一、MEMS簡介

MEMS的全稱是微型電子機械系統(tǒng)(Micro Electromechanical System)，利用半導體制造工藝和材料，將傳感器、執(zhí)行器、機械機構、信號處理和控制電路等集成于一體的微型器件或系統(tǒng)，其內部結構一般在微米甚至納米量級。MEMS主要包含兩個部分：傳感器和執(zhí)行器。 ?

與傳統(tǒng)的機械傳感器相比，MEMS傳感器具有體積小、集成化、智能化、低成本等優(yōu)點，可以滿足物聯(lián)網時代對于傳感器的要求。

二、MEMS傳感器分類及廠家和應用

? MEMS 傳感器種類很多，也有多種分類方法。按其工作原理，大致可分為MEMS物理、化學和生物傳感器，其中每一種MEMS傳感器又可分為很多種小類，不同的MEMS 傳感器可以測量不同的量，實現(xiàn)不同的功能。 ?

?

? 三、MEMS 行業(yè)發(fā)展歷程與3次產業(yè)浪潮

? MEMS 起源可追溯至 20 世紀 50 年代，硅的壓阻效應被發(fā)現(xiàn)后，學者們開始了對硅傳感器的研究。然而，MEMS 產業(yè)真正發(fā)展始于 20 世紀 80 年代，前后經歷了 3 次產業(yè)化浪潮。

? 20 世紀 80 年代至 90 年代：1983 年 Honeywell 利用大型刻蝕硅片結構和背蝕刻膜片制作了集成壓力傳感器，將機械結構與電路集成在一個芯片內。80 年代末至 90 年代，汽車行業(yè)的快速發(fā)展，汽車電子應用如安全氣囊、制動壓力、輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)等需求增長，巨大利潤空間驅使歐洲、日本和美國的企業(yè)大量生產 MEMS，推動了 MEMS 行業(yè)發(fā)展的第一次浪潮。 ?

20 世紀 90 年代末至 21 世紀初：本階段早期，噴墨打印頭和微光學器件的巨大需求促進了 MEMS 行業(yè)的發(fā)展。而 2007 年后，消費電子產品對 MEMS 的強勁需求，手機、小家電、電子游戲、遠程控制、移動互聯(lián)網設備等消費電子產品要求體積更小且功耗更低的 MEMS 相關器件，對 MEMS 產品需求更大，掀起了 MEMS 行業(yè)發(fā)展的第二次產業(yè)化浪潮，并將持續(xù)推動 MEMS 行業(yè)向前發(fā)展。

? 2010 年至今：產品應用的擴展，使 MEMS 行業(yè)呈現(xiàn)新的趨勢。MEMS 產品逐步應用于物聯(lián)網、可穿戴設備等新領域，應用場景日益豐富，正漸漸覆蓋人類生活的各個維度。此外，MEMS 是當前移動終端創(chuàng)新的方向，新的設備形態(tài)（如可穿戴設備）需要更加微型化的器件和更為便捷的交互方式。 ? 然而，物聯(lián)網、可穿戴設備應用助推 MEMS 第三次產業(yè)化浪潮的同時，行業(yè)仍然面臨來自產品規(guī)格、功率消耗、產品整合以及成本等方面的壓力，MEMS 產品及相關技術亟待持續(xù)改進，以滿足更小、更低能耗、更高性能的需求。 ?

四、國產傳感器企業(yè)的主要布局區(qū)域

? 長三角區(qū)域 ?以上海、無錫、南京為中心。 ?逐漸形成包括熱敏、磁敏、圖像、稱重、光電、溫度、氣敏等較為完備的傳感器生產體系及產業(yè)配套。 珠三角區(qū)域 ?以深圳中心城市為主。 ?由附近中小城市的外資企業(yè)組成以熱敏、磁敏、超聲波、稱重為主的傳感器產業(yè)體系。 東北地區(qū) ?以沈陽、長春、哈爾濱為主。 ?主要生產MEMS力敏傳感器、氣敏傳感器、濕敏傳感器。 京津區(qū)域 ?主要以高校為主。 ?從事新型傳感器的研發(fā)，在某些領域填補國內空白。北京已建立微米/納米國家重點實驗室。 中部地區(qū) ?以鄭州、武漢、太原為主。 ?產學研緊密結合的模式，在PTC/NTC熱敏電阻、感應式數字液位傳感器和氣體傳感器等產業(yè)方面發(fā)展態(tài)勢良好。

