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1）什么是MEMS

?微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS, Micro-Electro-Mechanical System），也叫做微電子機(jī)械系統(tǒng)、微系統(tǒng)、微機(jī)械等，指尺寸在幾毫米乃至更小的高科技裝置。微機(jī)電系統(tǒng)其內(nèi)部結(jié)構(gòu)一般在微米甚至納米量級(jí)。微機(jī)電系統(tǒng)是在微電子技術(shù)（半導(dǎo)體制造技術(shù)）基礎(chǔ)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(jī)械加工等技術(shù)制作的高科技電子機(jī)械器件。MEMS是一個(gè)獨(dú)立的智能系統(tǒng)，可大批量生產(chǎn)，其系統(tǒng)尺寸在幾毫米乃至更小，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)一般在微米甚至納米量級(jí)。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(fù)責(zé)感知信號(hào)，將測(cè)量量轉(zhuǎn)化為電阻、電容等信號(hào)變化；ASIC芯片負(fù)責(zé)將電容、電阻等信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，其中涉及到信號(hào)的轉(zhuǎn)換和放大等功能。

?MEMS側(cè)重于超精密機(jī)械加工，涉及微電子、材料、力學(xué)、化學(xué)、機(jī)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(jī)械學(xué)的各分支。

?常見(jiàn)的產(chǎn)品包括MEMS加速度計(jì)、MEMS麥克風(fēng)、微馬達(dá)、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。

MEMS傳感器分類(lèi)

MEMS傳感器工作原理

2）MEMS傳感器市場(chǎng)規(guī)模

中國(guó)MEMS傳感器市場(chǎng)的起步和發(fā)展與中國(guó)3C產(chǎn)品(包括計(jì)算機(jī)、通信和消費(fèi)類(lèi)電子產(chǎn)品)及汽車(chē)電子產(chǎn)品保持快速增長(zhǎng)、全球電子整機(jī)產(chǎn)業(yè)向中國(guó)轉(zhuǎn)移密切相關(guān)。近年來(lái)，隨著消費(fèi)電子、汽車(chē)電子產(chǎn)品等下游行業(yè)的快速發(fā)展，我國(guó)MEMS傳感器市場(chǎng)需求旺盛，歷年持續(xù)保持快速增長(zhǎng)。

根據(jù)Omdia的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，2022年全球MEMS行業(yè)市場(chǎng)規(guī)模已達(dá)到184.77億美元，2017-2022年復(fù)合增長(zhǎng)率為5.77%。

根據(jù)賽迪顧問(wèn)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與預(yù)測(cè)，2022年中國(guó)MEMS傳感器市場(chǎng)規(guī)模已達(dá)到982.1億元，同比增長(zhǎng)15.1%，預(yù)計(jì)到2025年市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到1571.3億元，2022-2025年復(fù)合增長(zhǎng)率為17.0%。

3）MEMS傳感器應(yīng)用領(lǐng)域

MEMS傳感器種類(lèi)極多，可應(yīng)用于物理、化學(xué)、生物等領(lǐng)域信號(hào)的探測(cè)，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。

應(yīng)用領(lǐng)域	用途
工業(yè)檢測(cè)	在石油、化工、電梯、鋼鐵、機(jī)械等工業(yè)中，完成各種信息檢測(cè)，并將信息通過(guò)自動(dòng)控制和計(jì)算機(jī)處理進(jìn)行反饋，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程、質(zhì)量、工藝、安全等方面控制。
汽車(chē)	對(duì)行駛速度、距離、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、安全氣囊、防盜裝置、防滑系統(tǒng)、排氣循環(huán)系統(tǒng)等參數(shù)進(jìn)行測(cè)量和控制
醫(yī)療	對(duì)人體表面和內(nèi)部溫度、血壓、血液和呼吸流量、心腦電波、腫瘤等進(jìn)行高精度診斷。
環(huán)境保護(hù)	對(duì)大氣污染、水質(zhì)污染、噪聲等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。
航空航天	精確測(cè)量飛行器飛行速度、加速度、距離、周?chē)h(huán)境、內(nèi)部狀態(tài)等。

目前MEMS傳感器在消費(fèi)電子、醫(yī)療、汽車(chē)電子以及工業(yè)等應(yīng)用領(lǐng)域占比最高，分別占據(jù)41.8%、28.1%、16.7%和9.1%。

