一、MEMS的概念

微機電系統(Micro-Electro Mechanical System)是指尺寸在幾毫米乃至更小的傳感器裝置，其內部結構一般在微米甚至納米量級，是一個(gè)獨立的智能系統。簡(jiǎn)單理解， MEMS就是將傳統傳感器的機械部件微型化后，通過(guò)三維堆疊技術(shù)，例如三維硅穿孔 TSV等技術(shù)把器件固定在硅晶元(wafer)上，最后根據不同的應用場(chǎng)合采用特殊定制的封裝形式，最終切割組裝而成的硅基傳感器。受益于普通傳感器無(wú)法企及的 IC硅片加工批量化生產(chǎn)帶來(lái)的成本優(yōu)勢， MEMS同時(shí)又具備普通傳感器無(wú)法具備的微型化和高集成度。

圖：傳統 ECM駐極體電容麥克風(fēng)/Apple Watch樓氏 MEMS硅麥克風(fēng)

二、MEMS的優(yōu)勢

1、微型化： MEMS器件體積小，一般單個(gè) MEMS傳感器的尺寸以毫米甚至微米為計量單位，重量輕、耗能低。同時(shí)微型化以后的機械部件具有慣性小、諧振頻率高、響應時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)。 MEMS更高的表面體積比(表面積比體積)可以提高表面傳感器的敏感程度。

2、硅基加工工藝，可兼容傳統 IC生產(chǎn)工藝：硅的強度、硬度和楊氏模量與鐵相當，密度類(lèi)似鋁，熱傳導率接近鉬和鎢，同時(shí)可以很大程度上兼容硅基加工工藝。

3、批量生產(chǎn)：以單個(gè) 5mm5mm尺寸的 MEMS傳感器為例，用硅微加工工藝在一片 8英寸的硅片晶元上可同時(shí)切割出大約 1000個(gè) MEMS芯片，批量生產(chǎn)可大大降低單個(gè) MEMS的生產(chǎn)成本。

4、集成化：一般來(lái)說(shuō)，單顆 MEMS往往在封裝機械傳感器的同時(shí)，還會(huì )集成ASIC芯片，控制 MEMS芯片以及轉換模擬量為數字量輸出。同時(shí)不同的封裝工藝可以把不同功能、不同敏感方向或致動(dòng)方向的多個(gè)傳感器或執行器集成于一體，或形成微傳感器陣列、微執行器陣列，甚至把多種功能的器件集成在一起，形成復雜的微系統。

5、多學(xué)科交叉： MEMS涉及電子、機械、材料、制造、信息與自動(dòng)控制、物理、化學(xué)和生物等多種學(xué)科，并集約了當今科學(xué)技術(shù)發(fā)展的許多尖端成果。**

三、主要的MEMS傳感器及供應商

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

MEMS傳感器種類(lèi)繁多，主要的MEMS傳感器包括運動(dòng)傳感器、壓力、麥克風(fēng)、環(huán)境、光傳感器等。其中運動(dòng)傳感器可分為陀螺儀、加速度計、磁力計，環(huán)境傳感器可細分為氣體、溫度和濕度傳感器。

1、MEMS運動(dòng)傳感器

MEMS運動(dòng)傳感器主要有加速度計、陀螺儀、磁力計三大類(lèi)，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(pán)（e-compass），加速度計、陀螺儀和磁力計可集成為9軸傳感器。

1）MEMS陀螺儀

MEMS陀螺儀是通過(guò)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(guò)測試磁場(chǎng)強度和方向可以定位設備的方位。

2）MEMS加速計

MEMS加速計主要分為壓電式、容感式和熱感式三種。

圖：MEMS加速計的分類(lèi)

慣性傳感器(加速度計+陀螺儀)廠(chǎng)家有：意法半導體(ST)、旭化成微電子（AKM ）、應美盛(InvenSense)、羅伯特.博世等。

電子羅盤(pán)（磁力計+加速度計）廠(chǎng)家有：旭化成微電子（AKM ）、雅馬哈（Yamaha）、阿爾卑斯（Alps Electric） 、美新半導體(MEMSIC)(2016年7月被華燦光電收購)等。

2、MEMS麥克風(fēng)

