浅析MEMS传感器细分应用介绍

一、MEMS简介

MEMS的全称是微型电子机械系统(Micro Electromechanical System)，利用半导体制造工艺和材料，将传感器、执行器、机械机构、信号处理和控制电路等集成于一体的微型器件或系统，其内部结构一般在微米甚至纳米量级。MEMS主要包含两个部分：传感器和执行器。  

与传统的机械传感器相比，MEMS传感器具有体积小、集成化、智能化、低成本等优点，可以满足物联网时代对于传感器的要求。

二、MEMS传感器分类及厂家和应用

  MEMS 传感器种类很多，也有多种分类方法。按其工作原理，大致可分为MEMS物理、化学和生物传感器，其中每一种MEMS传感器又可分为很多种小类，不同的MEMS 传感器可以测量不同的量，实现不同的功能。  

  三、MEMS 行业发展历程与3次产业浪潮

  MEMS 起源可追溯至 20 世纪 50 年代，硅的压阻效应被发现后，学者们开始了对硅传感器的研究。然而，MEMS 产业真正发展始于 20 世纪 80 年代，前后经历了 3 次产业化浪潮。

  20 世纪 80 年代至 90 年代：1983 年 Honeywell 利用大型刻蚀硅片结构和背蚀刻膜片制作了集成压力传感器，将机械结构与电路集成在一个芯片内。80 年代末至 90 年代，汽车行业的快速发展，汽车电子应用如安全气囊、制动压力、轮胎压力监测系统等需求增长，巨大利润空间驱使欧洲、日本和美国的企业大量生产 MEMS，推动了 MEMS 行业发展的第一次浪潮。  

20 世纪 90 年代末至 21 世纪初：本阶段早期，喷墨打印头和微光学器件的巨大需求促进了 MEMS 行业的发展。而 2007 年后，消费电子产品对 MEMS 的强劲需求，手机、小家电、电子游戏、远程控制、移动互联网设备等消费电子产品要求体积更小且功耗更低的 MEMS 相关器件，对 MEMS 产品需求更大，掀起了 MEMS 行业发展的第二次产业化浪潮，并将持续推动 MEMS 行业向前发展。

  2010 年至今：产品应用的扩展，使 MEMS 行业呈现新的趋势。MEMS 产品逐步应用于物联网、可穿戴设备等新领域，应用场景日益丰富，正渐渐覆盖人类生活的各个维度。此外，MEMS 是当前移动终端创新的方向，新的设备形态（如可穿戴设备）需要更加微型化的器件和更为便捷的交互方式。   然而，物联网、可穿戴设备应用助推 MEMS 第三次产业化浪潮的同时，行业仍然面临来自产品规格、功率消耗、产品整合以及成本等方面的压力，MEMS 产品及相关技术亟待持续改进，以满足更小、更低能耗、更高性能的需求。  

四、国产传感器企业的主要布局区域

  长三角区域 •以上海、无锡、南京为中心。 •逐渐形成包括热敏、磁敏、图像、称重、光电、温度、气敏等较为完备的传感器生产体系及产业配套。 珠三角区域 •以深圳中心城市为主。 •由附近中小城市的外资企业组成以热敏、磁敏、超声波、称重为主的传感器产业体系。 东北地区 •以沈阳、长春、哈尔滨为主。 •主要生产MEMS力敏传感器、气敏传感器、湿敏传感器。 京津区域 •主要以高校为主。 •从事新型传感器的研发，在某些领域填补国内空白。北京已建立微米/纳米国家重点实验室。 中部地区 •以郑州、武汉、太原为主。 •产学研紧密结合的模式，在PTC/NTC热敏电阻、感应式数字液位传感器和气体传感器等产业方面发展态势良好。

  五、MEMS产业链流程

  MEMS是多学科交叉的复杂系统，整个产业链涉及设计、制造、封装测试、软件及应用方案环节。   六、全球MEMS产业链最有前景的应用领域和市场 据Yole的预计，2020-2026年MEMS终端市场将以7.2%的年复合增长率增长。其中，消费领域是最大的MEMS应用市场，约占全球 MEMS 收入的 60%，到2026年约有112.7亿美元的市场。其次是汽车，汽车对MEMS的需求将从2020年的20.3亿美元上升到28.6亿美元。剩下的应用市场还有工业领域、医疗、电信、国防与航空航天等。  

