未来已来！把握MEMS传感器国产替代机遇！

1 乘风智能制造，MEMS传感器工艺逐渐成熟

什么是MEMS

微机电系统（MEMS, Micro-Electro-Mechanical System），也叫做微电子机械系统、微系统、微机械等，指尺 寸在几毫米乃至更小的高科技装置。微机电系统其内部结构一般在微米甚至纳米量级。微机电系统是在微 电子技术（半导体制造技术）基础上发展起来的，融合了光刻、腐蚀、薄膜、LIGA、硅微加工、非硅微加 工和精密机械加工等技术制作的高科技电子机械器件。

MEMS是一个独立的智能系统，可大批量生产，其 系统尺寸在几毫米乃至更小，其内部结构一般在微米甚至纳米量级。例如，常见的MEMS产品尺寸一般都 在3mm×3mm×1.5mm，甚至更小。

一个MEMS传感器里面最重要的芯片为MEMS芯片和ASIC芯片，其中 MEMS芯片负责感知信号，将测量量转化为电阻、电容等信号变化；ASIC芯片负责将电容、电阻等信号转 换为电信号，其中涉及到信号的转换和放大等功能。

MEMS传感器

MEMS传感器是基于微机电系统的典型传感器件。它是 指可以批量制造的，集微结构、微传感器、微执行器 以及信号处理和控制电路于一体的器件或系统。其特 征尺寸一般在0.1m～100m范围。MEMS集成了当今 科学技术的许多尖端成果，它将感知信息处理与执行 机构相结合，改变了人类感知和控制外部世界的方式。

与传统的机械传感器相比，MEMS传感器具有体积小、 重量轻、成本低、功耗低、可靠性高、适于批量化生 产、易于集成和实现智能化等特点。在微米量级的特 征尺寸MEMS传感器可以完成某些传统机械传感器所不 能实现的功能。因此，MEMS传感器正逐步取代传统机 械传感器的主导地位，在消费电子产品、汽车工业、 航空航天、机械、化工及医药等领域得到广泛的应用。

MEMS传感器应用领域

MEMS传感器种类极多，可应用于物理、化学、 生物等领域信号的探测，较为常见的种类有加速 度传感器、惯 性 传 感 器、压 力 传 感 器、 MEMS 陀 螺 仪 以 及MEMS 麦克风等。目前 MEMS 传感器在消费电子、医疗、汽车电 子以及工业等应用领域占比最高，分别占据 41.8%、28.1%、16.7%和 9.1%。

2 夯实科技强国基础，MEMS传感器无处不在

MEMS压力传感器

MEMS压力传感器是一种薄膜元件，受到压力时变形。可以利用应变仪（压阻型感测）来测量这种形变， 也可以通过电容感测两个面之间距离的变化来加以测量。这两种方法都很流行，轮胎压力监测系统使用比 较结实的压阻方法。

常见的压力传感器有三种：压阻式、电容式和压电式。具有体积小、重量轻、灵敏度高、精度高、动态特性好、耐腐蚀、零位小等优点 。随着MEMS压力传感器的出现和普及，智能手机中用压力传感器也越来越多，主要用来测量大气压力。测 量大气压的目的，是为了通过不同高度的气压，来计算海拔高度，同GPS定位信号配合，实现更为精确的 三维定位，譬如爬楼高度、爬楼梯级数等都可以检测。MEMS压力传感器的原理也非常简单，核心结构就是一层薄膜元件，受到压力时变形，形变会导致材料的 电性能（电阻、电容）改变。因此可以利用压阻型应变仪来测量这种形变，进而计算受到的压力。

MEMS压力传感器应用

MEMS压力传感器是使用最广泛的 MEMS传感器产品之一，通常应用于智能手机、航空航天、汽车、 生物医药以及工艺控制等领域，按照压力探测方式可以分为压阻式、电容式、谐振传感等，而最为 常用的是压阻式和电容式，因此这两种压力传感器的技术迭代也最为活。

为充分降低微压MEMS传感器中测量的敏感性和线性度之间的矛盾，不断提高微压传感器测量精度， 一种新型的FBBM结构应运而生，该结构包含了 4 个短梁和一个位于中心的方形凸块，通过减少传感 膜结构偏转程度达到进一步降低压力的非线性，并提高了压阻灵敏度，达到了提升微压MEMS传感器 精度的目标。

MEMS加速度计

加速度计是一种能够测量物体线加速度的器 件。加速度计的理论基础是牛顿第二定律， 传感器在加速过程中，可通过对质量块所受 惯性力的测量计算出加速度值。如果初速度 已知，就可以通过对时间积分得到线速度， 再次积分即可计算出直线位移。加速度计已 经广泛应用于导航定位、姿态感知、状态监 测、平台稳定等领域。