MEMS傳感器行業(yè)應(yīng)用占比

MEMS傳感器應(yīng)用產(chǎn)品分析

應(yīng)用市場(chǎng)	涉及的MEMS傳感器產(chǎn)品
消費(fèi)電子	射頻MEMS、微型麥克風(fēng)、噴墨打印頭、光學(xué)MEMS、慣性傳感器組合、陀螺儀、加速度計(jì)、壓力傳感器、磁傳感器等。
汽車(chē)電子	加速度計(jì)、壓力傳感器、陀螺儀、慣性傳感器組合等。
工業(yè)與通信	壓力傳感器、噴墨打印頭、非制冷紅外探測(cè)儀、微針、陀螺儀、流量計(jì)、加速度計(jì)等
國(guó)防與航空	非制冷紅外探測(cè)儀、陀螺儀、加速度計(jì)、壓力傳感器等

4）MEMS傳感器分類(lèi)

4.1 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。可以利用應(yīng)變儀（壓阻型感測(cè)）來(lái)測(cè)量這種形變，也可以通過(guò)電容感測(cè)兩個(gè)面之間距離的變化來(lái)加以測(cè)量。這兩種方法都很流行，輪胎壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)使用比較結(jié)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。

根據(jù)Yole Intelligence的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，2021年壓力傳感器是MEMS傳感器中銷(xiāo)售額最高的細(xì)分市場(chǎng)，也是銷(xiāo)售量第二大的細(xì)分市場(chǎng)，僅次于硅麥克風(fēng)。MEMS壓力傳感器的市場(chǎng)規(guī)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(yù)計(jì)將于2027年增長(zhǎng)至25.35億顆、26.24億美元。

MEMS壓力傳感器全球市場(chǎng)規(guī)模

4.2 MEMS慣性傳感器

?慣性傳感器是一種用于測(cè)量物體的加速度、角速度和傾斜角度等參數(shù)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(tǒng)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(yīng)用于航空航天、石油化工、汽車(chē)、船舶、消費(fèi)電子、醫(yī)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(jì)和MEMS慣性測(cè)量單元（IMU），均包含一顆微機(jī)械（MEMS）芯片和一顆專用控制電路（ASIC）芯片，并通過(guò)慣性技術(shù)實(shí)現(xiàn)物體運(yùn)動(dòng)姿態(tài)和運(yùn)動(dòng)軌跡的感知。陀螺儀和加速度計(jì)是慣性系統(tǒng)的基礎(chǔ)核心器件，其性能高低直接決定慣性系統(tǒng)的整體表現(xiàn)。硅基MEMS慣性傳感器因小型化、高集成、低成本的優(yōu)勢(shì)，成為現(xiàn)代慣性傳感器的重要發(fā)展方向。

MEMS慣性傳感器全球市場(chǎng)規(guī)模（億元）

?根據(jù)Yole Intelligence的統(tǒng)計(jì)，全球MEMS慣性傳感器的市場(chǎng)規(guī)模從2018年的28.31億美元、31.21億顆增長(zhǎng)至2021年的35.09億美元、39.39億顆，預(yù)計(jì)該市場(chǎng)將于2027年增長(zhǎng)至49.43億美元、60.60億顆，2018年至2027年銷(xiāo)售額及銷(xiāo)售量的

復(fù)合增長(zhǎng)率分別為6.39%和7.65%。

?其中，全球MEMS加速度計(jì)的市場(chǎng)規(guī)模從2018年的9.14億美元、10.23億顆增長(zhǎng)至2021年的12.19億美元、15.37億顆，預(yù)計(jì)該市場(chǎng)將于2027年增長(zhǎng)至16.41億美元、24.28億顆，2018年至2027年銷(xiāo)售額及銷(xiāo)售量的復(fù)合增長(zhǎng)率分別為6.72%和10.08%。

4.3 MEMS其他傳感器

?按物理參數(shù)分，可分為力（加速度/壓力/聲）、熱（熱電偶/熱阻）、光（光電類(lèi)）、電磁（磁強(qiáng)計(jì)）、化學(xué)和生物醫(yī)學(xué)（血糖/電容化學(xué)/化學(xué)機(jī)械）