MEMS麥克風(fēng)在消費電子、汽車(chē)、醫療等領(lǐng)域廣泛的應用。目前幾乎每部智能手機至少使用一個(gè)MEMS麥克風(fēng)，高端的智能手機甚至使用三個(gè)麥克風(fēng)，分別用于語(yǔ)音采集、噪音消除、改善語(yǔ)音識別，而iPhone 6S已經(jīng)采用了4個(gè)MEMS麥克風(fēng)。在物聯(lián)網(wǎng)的時(shí)代，大量的物聯(lián)網(wǎng)設備也將使用MEMS麥克風(fēng)。

Yole認為MEMS麥克風(fēng)仍將是增長(cháng)速度最快的MEMS傳感器之一。MEMS市場(chǎng)將從2013年的7.85億美元增長(cháng)到2019年的16.5億美元。

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(chē)和醫療是MEMS壓力傳感器最大的應用領(lǐng)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(dòng)領(lǐng)域的應用不是特別廣泛，主要包括潛水與運動(dòng)手表、計步器和徒步高度計，部分應用于飲水機、洗衣機、太陽(yáng)能熱水器等家電產(chǎn)品充當水位傳感器。未來(lái)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(wù)。

整個(gè)MEMS壓力傳感器行業(yè)較為分散，全球大概有50多家供應商，并沒(méi)有處于絕對領(lǐng)導地位的廠(chǎng)商。國外的廠(chǎng)商包括Bosch、Denso、Sensata、GE sensing、Freescale、MSI、ST、VTI、OMRON等，國內廠(chǎng)商主要有敏芯微電子、北京青鳥(niǎo)元芯等。

4、MEMS環(huán)境傳感器

環(huán)境傳感器泛指能感知溫度、濕度、氣體成分等環(huán)境變量的傳感器，可細分為氣體、溫度和濕度傳感器等。

MSME溫度傳感器可用于任何需要檢測溫度的地方，根據INTECHNO咨詢(xún)公司的統計，溫度傳感器約占傳感器總需求量的15%左右。

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。氣體傳感器應用廣泛，但每種應用場(chǎng)景下都有不同的技術(shù)要求，如被測氣體類(lèi)型、封裝尺寸、靈敏度、壽命、響應時(shí)間等。

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學(xué)檢驗技術(shù)之一，是現代生物技術(shù)與微電子學(xué)、化學(xué)等多學(xué)科交叉結合的產(chǎn)物。未來(lái)MEMS生物傳感器在醫學(xué)、食品工業(yè)、環(huán)境監測等領(lǐng)域具有廣闊發(fā)展空間。

四、MEMS的應用領(lǐng)域

受益于物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，將會(huì )給 MEMS行業(yè)帶來(lái)巨大的發(fā)展紅利。除了智能手機，MEMS傳感器將會(huì )在 AR/VR、可穿戴等消費電子，智能駕駛、智能工廠(chǎng)、智慧物流、 智能家居、環(huán)境監測、智慧醫療等物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域廣泛應用。

封裝技術(shù)與IC封裝有著(zhù)諸多不同，對企業(yè)的要求很高。眾所周知，MEMS器件價(jià)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(jià)格的40%到60%。如何做到低成本封裝是封測廠(chǎng)商面臨的巨大挑戰。

1、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(lái)實(shí)現運動(dòng)和心率監測。 Apple Watch內部除了MEMS加速度計、陀螺儀、MEMS麥克風(fēng)，還有使用脈搏傳感器。

2、VR應用

VR設備需要足夠精確測定頭部轉動(dòng)的速度、角度和距離，采用MEMS加速度計、陀螺儀和磁力計來(lái)進(jìn)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(lái)VR設備也可能會(huì )使用MEMS眼球追蹤技術(shù)。

3、無(wú)人機應用

無(wú)人機飛行姿態(tài)控制技術(shù)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(shí)獲得高精度的輸出。MEMS加速度計和陀螺儀在無(wú)人機上的應用可謂是大放異彩。

