一、MEMS的概念

微機電系統(tǒng)(Micro-Electro Mechanical System)是指尺寸在幾毫米乃至更小的傳感器裝置，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)一般在微米甚至納米量級，是一個獨立的智能系統(tǒng)。簡單理解， MEMS就是將傳統(tǒng)傳感器的機械部件微型化后，通過三維堆疊技術(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(jù)不同的應用場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法企及的 IC硅片加工批量化生產(chǎn)帶來的成本優(yōu)勢， MEMS同時又具備普通傳感器無法具備的微型化和高集成度。

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

二、MEMS的優(yōu)勢

1、微型化： MEMS器件體積小，一般單個 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。同時微型化以后的機械部件具有慣性小、諧振頻率高、響應時間短等優(yōu)點。 MEMS更高的表面體積比(表面積比體積)可以提高表面?zhèn)鞲衅鞯拿舾谐潭取?/p>

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

3、批量生產(chǎn)：以單個 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切割出大約 1000個 MEMS芯片，批量生產(chǎn)可大大降低單個 MEMS的生產(chǎn)成本。

4、集成化：一般來說，單顆 MEMS往往在封裝機械傳感器的同時，還會集成ASIC芯片，控制 MEMS芯片以及轉(zhuǎn)換模擬量為數(shù)字量輸出。同時不同的封裝工藝可以把不同功能、不同敏感方向或致動方向的多個傳感器或執(zhí)行器集成于一體，或形成微傳感器陣列、微執(zhí)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(tǒng)。

5、多學科交叉： MEMS涉及電子、機械、材料、制造、信息與自動控制、物理、化學和生物等多種學科，并集約了當今科學技術(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。

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，環(huán)境傳感器可細分為氣體、溫度和濕度傳感器。

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。

1）MEMS陀螺儀

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(shè)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

慣性傳感器(加速度計+陀螺儀)廠家有：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（磁力計+加速度計）廠家有：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

MEMS麥克風在消費電子、汽車、醫(yī)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(jīng)采用了4個MEMS麥克風。在物聯(lián)網(wǎng)的時代，大量的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備也將使用MEMS麥克風。

Yole認為MEMS麥克風仍將是增長速度最快的MEMS傳感器之一。MEMS市場將從2013年的7.85億美元增長到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(jù)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(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領(lǐng)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(chǎn)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(nèi)定位服務(wù)。

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

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(jù)INTECHNO咨詢公司的統(tǒng)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(nóng)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，但每種應用場景下都有不同的技術(shù)要求，如被測氣體類型、封裝尺寸、靈敏度、壽命、響應時間等。

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(yī)學檢驗技術(shù)之一，是現(xiàn)代生物技術(shù)與微電子學、化學等多學科交叉結(jié)合的產(chǎn)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(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，將會給 MEMS行業(yè)帶來巨大的發(fā)展紅利。除了智能手機，MEMS傳感器將會在 AR/VR、可穿戴等消費電子，智能駕駛、智能工廠、智慧物流、 智能家居、環(huán)境監(jiān)測、智慧醫(yī)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)。

1、可穿戴設(shè)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(nèi)部除了MEMS加速度計、陀螺儀、MEMS麥克風，還有使用脈搏傳感器。

2、VR應用

VR設(shè)備需要足夠精確測定頭部轉(zhuǎn)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(shè)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(shè)備也可能會使用MEMS眼球追蹤技術(shù)。

3、無人機應用

無人機飛行姿態(tài)控制技術(shù)上，MEMS傳感器又有了施展的空間。結(jié)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。

4、車聯(lián)網(wǎng)應用

車聯(lián)網(wǎng)是物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的重大領(lǐng)域，智能汽車是車聯(lián)網(wǎng)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(shù)成為備受關(guān)注的新興領(lǐng)域，需要改進現(xiàn)有的主動安全系統(tǒng)，比如側(cè)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(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(cè)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。

5、自動駕駛應用

自動駕駛技術(shù)的興起，進一步推動了MEMS傳感器進入汽車。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（地下車庫、隧道）和信號受到干擾的時候，汽車的導航會受到影響，這對自動駕駛來說是致命的缺陷。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），車輛任何細微的動作和傾斜姿態(tài)，都被轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，通過總線，傳遞給行車電腦。即便在最快的車速狀態(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加速度計可以用來監(jiān)測工業(yè)設(shè)備的振動和旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)動提供精確的位置信息。

五、MEMS產(chǎn)業(yè)鏈全解析

MEMS是多學科交叉的復雜系統(tǒng)，整個產(chǎn)業(yè)鏈涉及設(shè)計、制造、封裝測試、軟件及應用方案環(huán)節(jié)。MEMS產(chǎn)業(yè)鏈的上游負責MEMS器件設(shè)計、材料和生產(chǎn)設(shè)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整個產(chǎn)業(yè)鏈復雜，涉及的廠商眾多；中國的設(shè)計、制造、封裝測試廠商都在積極布局MEMS，已形成完整MEMS的產(chǎn)業(yè)鏈。

1、全球MEMS生產(chǎn)廠商

全球前十名 MEMS廠商主要包括博世、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因為其在汽車電子和消費電子的雙重布局，牢牢占據(jù)著行業(yè)的第一的位置，其營收約占五大公司合計營收的三分之一。