  从MEMS器件方面来看，Yole预计，整体MEMS器件市场在2020年至2026年将以7.2%的年复合增长率增长，到2026年全球MEMS器件市场空间将达到182亿美元。在这其中，射频MEMS器件占大头，到2026年射频MEMS器件大约有40.4亿美元的市场空间，压力MEMS器件大约是23.62亿美元，惯性器件约有21.27亿美元，麦克风MEMS约是18.71亿美元，然后是加速器、喷墨头、光学、微型测辐射热仪、陀螺仪、微流体等等。  

  七、全球MEMS产业链厂家细分（超200家企业&机构）

  全球MEMS传感器产业链条主要集中在北美、欧洲、日本地区，其中美国、德国、日本三国占据全球传感器产业链主导地位。   从上游到下游，全球MEMS传感器产业链可分为研究与开发→设计→制造→封装→测试→软件→芯片→系统/应用等环节。  

  八、MEMS传感器细分应用介绍

MEMS传感器种类繁多，主要的MEMS传感器包括运动传感器、压力、麦克风、环境、光传感器等。其中运动传感器可分为陀螺仪、加速度计、磁力计，  

1、MEMS运动传感器   MEMS运动传感器主要有加速度计、陀螺仪、磁力计三大类，加速度计和陀螺仪可以集成为六轴惯性传感器；磁力计和加速度计集成为电子罗盘（e-compass），加速度计、陀螺仪和磁力计可集成为9轴传感器。   MEMS陀螺仪是通过陀螺仪的核心原理科里奥利力测角速度的；MEMS加速度计可以感知任意方向上的加速度。MEMS磁力计通过测试磁场强度和方向可以定位设备的方位。  

2、MEMS麦克风

MEMS麦克风在消费电子、汽车、医疗等领域广泛的应用。目前几乎每部智能手机至少使用一个MEMS麦克风，高端的智能手机甚至使用三个麦克风，分别用于语音采集、噪音消除、改善语音识别，而iPhone 6S已经采用了4个MEMS麦克风。在物联网的时代，大量的物联网设备也将使用MEMS麦克风。苹果iPhone 5S和5C采用两颗楼氏电子（Knowles）、一颗是瑞声科技（AAC）的MEMS麦克风。

  3、MSME压力传感器

  压力传感器主要用于检测压力，根据量程范围可分为低压、中压、高压压力传感器。MEMS压力传感器则属于低压传感器，主要检测原理有硅电容式和硅压阻式。  

汽车和医疗是MEMS压力传感器最大的应用领域。与MEMS惯性传感器相比，目前MEMS压力传感器在消费电子与移动领域的应用不是特别广泛，主要包括潜水与运动手表、计步器和徒步高度计，部分应用于饮水机、洗衣机、太阳能热水器等家电产品充当水位传感器。未来智能手机、平板电脑可能集成MEMS压力传感器用以检测大气压，或充当高度计以支持室内定位服务。  

4、MEMS环境传感器

  MEMS湿度传感器在工业控制、气象、农业、矿山检测等行业中得到了广泛的应用。MEMS气体传感器主要用于检测目标气体的成分、浓度等。  

5、MEMS生物传感器

MEMS生物传感器目前处于发展初期。MEMS生物传感器是利用生物分子探测生物反应信息的器件，被列为新世纪五大医学检验技术之一，是现代生物技术与微电子学、化学等多学科交叉结合的产物。未来MEMS生物传感器在医学、食品工业、环境监测等领域具有广阔发展空间。  