MEMS加速度计的核心是一颗MEMS芯片、 一颗ASIC芯片及应力隔离封装。其产品构造 与前述陀螺仪基本相同。MEMS加速度计利 用敏感结构将线加速度的变化转换为电容的 变化量，最终通过专用集成电路读出电容值 的变化，得到物体运动的加速度值。产品主 要包含加速度计敏感结构和ASIC芯片，ASIC 芯片由电容/电压变换电路和数字部分组成。

MEMS生物医学传感器

微传感器是构成任何生物MEMS产品最基本的组元，在 生物医学中，常用的两类传感器是生物医学传感器和生 物传感器。生物医学传感器可以分成用于测量生物学物质的生物医 学仪器和用以医学诊断为目的的仪器，他们通常只需要 小量的样本，大大加快分析速度。生物传感器的工作原理基于待检测分析物与生物学方法 产生的生物分子的相互作用，这些分子包括某种形式的 酶、抗体和其他形式的蛋白。这些生物分子附着在传感 元单元上，当它们和被分析物相互作用时可以改变传感 器的输出信号。

3 着眼未来，重视MEMS传感器国产替代机遇

不同MEMS传感器的比较

由于MEMS传感器测量的外部信号不同，不同类型的MEMS传感器技术差异较大。MEMS惯性传感器主要检测物体的运动，需要将传感器安装在载体上用于检测载体的运动，因此多为密 闭式封装。而压力/光学/声学传感器需要通过直接接触被测量，所以多为开放式封装，同时需要结合使 用环境设计有利于检测信号的传感器敏感单元表面结构。

MEMS惯性传感器相对于压力传感器、声学传感器等其他类型的传感器应用领域较广，在高可靠领域及 其他工业、消费领域均具备丰富的应用场景，不同应用场景对于性能、成本、功耗、体积的要求差异较 大。相对于在工业及消费领域应用较广的声学传感器、环境传感器等，高性能MEMS惯性传感器多应用 于高可靠领域，复杂环境下对于产品性能要求高，因此对产品可靠性提出了更严格的需求，存在较高的 技术门槛。

MEMS传感器发展困境

相较于美国、日本等科技大国，国内对于 MEMS技术的研究稍显落后，在20世纪80年 代末才开始成为国家重点研究项目之一。经 过近三十年的发展，国产MEMS在技术方面 有了实质性的进展，在市场应用方面逐步实 现了长效积累。例如在MEMS麦克风市场， 全球四大公司占据市场话语权，其中两家来 自中国，歌尔股份和瑞声科技，他们还正在 挑战楼氏电子的领袖地位，势头凶猛。

伴随着消费电子、汽车电子、工业、医疗等 领域的快速发展，市场对MEMS产品的需求 变得十分迫切，MEMS市场如同空池一般急 需更多水源流入。

制造MEMS器件不仅需要成熟且丰富的工艺技术，还要有足够多的产线保证产能。目前，国内提供专业 MEMS代工服务的有中芯国际、无锡华润上华、上海先进等。除了以上企业能够满足代工产能和良率要 求之外，其他大多数国内MEMS代工企业还未积累起足够的工艺技术储备和大规模市场验证反馈的经验， 并且在加工工艺的一致性、可重复性也都不能满足设计需要，产品的良率和可靠性更是无法达到规模生 产要求。

在这样的情况之下，设计公司也只能选择与国外成熟代工厂合作，才能保证产品的质量。而在 后端的封装测试环节，情况则较为乐观，南通富士通、晶方半导体、华天科技、长电科技、通富微电等 企业能够满足产品质量和数量的要求。

MEMS传感器发展前景

随着国产MEMS传感器产业逐渐完善，MEMS将传感器“芯片化”的能力得到了广泛的认可，因此很多 人在谈论国产传感器发展趋势时，除了过往的集成化、小型化和智能化等，有时也会加上“MEMS化”。设备小型化、耗化未来，不断缩小产品尺寸、降低产品成本是MEMS传感器行业的重要发展趋势之 一。随着人工智能和物联网技术的发展，MEMS传感器的应用场景将更加多元。

MEMS传感器是人工智 能重要的底层硬件之一，传感器收集的数据越丰富和精准，人工智能的功能才会越完善。未来，智能家 居、工业互联网、车联网、智能城市、机器人等新产业领域都将为MEMS传感器行业带来广阔的市场空 间。展望未来，技术水平的不断提高，使市场对“小而智能”的传感器需求越来越大，特别是在物联网等应 用的推动下，MEMS传感器的应用空间也愈发广阔。

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审核编辑 黄宇