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

圖：全球MEMS生產(chǎn)廠商

2、MEMS代工

MEMS代工主要有兩種類型：IDM廠商提供的MEMS代工，獨立的代工廠提供的MEMS代工，其中獨立的代工廠包括集成電路代工廠和純MEMS代工廠。近幾年Fabless模式的MEMS器件制造商發(fā)展迅速，獨立的MEMS代工廠努力尋求標準化的工藝以提升規(guī)模經(jīng)濟，減少制造時間和降低成本，使得獨立的MEMS代工廠快速成長，但目前IDM代工仍處于市場領(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商主要有日月光、安靠、矽品、力成科技等，國內(nèi)有華天科技、長電科技、晶方科技等廠商。盡管國內(nèi)的MEMS前端制造還落后于國際大廠，由于國內(nèi)的封裝技術(shù)起步較早，國內(nèi)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(jié)構(gòu)來看，國內(nèi) MEMS公司在營業(yè)規(guī)模、技術(shù)水平、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、與國外有明顯差距， 60%-70%的設(shè)計產(chǎn)品集中在加速度計、壓力傳感器等傳統(tǒng)領(lǐng)域。工藝開發(fā)是我國 MEMS行業(yè)目前面臨最主要的問題，產(chǎn)品在本身技術(shù)實力和生產(chǎn)工藝還有待于進步。國內(nèi)MEMS行業(yè)的 fabless規(guī)模相對較小，但市場規(guī)模來說具備很大的發(fā)展空間。面對國內(nèi)巨大的消費電子市場，自產(chǎn)自銷滿足國內(nèi)部分中低端市場需求，也是國內(nèi) Fabless司的一個捷徑。

1、國內(nèi)傳感器企業(yè)的區(qū)域布局

中國 MEMS設(shè)計企業(yè)主要集中于華東地區(qū)，約占全國企業(yè)總數(shù)的 55%，其中，以上海、蘇州、無錫三地為產(chǎn)業(yè)集中地：

上海：深迪，矽睿，麗恒，芯敏，微聯(lián)，銘動，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

無錫：美新，樂爾，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)簡介

1）耐威科技-國內(nèi)MEMS代工龍頭

耐威科技是國內(nèi)產(chǎn)品同時涵蓋慣性及衛(wèi)星導航，具有軍工資質(zhì)的為數(shù)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(wèi)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(wèi)星導航定位的若干關(guān)鍵技術(shù)，同時其控股子公司具有從事軍品研發(fā)、生產(chǎn)與銷售的專業(yè)資質(zhì)。

2）蘇奧傳感-國內(nèi)汽車油量傳感器龍頭

蘇奧傳感全稱為江蘇奧力威傳感高科股份有限公司，其主營業(yè)務(wù)是研發(fā)、生產(chǎn)和銷售汽車零部件，主要產(chǎn)品分為三大類，分別為傳感器及配件、燃油系統(tǒng)附件及汽車內(nèi)飾件。目前是中國最大的汽車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行清算并注銷。

3）蘇州固锝-已量產(chǎn)MEMS慣性傳感器

蘇州固锝是國內(nèi)半導體分立器件二極管行業(yè)最完善、最齊全的設(shè)計、制造、封裝、銷售的廠商，從前端芯片設(shè)計到后端封裝技術(shù)，形成了一個完整的產(chǎn)業(yè)鏈。主要產(chǎn)品包括汽車整流二極管、功率模塊、整流二極管芯片、硅整流二極管、開關(guān)二極管、穩(wěn)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、綠色照明、IT、家用電器以及大型設(shè)備的電源裝置等許多領(lǐng)域。公司設(shè)計、研發(fā)太陽能電池用銀漿以及各種電子漿料，研發(fā)并規(guī)模化生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的MEMS傳感器。

4）華工科技-國內(nèi)家電溫度傳感器龍頭

華工科技依托于華中科技大學，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(xiàn)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，市場占有率處于行業(yè)領(lǐng)先地位。

5）士蘭微-國內(nèi)稀缺的IDM模式半導體公司

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

6）漢威電子-國內(nèi)氣體傳感器龍頭

漢威電子是國內(nèi)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(jié)合，打造漢威云，建立完整的物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)鏈，結(jié)合環(huán)保治理、節(jié)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“聚焦專業(yè)細分市場”的發(fā)展戰(zhàn)略，產(chǎn)品和系統(tǒng)解決方案已應用于全球近百個國家，建立了以傳感器為核心，覆蓋多門類檢測儀表及行業(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)，主營業(yè)務(wù)為研制電阻應變計、精密電阻、應變式傳感器、稱重儀表和軟件、航空機載和地面測試系統(tǒng)、機動車性能及環(huán)保檢測系統(tǒng)、機動車駕駛員智能化培訓系統(tǒng)、遠程聯(lián)網(wǎng)監(jiān)管網(wǎng)絡(luò)平臺、車載稱重控制系統(tǒng)、工業(yè)自動化系統(tǒng)、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(tǒng)解決方案。公司擁有國際水平的設(shè)計能力、高水平的工藝裝備及工藝制造技術(shù)，在國內(nèi)中高端應變計和傳感器市場占據(jù)主導地位。