九、MEMS代工产业

目前提供MEMS代工的IDM厂商主要有意法半导体、索尼、德州仪器等；台积电目前是全球最大的独立的MEMS代工厂，全球领先的纯MEMS代工厂还有Silex Microsystems、Teledyne DALSA、Asia Pacific Microsystems、X-FAB 、Innovative Micro Technology等,国内的中芯国际、华宏宏利、上海先进半导体也有生产MEMS的能力。   与传统集成电路产业类似，从 MEMS 产业价值链来看，根据行业内企业提供的产品或服务，可以分为设计、制造和封测三个环节。其中，MEMS 制造行业属于 MEMS 行业的一个环节，处于产业链的中游。该行业根据设计环节的需求开发各类 MEMS 芯片的工艺制程并实现规模生产，兼具资金密集型、技术密集型和智力密集型的特征，对企业资金实力、研发投入、技术积累等均提出了极高要求。   目前市场中，一方面 IDM 企业受到来自升级产业线以及降低成本维持利润的双重压力，市场中已出现 IDM 企业将制造环节外包的情况；另一方面，MEMS产品应用的爆发式增长需要不同领域、不同行业的新兴 MEMS 公司参与其中，但巨额的工厂建设投入、运维成本以及 MEMS 工艺开发、集成的复杂性却形成了较高的行业门槛，阻碍了市场的持续扩张。   在此背景下，纯 MEMS 代工厂与 MEMS 产品设计公司合作开发产品的商业模式将成为未来行业业务模式的主流。类似于传统集成电路行业发展趋势，MEMS 产业将逐步走向设计与制造分立、制造环节外包的模式。  

  MEMS 制造主要指 MEMS 芯片制造，行业内主要经营模式包括两类，一类是依靠自有生产线进行生产，另一类则是外包给 MEMS 代工厂进行生产。行业内提供 MEMS 制造代工服务的企业，从芯片类型和产业价值链来看，主要分为三类，即纯 MEMS 代工、IDM 企业代工以及传统集成电路 MEMS 代工。  

1、纯 MEMS 代工
  纯 MEMS 代工企业不提供任何设计服务，企业根据客户提供的 MEMS 芯片设计方案，进行工艺制程开发以及代工生产服务。代表企业有公司、TeledyneDalsa、IMT 等。  

2、IDM 企业代工

  IDM 企业即垂直整合器件制造商，该类厂商除了进行集成电路设计之外，一般还拥有自有的封装厂和测试厂，其业务范围涵盖集成电路的设计、制造、封装和测试所有环节。由于晶圆制造、封装和测试的生产线建设均需要巨额资金投入，因此 IDM 模式对企业的研发力量、资金实力和市场影响力都有极高的要求。在满足自身晶圆制造需求后，IDM 企业会将剩余的产能外包出去，提供 MEMS代工服务。采用 IDM 代工模式的企业均为全球芯片行业巨头，主要代表为博世（Bosch）、意法半导体（STMicro）、德州仪器（TI）等企业。  

3、传统集成电路 MEMS 代工

  传统集成电路（主要为 CMOS）代工企业以原有的 CMOS 产线为基础，嵌套部分特殊的生产 MEMS 工艺技术，将旧产线转化为 MEMS 代工线。由于批量生产能力突出，传统集成电路企业往往会集中向出货量较高的消费电子领域的MEMS 产品提供代工，该类代工企业以台积电（TSMC）、Global Foundries 等为代表。   历史发展过程中，由于 MEMS 产品在材料、加工、制造工序等单个产品差异较大，器件标准化程度较低，影响了产业垂直分工的发展，行业以 IDM 企业为主导。近年来，随着 MEMS 技术的发展和市场需求的逐渐兴起，MEMS 标准化的程度大大发展，平台化基础正在形成，越来越多的 MEMS 产品的产业链垂直分工条件日趋成熟。  

十、MEMS封装测试

  目前具备MEMS封装测试能力的国际厂商主要有日月光、安靠、矽品、力成科技等，国内有华天科技、长电科技、晶方科技等厂商。尽管国内的MEMS前端制造还落后于国际大厂，由于国内的封装技术起步较早，国内MEMS产业链后端封装较为完善。   封装技术与IC封装有着诸多不同，对企业的要求很高。众所周知，MEMS器件价格下降非常之快，目前部分MEMS器件中封装成本甚至占到总价格的40%到60%。如何做到低成本封装是封测厂商面临的巨大挑战。  