? 五、MEMS產業(yè)鏈流程

? MEMS是多學科交叉的復雜系統(tǒng)，整個產業(yè)鏈涉及設計、制造、封裝測試、軟件及應用方案環(huán)節(jié)。 ? 六、全球MEMS產業(yè)鏈最有前景的應用領域和市場 據Yole的預計，2020-2026年MEMS終端市場將以7.2%的年復合增長率增長。其中，消費領域是最大的MEMS應用市場，約占全球 MEMS 收入的 60%，到2026年約有112.7億美元的市場。其次是汽車，汽車對MEMS的需求將從2020年的20.3億美元上升到28.6億美元。剩下的應用市場還有工業(yè)領域、醫(yī)療、電信、國防與航空航天等。 ?

? 從MEMS器件方面來看，Yole預計，整體MEMS器件市場在2020年至2026年將以7.2%的年復合增長率增長，到2026年全球MEMS器件市場空間將達到182億美元。在這其中，射頻MEMS器件占大頭，到2026年射頻MEMS器件大約有40.4億美元的市場空間，壓力MEMS器件大約是23.62億美元，慣性器件約有21.27億美元，麥克風MEMS約是18.71億美元，然后是加速器、噴墨頭、光學、微型測輻射熱儀、陀螺儀、微流體等等。 ?

? 七、全球MEMS產業(yè)鏈廠家細分（超200家企業(yè)&機構）

? 全球MEMS傳感器產業(yè)鏈條主要集中在北美、歐洲、日本地區(qū)，其中美國、德國、日本三國占據全球傳感器產業(yè)鏈主導地位。 ? 從上游到下游，全球MEMS傳感器產業(yè)鏈可分為研究與開發(fā)→設計→制造→封裝→測試→軟件→芯片→系統(tǒng)/應用等環(huán)節(jié)。 ?

? 八、MEMS傳感器細分應用介紹

MEMS傳感器種類繁多，主要的MEMS傳感器包括運動傳感器、壓力、麥克風、環(huán)境、光傳感器等。其中運動傳感器可分為陀螺儀、加速度計、磁力計， ?

1、MEMS運動傳感器 ? MEMS運動傳感器主要有加速度計、陀螺儀、磁力計三大類，加速度計和陀螺儀可以集成為六軸慣性傳感器；磁力計和加速度計集成為電子羅盤（e-compass），加速度計、陀螺儀和磁力計可集成為9軸傳感器。 ? MEMS陀螺儀是通過陀螺儀的核心原理科里奧利力測角速度的；MEMS加速度計可以感知任意方向上的加速度。MEMS磁力計通過測試磁場強度和方向可以定位設備的方位。 ?

2、MEMS麥克風

MEMS麥克風在消費電子、汽車、醫(yī)療等領域廣泛的應用。目前幾乎每部智能手機至少使用一個MEMS麥克風，高端的智能手機甚至使用三個麥克風，分別用于語音采集、噪音消除、改善語音識別，而iPhone 6S已經采用了4個MEMS麥克風。在物聯(lián)網的時代，大量的物聯(lián)網設備也將使用MEMS麥克風。蘋果iPhone 5S和5C采用兩顆樓氏電子（Knowles）、一顆是瑞聲科技（AAC）的MEMS麥克風。

? 3、MSME壓力傳感器

? 壓力傳感器主要用于檢測壓力，根據量程范圍可分為低壓、中壓、高壓壓力傳感器。MEMS壓力傳感器則屬于低壓傳感器，主要檢測原理有硅電容式和硅壓阻式。 ?