智能手機(jī)中的傳感器

5）著眼未來(lái)，重視MEMS傳感器國(guó)產(chǎn)替代機(jī)遇

5.1不同MEMS傳感器的比較

?由于MEMS傳感器測(cè)量的外部信號(hào)不同，不同類(lèi)型的MEMS傳感器技術(shù)差異較大。

?MEMS慣性傳感器主要檢測(cè)物體的運(yùn)動(dòng)，需要將傳感器安裝在載體上用于檢測(cè)載體的運(yùn)動(dòng)，因此多為密閉式封裝。而壓力/光學(xué)/聲學(xué)傳感器需要通過(guò)直接接觸被測(cè)量，所以多為開(kāi)放式封裝，同時(shí)需要結(jié)合使用環(huán)境設(shè)計(jì)有利于檢測(cè)信號(hào)的傳感器敏感單元表面結(jié)構(gòu)。

?MEMS慣性傳感器相對(duì)于壓力傳感器、聲學(xué)傳感器等其他類(lèi)型的傳感器應(yīng)用領(lǐng)域較廣，在高可靠領(lǐng)域及其他工業(yè)、消費(fèi)領(lǐng)域均具備豐富的應(yīng)用場(chǎng)景，不同應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)于性能、成本、功耗、體積的要求差異較大。相對(duì)于在工業(yè)及消費(fèi)領(lǐng)域應(yīng)用較廣的聲學(xué)傳感器、環(huán)境傳感器等，高性能MEMS慣性傳感器多應(yīng)用于高可靠領(lǐng)域，復(fù)雜環(huán)境下對(duì)于產(chǎn)品性能要求高，因此對(duì)產(chǎn)品可靠性提出了更嚴(yán)格的需求，存在較高的技術(shù)門(mén)檻。

?MEMS壓力傳感器主要是壓阻式和電容式，使用廣泛，成本低；部分高端壓力傳感器采用諧振式原理，精度高，售價(jià)高，多用于儀表校驗(yàn)等對(duì)精度要求高的領(lǐng)域。

?MEMS聲學(xué)傳感器和光學(xué)傳感器主要應(yīng)用于消費(fèi)類(lèi)電子，例如智能手機(jī)中的MEMS麥克風(fēng)和接近傳感器，產(chǎn)品具有體積小、成本低、功耗低的特點(diǎn)，對(duì)產(chǎn)品絕對(duì)性能要求相對(duì)不高，行業(yè)內(nèi)廠商競(jìng)爭(zhēng)相對(duì)激烈。

5.2 MEMS傳感器發(fā)展困境

相較于美國(guó)、日本等科技大國(guó)，國(guó)內(nèi)對(duì)于MEMS技術(shù)的研究稍顯落后，在20世紀(jì)80年代末才開(kāi)始成為國(guó)家重點(diǎn)研究項(xiàng)目之一。經(jīng)過(guò)近三十年的發(fā)展，國(guó)產(chǎn)MEMS在技術(shù)方面有了實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展，在市場(chǎng)應(yīng)用方面逐步實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)效積累。例如在MEMS麥克風(fēng)市場(chǎng)，全球四大公司占據(jù)市場(chǎng)話語(yǔ)權(quán)，其中兩家來(lái)自中國(guó)，歌爾股份和瑞聲科技，他們還正在挑戰(zhàn)樓氏電子的領(lǐng)袖地位，勢(shì)頭兇猛。

中國(guó)傳感器行業(yè)發(fā)展歷程

?我國(guó)作為全球最大的電子產(chǎn)品生產(chǎn)基地，正消耗著全球四分之一的MEMS器件。但目前，我國(guó)大部分MEMS傳感器仍依賴進(jìn)口。國(guó)內(nèi)MEMS傳感器也仍以中低端為主，技術(shù)相對(duì)落后。

?中國(guó)MEMS廠商面臨的挑戰(zhàn)非常多。首先，MEMS傳感器商業(yè)化應(yīng)用周期長(zhǎng)，MEMS傳感器研發(fā)時(shí)間更長(zhǎng)，這對(duì)MEMS企業(yè)的耐心、遠(yuǎn)見(jiàn)是一個(gè)很大挑戰(zhàn)。