十一、全球&中国MEMS传感器厂商营收排行

从全球MEMS传感器产业链看，博世以115亿元的营收稳居第一，博通以79.61亿元占据第二，两者遥遥领先其他MEMS传感器厂商。   中国厂商MEMS业务营收相比全球巨头仍有一定差距，歌尔微电子MEMS业务营收约31亿元、瑞声科技11亿元、高德红外5.6亿元，为中国MEMS营收前三甲企业。  

  十二、MEMS传感器几大应用

  可穿戴设备应用 以小米手环为例，就用到了ADI的MEMS加速度和心率传感器来实现运动和心率监测。   Apple Watch内部除了MEMS加速度计、陀螺仪、MEMS麦克风，还有使用脉搏传感器。   VR应用     VR设备需要足够精确测定头部转动的速度、角度和距离，采用MEMS加速度计、陀螺仪和磁力计来进行测定是重要的解决方案之一，几乎成为VR设备的标配。Oculus Rift、HTC Vive、PlayStation VR都采用了MEMS加速度计和陀螺仪，未来VR设备也可能会使用MEMS眼球追踪技术。   无人机应用     无人机飞行姿态控制技术上，MEMS传感器又有了施展的空间。结合加速度计和陀螺仪，可以算出角度变化，并确定位置和飞行姿态。MEMS传感器能在各种恶劣条件正常工作，同时获得高精度的输出。MEMS加速度计和陀螺仪在无人机上的应用可谓是大放异彩。   智能汽车应用

  车联网是物联网发展的重大领域，智能汽车是车联网的核心，正处于高速发展中。在智能汽车时代，主动安全技术成为备受关注的新兴领域，需要改进现有的主动安全系统，比如侧翻（rollover）与稳定性控制（ESC），这就需要MEMS加速度传感器和角速度传感器来感测车身姿态。语音将成为人与智能汽车的重要交互方式，MEMS麦克风将迎来发展新机遇。MEMS传感器在汽车领域还有很多应用，包括安全气囊（应用于正面防撞气囊的高g值加速度计和用于侧面气囊的压力传感器）、汽车发动机（应用于检测进气量的进气歧管绝对压力传感器和流量传感器）等。  

十三、MEMS 传感器在智能手机领域的应用

1. 光线传感器

说到手机中的传感器，首先要说的就是光线传感器，它就好比手机的眼睛。我们人类的眼睛可以在不同光线的环境下，调整进入眼睛的光线。而光线传感器则可以让手机感测环境光线的强度，用来调节手机屏幕的亮度。 原理：光敏三极管，接受外界光线时，会产生强弱不等的电流，从而感知环境光亮度。

应用：通常用于调节屏幕自动背光的亮度，白天提高屏幕亮度，夜晚降低屏幕亮度，使得屏幕看得更清楚，同时不刺眼；可用于拍照时调节自动白平衡；用光线传感器来协助调整屏幕亮度，能进一步达到延长电池寿命的作用；光线传感器也可搭配其他传感器一同来侦测手机是否被放置在口袋中，以防止误触。 产品代表：ST （意法半导体）——OPT3007 超薄环境光传感器，传感器的精密光谱响应与人眼的明视响应高度匹配。 应用手机：苹果iPhone XR、vivo X23、华为Mate 20、三星GALAXY Note 9等。  

  2. 距离传感器

光线传感器和距离传感器一般都是放在一起，位于手机屏幕听筒周围。这样就存在一个问题，手机屏幕上方开太多洞或黑色长条不太好看，各大手机厂商都一直在想方设法减少开孔或者隐藏开孔。 原理：红外LED灯发射红外线，被物体反射后，红外探测器通过接收到红外线的强度，测定距离。距离传感器同时拥有发射和接受装置，一般体积较大。 应用：检测手机是否贴在耳朵上正在打电话，以便自动关闭屏幕达到省电的目的；也可用于皮套、口袋模式下自动实现解锁与锁屏动作。 产品代表：TAOS——TMD2772 主要由红外发射、光线接收、模数转化、I2C接口等几部分组成。    