汽車和醫(yī)療是MEMS壓力傳感器最大的應用領域。與MEMS慣性傳感器相比，目前MEMS壓力傳感器在消費電子與移動領域的應用不是特別廣泛，主要包括潛水與運動手表、計步器和徒步高度計，部分應用于飲水機、洗衣機、太陽能熱水器等家電產品充當水位傳感器。未來智能手機、平板電腦可能集成MEMS壓力傳感器用以檢測大氣壓，或充當高度計以支持室內定位服務。 ?

4、MEMS環(huán)境傳感器

? MEMS濕度傳感器在工業(yè)控制、氣象、農業(yè)、礦山檢測等行業(yè)中得到了廣泛的應用。MEMS氣體傳感器主要用于檢測目標氣體的成分、濃度等。 ?

5、MEMS生物傳感器

MEMS生物傳感器目前處于發(fā)展初期。MEMS生物傳感器是利用生物分子探測生物反應信息的器件，被列為新世紀五大醫(yī)學檢驗技術之一，是現(xiàn)代生物技術與微電子學、化學等多學科交叉結合的產物。未來MEMS生物傳感器在醫(yī)學、食品工業(yè)、環(huán)境監(jiān)測等領域具有廣闊發(fā)展空間。 ?

九、MEMS代工產業(yè)

目前提供MEMS代工的IDM廠商主要有意法半導體、索尼、德州儀器等；臺積電目前是全球最大的獨立的MEMS代工廠，全球領先的純MEMS代工廠還有Silex Microsystems、Teledyne DALSA、Asia Paci?c Microsystems、X-FAB 、Innovative Micro Technology等,國內的中芯國際、華宏宏利、上海先進半導體也有生產MEMS的能力。 ? 與傳統(tǒng)集成電路產業(yè)類似，從 MEMS 產業(yè)價值鏈來看，根據行業(yè)內企業(yè)提供的產品或服務，可以分為設計、制造和封測三個環(huán)節(jié)。其中，MEMS 制造行業(yè)屬于 MEMS 行業(yè)的一個環(huán)節(jié)，處于產業(yè)鏈的中游。該行業(yè)根據設計環(huán)節(jié)的需求開發(fā)各類 MEMS 芯片的工藝制程并實現(xiàn)規(guī)模生產，兼具資金密集型、技術密集型和智力密集型的特征，對企業(yè)資金實力、研發(fā)投入、技術積累等均提出了極高要求。 ? 目前市場中，一方面 IDM 企業(yè)受到來自升級產業(yè)線以及降低成本維持利潤的雙重壓力，市場中已出現(xiàn) IDM 企業(yè)將制造環(huán)節(jié)外包的情況；另一方面，MEMS產品應用的爆發(fā)式增長需要不同領域、不同行業(yè)的新興 MEMS 公司參與其中，但巨額的工廠建設投入、運維成本以及 MEMS 工藝開發(fā)、集成的復雜性卻形成了較高的行業(yè)門檻，阻礙了市場的持續(xù)擴張。 ? 在此背景下，純 MEMS 代工廠與 MEMS 產品設計公司合作開發(fā)產品的商業(yè)模式將成為未來行業(yè)業(yè)務模式的主流。類似于傳統(tǒng)集成電路行業(yè)發(fā)展趨勢，MEMS 產業(yè)將逐步走向設計與制造分立、制造環(huán)節(jié)外包的模式。 ?

? MEMS 制造主要指 MEMS 芯片制造，行業(yè)內主要經營模式包括兩類，一類是依靠自有生產線進行生產，另一類則是外包給 MEMS 代工廠進行生產。行業(yè)內提供 MEMS 制造代工服務的企業(yè)，從芯片類型和產業(yè)價值鏈來看，主要分為三類，即純 MEMS 代工、IDM 企業(yè)代工以及傳統(tǒng)集成電路 MEMS 代工。 ?