?另一方面，中國(guó)MEMS產(chǎn)業(yè)鏈在競(jìng)爭(zhēng)方面，力量還較薄弱，沒(méi)有產(chǎn)生在國(guó)際市場(chǎng)上具有領(lǐng)導(dǎo)地位的企業(yè)。MEMS傳感器和IC芯片一樣，具有很強(qiáng)的規(guī)模效應(yīng)，例如前端流片等環(huán)節(jié)加工能力薄弱，一致性、生產(chǎn)重復(fù)性都不能滿足設(shè)計(jì)加工工藝要求。因此，整個(gè)MEMS產(chǎn)業(yè)鏈均處于投入階段，盈利比較困難，產(chǎn)生了惡性循環(huán)。

?此外，價(jià)格下滑導(dǎo)致MEMS廠商盈利困難。MEMS傳感器產(chǎn)品的價(jià)格，并非與產(chǎn)品的重要性或開(kāi)發(fā)難度成正比。例如，據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，從應(yīng)用廣泛和競(jìng)爭(zhēng)激烈的陀螺儀和加速度傳感器市場(chǎng)來(lái)看，系統(tǒng)廠商對(duì)于MEMS產(chǎn)品需求量很大，但是它們也已經(jīng)把價(jià)格殺到MEMS廠商難以為繼的地步。

?制造MEMS器件不僅需要成熟且豐富的工藝技術(shù)，還要有足夠多的產(chǎn)線保證產(chǎn)能

目前，國(guó)內(nèi)提供專業(yè)MEMS代工服務(wù)的有中芯國(guó)際、無(wú)錫華潤(rùn)上華、上海先進(jìn)等。除了以上企業(yè)能夠滿足代工產(chǎn)能和良率要求之外，其他大多數(shù)國(guó)內(nèi)MEMS代工企業(yè)還未積累起足夠的工藝技術(shù)儲(chǔ)備和大規(guī)模市場(chǎng)驗(yàn)證反饋的經(jīng)驗(yàn)，并且在加工工藝的一致性、可重復(fù)性也都不能滿足設(shè)計(jì)需要，產(chǎn)品的良率和可靠性更是無(wú)法達(dá)到規(guī)模生產(chǎn)要求。在這樣的情況之下，設(shè)計(jì)公司也只能選擇與國(guó)外成熟代工廠合作，才能保證產(chǎn)品的質(zhì)量。而在后端的封裝測(cè)試環(huán)節(jié)，情況則較為樂(lè)觀，南通富士通、晶方半導(dǎo)體、華天科技、長(zhǎng)電科技、通富微電等企業(yè)能夠滿足產(chǎn)品質(zhì)量和數(shù)量的要求。

MEMS工藝流程

5.3 MEMS傳感器發(fā)展前景

?隨著國(guó)產(chǎn)MEMS傳感器產(chǎn)業(yè)逐漸完善，MEMS將傳感器“芯片化”的能力得到了廣泛的認(rèn)可，因此很多人在談?wù)搰?guó)產(chǎn)傳感器發(fā)展趨勢(shì)時(shí)，除了過(guò)往的集成化、小型化和智能化等，有時(shí)也會(huì)加上“MEMS化”。

?設(shè)備小型化、低能耗化未來(lái)，不斷縮小產(chǎn)品尺寸、降低產(chǎn)品成本是MEMS傳感器行業(yè)的重要發(fā)展趨勢(shì)之一。隨著人工智能和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，MEMS傳感器的應(yīng)用場(chǎng)景將更加多元。MEMS傳感器是人工智能重要的底層硬件之一，傳感器收集的數(shù)據(jù)越豐富和精準(zhǔn)，人工智能的功能才會(huì)越完善。未來(lái)，智能家居、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、車(chē)聯(lián)網(wǎng)、智能城市、機(jī)器人等新產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域都將為MEMS傳感器行業(yè)帶來(lái)廣闊的市場(chǎng)空間。

?展望未來(lái)，技術(shù)水平的不斷提高，使市場(chǎng)對(duì)“小而智能”的傳感器需求越來(lái)越大，特別是在物聯(lián)網(wǎng)等應(yīng)用的推動(dòng)下，MEMS傳感器的應(yīng)用空間也愈發(fā)廣闊。