3.重力传感器 原理：利用压电效应实现，传感器内部一块重物和压电片整合在一起，通过正交两个方向产生的电压大小，来计算出水平方向。 应用：手机横竖屏智能切换；拍摄照片方向；重力感应类游戏，例如平衡球、赛车游戏等。 产品代表：苹果研发的重力感应设备。    

  4. 加速度传感器

原理：加速度传感器是多个维度测算的，主要测算一些瞬时加速或减速的动作。功耗更小，但是精度低。 应用：计步，加速度传感器可以检测交流信号以及物体的振动。人在走动的时候会产生一定规律性的振动，而加速度传感器可以检测振动的过零点，从而计算出人所走的步或跑步所走的步数，从而计算出人所移动的位移，并且利用一定的公式可以计算出卡路里的消耗；日常应用中的一些甩动切歌、翻转静音等。 产品代表：ST意法半导体——LSM330D 可测量250dps至2000dps的俯仰、滚转和偏航轴角速度。      

  5. 磁场传感器 原理：各向异性磁致电阻材料，感受到微弱的磁场变化时会导致自身电阻产生变化，所以手机要旋转或晃动几下才能准确指示方向。 应用：指南针、地图导航方向、金属探测器APP。 产品代表：ADI（亚德诺）——ADA4571 对气隙变化的敏感度非常小。        

6. 陀螺仪 原理：角动量守恒，一个正在高速旋转的物体(陀螺)，它的旋转轴没有受到外力影响时，旋转轴的指向是不会有任何改变的。陀螺仪就是以这个原理作为依据，用它来保持一定的方向。一般手机里标配的是三轴陀螺仪，可追踪6个方向的位移变化。 应用：一些射击或赛车游戏；3D拍照、全景导航等。 产品代表：NXP（恩智浦）——FXAS21002C 3轴数字陀螺仪，适用于游戏控制器、电子罗盘稳定、增强运动控制等应用。      

7. GPS 原理：手机GPS模块通过天线接收GPS卫星传送的信息。模块中的芯片根据高速运动的卫星瞬间位置作为起算数据，根据卫星发射坐标的时间戳与接收时的时间差计算出卫星与手机的距离，采用空间距离后方交会的方法，确定待测点的位置坐标。 应用：地图、导航、测速、测距。 产品代表：Fastrax——UP501 可以在恶劣条件下进行高性能的导航，甚至在较低的GPS卫星可见度环境下实现稳定的定位。    

  8. 指纹传感器 目前，电容式指纹识别和超声波指纹识别应用比较广泛。

电容指纹传感器原理：手指构成电容的一极，另一极是硅晶片阵列，通过人体带有的微电场与电容传感器间形成微电流，指纹的波峰波谷与感应器之间的距离形成电容高低差，从而描绘出指纹图像。 超声波指纹传感器原理：利用超声波，直接扫描并测绘指纹纹理。超声波获得的指纹是3D立体的，而电容指纹是2D平面的。超声波不仅识别速度更快、而且不受汗水油污的干扰、指纹细节更丰富难以破解。 应用：加密、解锁、支付等。 产品代表：新思科技——Clear ID FS9500 仅有1.55mm，能够直接放置在柔性屏幕下边或直接集成在屏幕中。    

    9. 霍尔感应器 原理：霍尔磁电效应，当电流通过一个位于磁场中的导体的时候，磁场会对导体中的电子产生一个垂直于电子运动方向上的的作用力，从而在导体的两端产生电势差。 应用：自动解锁、自动锁屏等。 产品代表：Diodes——AH1883 卓越的温度稳定性，对身体压力不敏感。        

10. 气压传感器 原理：分为变容式或变阻式气压传感器，将薄膜与变阻器或电容连接起来，气压变化导致电阻或电容的数值发生变化，从而获得气压数据。 应用：GPS计算海拔会有十米左右的误差，气压传感器主要用于修正海拔误差(将至1米左右)，当然也能用来辅助GPS定位立交桥或楼层位置。 产品代表：TI（德州仪器）——BMP180 高精度、小体积、超低能耗的气压传感器。    

编辑：黄飞