1、純 MEMS 代工
? 純 MEMS 代工企業(yè)不提供任何設計服務，企業(yè)根據客戶提供的 MEMS 芯片設計方案，進行工藝制程開發(fā)以及代工生產服務。代表企業(yè)有公司、TeledyneDalsa、IMT 等。 ?

2、IDM 企業(yè)代工

? IDM 企業(yè)即垂直整合器件制造商，該類廠商除了進行集成電路設計之外，一般還擁有自有的封裝廠和測試廠，其業(yè)務范圍涵蓋集成電路的設計、制造、封裝和測試所有環(huán)節(jié)。由于晶圓制造、封裝和測試的生產線建設均需要巨額資金投入，因此 IDM 模式對企業(yè)的研發(fā)力量、資金實力和市場影響力都有極高的要求。在滿足自身晶圓制造需求后，IDM 企業(yè)會將剩余的產能外包出去，提供 MEMS代工服務。采用 IDM 代工模式的企業(yè)均為全球芯片行業(yè)巨頭，主要代表為博世（Bosch）、意法半導體（STMicro）、德州儀器（TI）等企業(yè)。 ?

3、傳統(tǒng)集成電路 MEMS 代工

? 傳統(tǒng)集成電路（主要為 CMOS）代工企業(yè)以原有的 CMOS 產線為基礎，嵌套部分特殊的生產 MEMS 工藝技術，將舊產線轉化為 MEMS 代工線。由于批量生產能力突出，傳統(tǒng)集成電路企業(yè)往往會集中向出貨量較高的消費電子領域的MEMS 產品提供代工，該類代工企業(yè)以臺積電（TSMC）、Global Foundries 等為代表。 ? 歷史發(fā)展過程中，由于 MEMS 產品在材料、加工、制造工序等單個產品差異較大，器件標準化程度較低，影響了產業(yè)垂直分工的發(fā)展，行業(yè)以 IDM 企業(yè)為主導。近年來，隨著 MEMS 技術的發(fā)展和市場需求的逐漸興起，MEMS 標準化的程度大大發(fā)展，平臺化基礎正在形成，越來越多的 MEMS 產品的產業(yè)鏈垂直分工條件日趨成熟。 ?

十、MEMS封裝測試

? 目前具備MEMS封裝測試能力的國際廠商主要有日月光、安靠、矽品、力成科技等，國內有華天科技、長電科技、晶方科技等廠商。盡管國內的MEMS前端制造還落后于國際大廠，由于國內的封裝技術起步較早，國內MEMS產業(yè)鏈后端封裝較為完善。 ? 封裝技術與IC封裝有著諸多不同，對企業(yè)的要求很高。眾所周知，MEMS器件價格下降非常之快，目前部分MEMS器件中封裝成本甚至占到總價格的40%到60%。如何做到低成本封裝是封測廠商面臨的巨大挑戰(zhàn)。 ?

十一、全球&中國MEMS傳感器廠商營收排行

從全球MEMS傳感器產業(yè)鏈看，博世以115億元的營收穩(wěn)居第一，博通以79.61億元占據第二，兩者遙遙領先其他MEMS傳感器廠商。 ? 中國廠商MEMS業(yè)務營收相比全球巨頭仍有一定差距，歌爾微電子MEMS業(yè)務營收約31億元、瑞聲科技11億元、高德紅外5.6億元，為中國MEMS營收前三甲企業(yè)。 ?

?

? 十二、MEMS傳感器幾大應用

? 可穿戴設備應用 以小米手環(huán)為例，就用到了ADI的MEMS加速度和心率傳感器來實現(xiàn)運動和心率監(jiān)測。 ? Apple Watch內部除了MEMS加速度計、陀螺儀、MEMS麥克風，還有使用脈搏傳感器。 ? VR應用 ? ? VR設備需要足夠精確測定頭部轉動的速度、角度和距離，采用MEMS加速度計、陀螺儀和磁力計來進行測定是重要的解決方案之一，幾乎成為VR設備的標配。Oculus Rift、HTC Vive、PlayStation VR都采用了MEMS加速度計和陀螺儀，未來VR設備也可能會使用MEMS眼球追蹤技術。 ? 無人機應用 ? ? 無人機飛行姿態(tài)控制技術上，MEMS傳感器又有了施展的空間。結合加速度計和陀螺儀，可以算出角度變化，并確定位置和飛行姿態(tài)。MEMS傳感器能在各種惡劣條件正常工作，同時獲得高精度的輸出。MEMS加速度計和陀螺儀在無人機上的應用可謂是大放異彩。 ? 智能汽車應用