4、車(chē)聯(lián)網(wǎng)應用

車(chē)聯(lián)網(wǎng)是物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的重大領(lǐng)域，智能汽車(chē)是車(chē)聯(lián)網(wǎng)的核心，正處于高速發(fā)展中。在智能汽車(chē)時(shí)代，主動(dòng)安全技術(shù)成為備受關(guān)注的新興領(lǐng)域，需要改進(jìn)現有的主動(dòng)安全系統，比如側翻（rollover）與穩定性控制（ESC），這就需要MEMS加速度傳感器和角速度傳感器來(lái)感測車(chē)身姿態(tài)。語(yǔ)音將成為人與智能汽車(chē)的重要交互方式，MEMS麥克風(fēng)將迎來(lái)發(fā)展新機遇。MEMS傳感器在汽車(chē)領(lǐng)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(chē)發(fā)動(dòng)機（應用于檢測進(jìn)氣量的進(jìn)氣歧管絕對壓力傳感器和流量傳感器）等。

5、自動(dòng)駕駛應用

自動(dòng)駕駛技術(shù)的興起，進(jìn)一步推動(dòng)了MEMS傳感器進(jìn)入汽車(chē)。雖然GPS接收器可以計算自身位置和速度，但在GPS信號較差的地方（地下車(chē)庫、隧道）和信號受到干擾的時(shí)候，汽車(chē)的導航會(huì )受到影響，這對自動(dòng)駕駛來(lái)說(shuō)是致命的缺陷。利用MEMS陀螺儀和加速度計獲取速度和位置（角速度和角位置），車(chē)輛任何細微的動(dòng)作和傾斜姿態(tài)，都被轉化為數字信號，通過(guò)總線(xiàn)，傳遞給行車(chē)電腦。即便在最快的車(chē)速狀態(tài)下，MEMS的精度和反應速度也能夠適應。得益于硅體微加工、晶片鍵合等技術(shù)的發(fā)展，精度已經(jīng)上升到0.01。

6、工業(yè)應用

MEMS讓傳感器小型化、智能化，MEMS傳感器將在智慧工業(yè)時(shí)代大有可為。MEMS溫度、濕度傳感器可用于環(huán)境條件的檢測，MEMS加速度計可以用來(lái)監測工業(yè)設備的振動(dòng)和旋轉速度。高精度的MEMS加速度計和陀螺儀可以為工業(yè)機器人的導航和轉動(dòng)提供精確的位置信息。

五、MEMS產(chǎn)業(yè)鏈全解析

MEMS是多學(xué)科交叉的復雜系統，整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈涉及設計、制造、封裝測試、軟件及應用方案環(huán)節。MEMS產(chǎn)業(yè)鏈的上游負責MEMS器件設計、材料和生產(chǎn)設備供應，中游生產(chǎn)制造出MEMS器件、下游使用MEMS器件制造終端電子產(chǎn)品。

MEMS整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈復雜，涉及的廠(chǎng)商眾多；中國的設計、制造、封裝測試廠(chǎng)商都在積極布局MEMS，已形成完整MEMS的產(chǎn)業(yè)鏈。

1、全球MEMS生產(chǎn)廠(chǎng)商

全球前十名 MEMS廠(chǎng)商主要包括博世、意法半導體、惠普、德州儀器、佳能、InvenSense、 Avago和 Qorvo、樓氏電子、松下等等。其中 BOSCH因為其在汽車(chē)電子和消費電子的雙重布局，牢牢占據著(zhù)行業(yè)的第一的位置，其營(yíng)收約占五大公司合計營(yíng)收的三分之一。

大部分 MEMS行業(yè)的主要廠(chǎng)商是以 Fabless為主，例如樓氏、 HP、佳能等。同時(shí)，平行的也有 IDM廠(chǎng)商垂直參與到整條產(chǎn)業(yè)鏈的各個(gè)環(huán)節，比如 Bosch、 ST等都建有自己的晶元代工生產(chǎn)線(xiàn)。

圖：全球MEMS生產(chǎn)廠(chǎng)商

2、MEMS代工

MEMS代工主要有兩種類(lèi)型：IDM廠(chǎng)商提供的MEMS代工，獨立的代工廠(chǎng)提供的MEMS代工，其中獨立的代工廠(chǎng)包括集成電路代工廠(chǎng)和純MEMS代工廠(chǎng)。近幾年Fabless模式的MEMS器件制造商發(fā)展迅速，獨立的MEMS代工廠(chǎng)努力尋求標準化的工藝以提升規模經(jīng)濟，減少制造時(shí)間和降低成本，使得獨立的MEMS代工廠(chǎng)快速成長(cháng)，但目前IDM代工仍處于市場(chǎng)領(lǐng)導地位。

