 以 及MEMS 麥克風(fēng)等。
? 目前 MEMS 傳感器在消費電子、醫療、汽車(chē)電子以及工業(yè)等應用領(lǐng)域占比最高，分別占據41.8%、28.1%、16.7%和 9.1%。
2 夯實(shí)科技強國基礎，MEMS傳感器無(wú)處不在
2.1 MEMS壓力傳感器
? MEMS壓力傳感器是一種薄膜元件，受到壓力時(shí)變形?？梢岳脩儍x（壓阻型感測）來(lái)測量這種形變，也可以通過(guò)電容感測兩個(gè)面之間距離的變化來(lái)加以測量。這兩種方法都很流行，輪胎壓力監測系統使用比較結實(shí)的壓阻方法。
? 常見(jiàn)的壓力傳感器有三種：壓阻式、電容式和壓電式。
? 具有體積小、重量輕、靈敏度高、精度高、動(dòng)態(tài)特性好、耐腐蝕、零位小等優(yōu)點(diǎn)? 隨著(zhù)MEMS壓力傳感器的出現和普及，智能手機中用壓力傳感器也越來(lái)越多，主要用來(lái)測量大氣壓力。測量大氣壓的目的，是為了通過(guò)不同高度的氣壓，來(lái)計算海拔高度，同GPS定位信號配合，實(shí)現更為精確的三維定位，譬如爬樓高度、爬樓梯級數等都可以檢測。
? MEMS壓力傳感器的原理也非常簡(jiǎn)單，核心結構就是一層薄膜元件，受到壓力時(shí)變形，形變會(huì )導致材料的電性能（電阻、電容）改變。因此可以利用壓阻型應變儀來(lái)測量這種形變，進(jìn)而計算受到的壓力。
2.1.1 MEMS壓力傳感器原理
? 下圖是一種電容式MEM
S壓力傳感器的結構圖，當受到壓力時(shí)，上下兩個(gè)橫隔(傳感器橫隔上部、傳感器下部)之間的間距變化，導致隔板之間的電容變化，據此可以測算出壓力大小。
? 下圖是一種電阻式MEMS壓力傳感器的工作動(dòng)圖，由一個(gè)帶有硅薄膜的底座和安裝在其上的電阻結構組成，當外力施加時(shí)，電壓與壓力大小成比例變化產(chǎn)生測量值。
2.1.2 MEMS壓力傳感器市場(chǎng)規模
? 根據Yole Intelligence的
統計數據，2021年壓力傳感器是MEMS傳感器中銷(xiāo)售額最高的細分市場(chǎng)，也是銷(xiāo)售量第二大的細分市場(chǎng)，僅次于硅麥克風(fēng)。MEMS壓力傳感器的市場(chǎng)規模從2018年的14.72億顆、17.63億美元增加至2021年的16.05億顆、20.04億美元，預計將于2027年增長(cháng)至 25.35億顆、26.24億美元。
2.2 MEMS壓力傳感器應用
? MEMS壓力傳感器是使用最廣泛的 MEMS傳感器產(chǎn)品之一，通常應用于智能手機、航空航天、汽車(chē)、生物醫藥以及工藝控制等領(lǐng)域，按照壓力探測方式可以分為壓阻式、電容式、諧振傳感等，而最為常用的是壓阻式和電容式，因此這兩種壓力傳感器的技術(shù)迭代也最為活。
? 為充分降低微壓MEMS傳感器中測量的敏感性和線(xiàn)性度之間的矛盾，不斷提高微壓傳感器測量精度，一種新型的FBBM結構應運而生，該結構包含了 4 個(gè)短梁和一個(gè)位于中心的方形凸塊，通過(guò)減少傳感膜結構偏轉程度達到進(jìn)一步降低壓力的非線(xiàn)性，并提高了壓阻靈敏度，達到了提升微壓MEMS傳感器精度的目標。
? 為滿(mǎn)足航空航天領(lǐng)域中在惡劣環(huán)境中的無(wú)源無(wú)線(xiàn)壓力傳感需求，一種基于藍寶石的隔膜和結構體MEMS壓力傳感結構被提出，在施加壓力時(shí)，傳感器隔膜發(fā)生偏轉，傳感器的電諧振頻率因而隨壓力隔膜的偏轉而改變，實(shí)現了將輕微壓力轉換為電信號的目的，該結構可在 1000℃ 的高溫下正常工作，滿(mǎn)足了惡劣環(huán)境下壓力傳感的需求。
2.2 MEMS壓力傳感器應用
? 壓力傳感器的下游行業(yè)主要是石油、化工、電力、冶金、機械制造、國防工業(yè)、計量等。
? 隨著(zhù)全球經(jīng)濟的發(fā)展及工業(yè)化水平的提高，各行業(yè)對數字壓力檢測的需求增長(cháng)較快；科技水平的提高以及產(chǎn)品應用領(lǐng)域的擴大等因素也將催生壓力傳感器在醫療、食品、氣象、鐵路等行業(yè)大量使用。
2.2 MEMS慣性傳感器
? 慣性傳感器是一種用于測量物體的加速度、角速度和傾斜角度等參數的電子傳感器。
? MEMS慣性傳感器指采用MEMS工藝制備的慣性傳感器，與傳統工藝制造的慣性傳感器相比，MEMS器件具有體積小、重量輕、成本低、功耗低、可靠性高、適于批量化生產(chǎn)、易于集成和智能化等特點(diǎn)，被廣泛應用于航空航天、石油化工、汽車(chē)、船舶、消費電子、醫療等領(lǐng)域。
? 高性能MEMS慣性傳感器，包括MEMS陀螺儀、MEMS加速度計和MEMS慣性測量單元（IMU），均包含一顆微機械（MEMS）芯片和一顆專(zhuān)用控制電路（ASIC）芯片，并通過(guò)慣性技術(shù)實(shí)現物體運動(dòng)姿態(tài)和運動(dòng)軌跡的感知。陀螺儀和加速度計是慣性系統的基礎核心器件，其性能高低直接決定慣性系統的整體表現。硅基MEMS慣性傳感器因小型化、高集成、低成本的優(yōu)勢，成為現代慣性傳感器的重要發(fā)展方向。
? 其中，陀螺儀用于感知物體運動(dòng)的角速率，加速度計用于感知物體運動(dòng)的線(xiàn)加速度，二者輔以時(shí)間維度進(jìn)行運算后可得出物體相對于初始位置的偏離，進(jìn)而獲得物體的運動(dòng)狀態(tài)，包括當前位置、方向和速度。
2.2.1 MEMS陀螺儀
? MEMS陀螺儀是測量角速率的一種器件，是慣性系統的重要組成部分，主要用于導航定位、姿態(tài)感知、狀態(tài)監測、平臺穩定等應用領(lǐng)域。
? 利用振動(dòng)質(zhì)量塊被基座（儀表殼體）帶動(dòng)旋轉時(shí)的哥式效應來(lái)敏感角速度，具有成本低、體積小、重量輕、可靠性高、可數字化及可重復大批量生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)。