? 車聯(lián)網是物聯(lián)網發(fā)展的重大領域，智能汽車是車聯(lián)網的核心，正處于高速發(fā)展中。在智能汽車時代，主動安全技術成為備受關注的新興領域，需要改進現(xiàn)有的主動安全系統(tǒng)，比如側翻（rollover）與穩(wěn)定性控制（ESC），這就需要MEMS加速度傳感器和角速度傳感器來感測車身姿態(tài)。語音將成為人與智能汽車的重要交互方式，MEMS麥克風將迎來發(fā)展新機遇。MEMS傳感器在汽車領域還有很多應用，包括安全氣囊（應用于正面防撞氣囊的高g值加速度計和用于側面氣囊的壓力傳感器）、汽車發(fā)動機（應用于檢測進氣量的進氣歧管絕對壓力傳感器和流量傳感器）等。 ?

十三、MEMS 傳感器在智能手機領域的應用

1. 光線傳感器

說到手機中的傳感器，首先要說的就是光線傳感器，它就好比手機的眼睛。我們人類的眼睛可以在不同光線的環(huán)境下，調整進入眼睛的光線。而光線傳感器則可以讓手機感測環(huán)境光線的強度，用來調節(jié)手機屏幕的亮度。 原理：光敏三極管，接受外界光線時，會產生強弱不等的電流，從而感知環(huán)境光亮度。

應用：通常用于調節(jié)屏幕自動背光的亮度，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，同時不刺眼；可用于拍照時調節(jié)自動白平衡；用光線傳感器來協(xié)助調整屏幕亮度，能進一步達到延長電池壽命的作用；光線傳感器也可搭配其他傳感器一同來偵測手機是否被放置在口袋中，以防止誤觸。 產品代表：ST （意法半導體）——OPT3007 超薄環(huán)境光傳感器，傳感器的精密光譜響應與人眼的明視響應高度匹配。 應用手機：蘋果iPhone XR、vivo X23、華為Mate 20、三星GALAXY Note 9等。 ?

? 2. 距離傳感器

光線傳感器和距離傳感器一般都是放在一起，位于手機屏幕聽筒周圍。這樣就存在一個問題，手機屏幕上方開太多洞或黑色長條不太好看，各大手機廠商都一直在想方設法減少開孔或者隱藏開孔。 原理：紅外LED燈發(fā)射紅外線，被物體反射后，紅外探測器通過接收到紅外線的強度，測定距離。距離傳感器同時擁有發(fā)射和接受裝置，一般體積較大。 應用：檢測手機是否貼在耳朵上正在打電話，以便自動關閉屏幕達到省電的目的；也可用于皮套、口袋模式下自動實現(xiàn)解鎖與鎖屏動作。 產品代表：TAOS——TMD2772 主要由紅外發(fā)射、光線接收、模數轉化、I2C接口等幾部分組成。 ? ?

3.重力傳感器 原理：利用壓電效應實現(xiàn)，傳感器內部一塊重物和壓電片整合在一起，通過正交兩個方向產生的電壓大小，來計算出水平方向。 應用：手機橫豎屏智能切換；拍攝照片方向；重力感應類游戲，例如平衡球、賽車游戲等。 產品代表：蘋果研發(fā)的重力感應設備。 ? ?