3、MEMS封裝測試

目前具備MEMS封裝測試能力的國際廠(chǎng)商主要有日月光、安靠、矽品、力成科技等，國內有華天科技、長(cháng)電科技、晶方科技等廠(chǎng)商。盡管?chē)鴥鹊腗EMS前端制造還落后于國際大廠(chǎng)，由于國內的封裝技術(shù)起步較早，國內MEMS產(chǎn)業(yè)鏈后端封裝較為完善。

中國MEMS產(chǎn)業(yè)詳解

從產(chǎn)品使用領(lǐng)域結構來(lái)看，國內 MEMS公司在營(yíng)業(yè)規模、技術(shù)水平、產(chǎn)品結構、與國外有明顯差距， 60%-70%的設計產(chǎn)品集中在加速度計、壓力傳感器等傳統領(lǐng)域。工藝開(kāi)發(fā)是我國 MEMS行業(yè)目前面臨最主要的問(wèn)題，產(chǎn)品在本身技術(shù)實(shí)力和生產(chǎn)工藝還有待于進(jìn)步。國內MEMS行業(yè)的 fabless規模相對較小，但市場(chǎng)規模來(lái)說(shuō)具備很大的發(fā)展空間。面對國內巨大的消費電子市場(chǎng)，自產(chǎn)自銷(xiāo)滿(mǎn)足國內部分中低端市場(chǎng)需求，也是國內 Fabless司的一個(gè)捷徑。

1、國內傳感器企業(yè)的區域布局

中國 MEMS設計企業(yè)主要集中于華東地區，約占全國企業(yè)總數的 55%，其中，以上海、蘇州、無(wú)錫三地為產(chǎn)業(yè)集中地：

上海：深迪，矽睿，麗恒，芯敏，微聯(lián)，銘動(dòng)，文襄，天英，巨哥

蘇州：明皜，敏芯，雙橋，多維，能斯達，汶灝，圣賽諾爾，希美

無(wú)錫：美新，樂(lè )爾，康森斯克，微奧，杰德，必創(chuàng )，微納，芯奧微，沃浦

其他：深圳瑞聲，山東歌爾，河北美泰，山西科泰，鄭州煒盛，北京水木智芯，浙江大立，武漢高德，成都國騰，西安勵德，天津微納芯等。

2、中國MEMS產(chǎn)業(yè)鏈相關(guān)企業(yè)簡(jiǎn)介

1）耐威科技-國內MEMS代工龍頭

耐威科技是國內產(chǎn)品同時(shí)涵蓋慣性及衛星導航，具有軍工資質(zhì)的為數不多的企業(yè)之一。公司立足導航產(chǎn)業(yè)，經(jīng)多年發(fā)展形成“慣性導航+衛星導航+組合導航”產(chǎn)業(yè)鏈全覆蓋，掌握了慣性導航及組合導航、高精度衛星導航定位的若干關(guān)鍵技術(shù)，同時(shí)其控股子公司具有從事軍品研發(fā)、生產(chǎn)與銷(xiāo)售的專(zhuān)業(yè)資質(zhì)。

2）蘇奧傳感-國內汽車(chē)油量傳感器龍頭

蘇奧傳感全稱(chēng)為江蘇奧力威傳感高科股份有限公司，其主營(yíng)業(yè)務(wù)是研發(fā)、生產(chǎn)和銷(xiāo)售汽車(chē)零部件，主要產(chǎn)品分為三大類(lèi)，分別為傳感器及配件、燃油系統附件及汽車(chē)內飾件。目前是中國最大的汽車(chē)油量傳感器制造企業(yè)之一，江蘇省高新技術(shù)企業(yè)，公司于2016年4月29日在深交所創(chuàng )業(yè)板上市。蘇奧傳感目前公司擁有四家子公司，即傳感器研究所、舒爾馳精密、煙臺奧力威及武漢奧力威。2015年10月8日，公司決定對傳感器研究所進(jìn)行清算并注銷(xiāo)。

3）蘇州固锝-已量產(chǎn)MEMS慣性傳感器

蘇州固锝是國內半導體分立器件二極管行業(yè)最完善、最齊全的設計、制造、封裝、銷(xiāo)售的廠(chǎng)商，從前端芯片設計到后端封裝技術(shù)，形成了一個(gè)完整的產(chǎn)業(yè)鏈。主要產(chǎn)品包括汽車(chē)整流二極管、功率模塊、整流二極管芯片、硅整流二極管、開(kāi)關(guān)二極管、穩壓二極管、微型橋堆、軍用熔斷絲、光伏旁路模塊等，產(chǎn)品廣泛應用在航空航天、汽車(chē)、綠色照明、IT、家用電器以及大型設備的電源裝置等許多領(lǐng)域。公司設計、研發(fā)太陽(yáng)能電池用銀漿以及各種電子漿料，研發(fā)并規?；a(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的MEMS傳感器。

4）華工科技-國內家電溫度傳感器龍頭

華工科技依托于華中科技大學(xué)，以激光技術(shù)及其應用為主業(yè)，建立了激光裝備制造、光通信器件、激光全息仿偽、傳感器、現代服務(wù)業(yè)的產(chǎn)業(yè)格局，將以智能制造和物聯(lián)科技為主要業(yè)務(wù)發(fā)展方向。公司旗下企業(yè)華工激光、華工正源、華工高理、華工圖像、華工賽百的產(chǎn)品廣泛應用于機械制造、航空航天、汽車(chē)工業(yè)、鋼鐵冶金、船舶工業(yè)、通信網(wǎng)絡(luò )、國防軍工等重要領(lǐng)域，市場(chǎng)占有率處于行業(yè)領(lǐng)先地位。

5）士蘭微-國內稀缺的IDM模式半導體公司

士蘭微是一家專(zhuān)業(yè)從事集成電路以及半導體微電子相關(guān)產(chǎn)品的設計、生產(chǎn)與銷(xiāo)售的高新技術(shù)企業(yè)。主要分為電源與功率驅動(dòng)產(chǎn)品線(xiàn)、MCU 產(chǎn)品線(xiàn)、數字音視頻產(chǎn)品線(xiàn)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與產(chǎn)品線(xiàn)、射頻與混合信號產(chǎn)品線(xiàn)、分立器件產(chǎn)品線(xiàn)等。目前是國內為數不多的IDM 模式半導體公司。

6）漢威電子-國內氣體傳感器龍頭

漢威電子是國內最大的氣體傳感器及儀表制造商。公司圍繞物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)，將感知傳感器、智能終端、通訊技術(shù)、云計算和地理信息等物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)緊密結合，打造漢威云，建立完整的物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)鏈，結合環(huán)保治理、節能技術(shù)，為智慧城市、安全生產(chǎn)、環(huán)境保護、民生健康提供完善的解決方案。漢威電子堅持“聚焦專(zhuān)業(yè)細分市場(chǎng)”的發(fā)展戰略，產(chǎn)品和系統解決方案已應用于全球近百個(gè)國家，建立了以傳感器為核心，覆蓋多門(mén)類(lèi)檢測儀表及行業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應用的整體布局。

7）中航電測-軍工MEMS龍頭

中航電測儀器股份有限公司是中國航空工業(yè)集團公司控股企業(yè)，主營(yíng)業(yè)務(wù)為研制電阻應變計、精密電阻、應變式傳感器、稱(chēng)重儀表和軟件、航空機載和地面測試系統、機動(dòng)車(chē)性能及環(huán)保檢測系統、機動(dòng)車(chē)駕駛員智能化培訓系統、遠程聯(lián)網(wǎng)監管網(wǎng)絡(luò )平臺、車(chē)載稱(chēng)重控制系統、工業(yè)自動(dòng)化系統、精密機電控制產(chǎn)品和物聯(lián)網(wǎng)應用等軍民用測量和控制產(chǎn)品及系統解決方案。公司擁有國際水平的設計能力、高水平的工藝裝備及工藝制造技術(shù)，在國內中高端應變計和傳感器市場(chǎng)占據主導地位。