? 4. 加速度傳感器

原理：加速度傳感器是多個維度測算的，主要測算一些瞬時加速或減速的動作。功耗更小，但是精度低。 應用：計步，加速度傳感器可以檢測交流信號以及物體的振動。人在走動的時候會產生一定規(guī)律性的振動，而加速度傳感器可以檢測振動的過零點，從而計算出人所走的步或跑步所走的步數，從而計算出人所移動的位移，并且利用一定的公式可以計算出卡路里的消耗；日常應用中的一些甩動切歌、翻轉靜音等。 產品代表：ST意法半導體——LSM330D 可測量250dps至2000dps的俯仰、滾轉和偏航軸角速度。 ? ? ?

? 5. 磁場傳感器 原理：各向異性磁致電阻材料，感受到微弱的磁場變化時會導致自身電阻產生變化，所以手機要旋轉或晃動幾下才能準確指示方向。 應用：指南針、地圖導航方向、金屬探測器APP。 產品代表：ADI（亞德諾）——ADA4571 對氣隙變化的敏感度非常小。 ? ? ? ?

6. 陀螺儀 原理：角動量守恒，一個正在高速旋轉的物體(陀螺)，它的旋轉軸沒有受到外力影響時，旋轉軸的指向是不會有任何改變的。陀螺儀就是以這個原理作為依據，用它來保持一定的方向。一般手機里標配的是三軸陀螺儀，可追蹤6個方向的位移變化。 應用：一些射擊或賽車游戲；3D拍照、全景導航等。 產品代表：NXP（恩智浦）——FXAS21002C 3軸數字陀螺儀，適用于游戲控制器、電子羅盤穩(wěn)定、增強運動控制等應用。 ? ? ?

7. GPS 原理：手機GPS模塊通過天線接收GPS衛(wèi)星傳送的信息。模塊中的芯片根據高速運動的衛(wèi)星瞬間位置作為起算數據，根據衛(wèi)星發(fā)射坐標的時間戳與接收時的時間差計算出衛(wèi)星與手機的距離，采用空間距離后方交會的方法，確定待測點的位置坐標。 應用：地圖、導航、測速、測距。 產品代表：Fastrax——UP501 可以在惡劣條件下進行高性能的導航，甚至在較低的GPS衛(wèi)星可見度環(huán)境下實現(xiàn)穩(wěn)定的定位。 ? ?

? 8. 指紋傳感器 目前，電容式指紋識別和超聲波指紋識別應用比較廣泛。

電容指紋傳感器原理：手指構成電容的一極，另一極是硅晶片陣列，通過人體帶有的微電場與電容傳感器間形成微電流，指紋的波峰波谷與感應器之間的距離形成電容高低差，從而描繪出指紋圖像。 超聲波指紋傳感器原理：利用超聲波，直接掃描并測繪指紋紋理。超聲波獲得的指紋是3D立體的，而電容指紋是2D平面的。超聲波不僅識別速度更快、而且不受汗水油污的干擾、指紋細節(jié)更豐富難以破解。 應用：加密、解鎖、支付等。 產品代表：新思科技——Clear ID FS9500 僅有1.55mm，能夠直接放置在柔性屏幕下邊或直接集成在屏幕中。 ? ?

? ? 9. 霍爾感應器 原理：霍爾磁電效應，當電流通過一個位于磁場中的導體的時候，磁場會對導體中的電子產生一個垂直于電子運動方向上的的作用力，從而在導體的兩端產生電勢差。 應用：自動解鎖、自動鎖屏等。 產品代表：Diodes——AH1883 卓越的溫度穩(wěn)定性，對身體壓力不敏感。 ? ? ? ?

10. 氣壓傳感器 原理：分為變容式或變阻式氣壓傳感器，將薄膜與變阻器或電容連接起來，氣壓變化導致電阻或電容的數值發(fā)生變化，從而獲得氣壓數據。 應用：GPS計算海拔會有十米左右的誤差，氣壓傳感器主要用于修正海拔誤差(將至1米左右)，當然也能用來輔助GPS定位立交橋或樓層位置。 產品代表：TI（德州儀器）——BMP180 高精度、小體積、超低能耗的氣壓傳感器。 ? ?

編輯：黃飛

?