MEMS傳感器機器應用

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，是一個獨立的智能系統。

簡單理解， MEMS就是將傳統傳感器的機械部件微型化後，通過三維堆疊技術，例如三維矽穿孔 TSV等技術把器件固定在矽晶元(wafer)上，最後根據不同的應用場合採用特殊定製的封裝形式，最終切割組裝而成的矽基傳感器。

受益於普通傳感器無法企及的 IC矽片加工批量化生產帶來的成本優勢， 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 ECM駐極體電容麥克風/Apple Watch樓氏 MEMS矽麥克風

二、MEMS的優勢

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。

同時微型化以後的機械部件具有慣性小、諧振頻率高、響應時間短等優點。

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、矽基加工工藝，可兼容傳統 IC生產工藝：矽的強度、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矽基加工工藝。

3、批量生產：以單個 5mm5mm尺寸的 MEMS傳感器為例，用矽微加工工藝在一片 8英寸的矽片晶元上可同時切割出大約 1000個 MEMS晶片，批量生產可大大降低單個 MEMS的生產成本。

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晶片，控制 MEMS晶片以及轉換模擬量為數字量輸出。

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行器集成於一體，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，形成複雜的微系統。

5、多學科交叉： MEMS涉及電子、機械、材料、製造、信息與自動控制、物理、化學和生物等多種學科，並集約了當今科學技術發展的許多尖端成果。

**

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 ）、山葉（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、醫療等領域廣泛的應用。

目前幾乎每部智慧型手機至少使用一個MEMS麥克風，高端的智慧型手機甚至使用三個麥克風，分別用於語音採集、噪音消除、改善語音識別，而iPhone 6S已經採用了4個MEMS麥克風。

在物聯網的時代，大量的物聯網設備也將使用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

壓力傳感器主要用於檢測壓力，根據量程範圍可分為低壓、中壓、高壓壓力傳感器。

MEMS壓力傳感器則屬於低壓傳感器，主要檢測原理有矽電容式和矽壓阻式。

汽車和醫療是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錶、計步器和徒步高度計，部分應用於飲水機、洗衣機、太陽能熱水器等家電產品充當水位傳感器。

未來智慧型手機、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。

整個MEMS壓力傳感器行業較為分散，全球大概有50多家供應商，並沒有處於絕對領導地位的廠商。

國外的廠商包括Bosch、Denso、Sensata、GE sensing、Freescale、MSI、ST、VTI、OMRON等，國內廠商主要有敏芯微電子、北京青鳥元芯等。

4、MEMS環境傳感器

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

MSME溫度傳感器可用於任何需要檢測溫度的地方，根據INTECHNO諮詢公司的統計，溫度傳感器約占傳感器總需求量的15%左右。

MEMS濕度傳感器在工業控制、氣象、農業、礦山檢測等行業中得到了廣泛的應用。

MEMS氣體傳感器主要用於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生物傳感器目前處於發展初期。

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檢驗技術之一，是現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生物傳感器在醫學、食品工業、環境監測等領域具有廣闊發展空間。

四、MEMS的應用領域

受益於物聯網產業的快速發展，將會給 MEMS行業帶來巨大的發展紅利。

除了智慧型手機，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、環境監測、智慧醫療等物聯網領域廣泛應用。

封裝技術與IC封裝有著諸多不同，對企業的要求很高。

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。

1、可穿戴設備應用

以小米手環為例，就用到了ADI的MEMS加速度和心率傳感器來實現運動和心率監測。

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。

2、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，採用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都採用了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。

3、無人機應用

無人機飛行姿態控制技術上，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，並確定位置和飛行姿態。

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、車聯網應用

車聯網是物聯網發展的重大領域，智能汽車是車聯網的核心，正處於高速發展中。

在智能汽車時代，主動安全技術成為備受關注的新興領域，需要改進現有的主動安全系統，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感測車身姿態。

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（應用於正面防撞氣囊的高g值加速度計和用於側面氣囊的壓力傳感器）、汽車發動機（應用於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，都被轉化為數位訊號，通過總線，傳遞給行車電腦。

即便在最快的車速狀態下，MEMS的精度和反應速度也能夠適應。

得益於矽體微加工、晶片鍵合等技術的發展，精度已經上升到0.01。

6、工業應用

MEMS讓傳感器小型化、智能化，MEMS傳感器將在智慧工業時代大有可為。

MEMS溫度、濕度傳感器可用於環境條件的檢測，MEMS加速度計可以用來監測工業設備的振動和旋轉速度。

高精度的MEMS加速度計和陀螺儀可以為工業機器人的導航和轉動提供精確的位置信息。

五、MEMS產業鏈全解析

MEMS是多學科交叉的複雜系統，整個產業鏈涉及設計、製造、封裝測試、軟體及應用方案環節。

MEMS產業鏈的上游負責MEMS器件設計、材料和生產設備供應，中游生產製造出MEMS器件、下游使用MEMS器件製造終端電子產品。

MEMS整個產業鏈複雜，涉及的廠商眾多；中國的設計、製造、封裝測試廠商都在積極布局MEMS，已形成完整MEMS的產業鏈。

1、全球MEMS生產廠商

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，牢牢占據著行業的第一的位置，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業鏈的各個環節，比如 Bosch、 ST等都建有自己的晶元代工生產線。

圖：全球MEMS生產廠商

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器件製造商發展迅速，獨立的MEMS代工廠努力尋求標準化的工藝以提升規模經濟，減少製造時間和降低成本，使得獨立的MEMS代工廠快速成長，但目前IDM代工仍處於市場領導地位。

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，國內有華天科技、長電科技、晶方科技等廠商。

儘管國內的MEMS前端製造還落後於國際大廠，由於國內的封裝技術起步較早，國內MEMS產業鏈後端封裝較為完善。

中國MEMS產業詳解

從產品使用領域結構來看，國內 MEMS公司在營業規模、技術水平、產品結構、與國外有明顯差距， 60%-70%的設計產品集中在加速度計、壓力傳感器等傳統領域。

工藝開發是我國 MEMS行業目前面臨最主要的問題，產品在本身技術實力和生產工藝還有待於進步。

國內MEMS行業的 fabless規模相對較小，但市場規模來說具備很大的發展空間。

面對國內巨大的消費電子市場，自產自銷滿足國內部分中低端市場需求，也是國內 Fabless司的一個捷徑。

1、國內傳感器企業的區域布局

中國 MEMS設計企業主要集中於華東地區，約占全國企業總數的 55%，其中，以上海、蘇州、無錫三地為產業集中地：

上海：深迪，矽睿，麗恆，芯敏，微聯，銘動，文襄，天英，巨哥

蘇州：明皜，敏芯，雙橋，多維，能斯達，汶灝，聖賽諾爾，希美

無錫：美新，樂爾，康森斯克，微奧，傑德，必創，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產業鏈相關企業簡介

1）耐威科技-國內MEMS代工龍頭

耐威科技是國內產品同時涵蓋慣性及衛星導航，具有軍工資質的為數不多的企業之一。

公司立足導航產業，經多年發展形成「慣性導航+衛星導航+組合導航」產業鏈全覆蓋，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鍵技術，同時其控股子公司具有從事軍品研發、生產與銷售的專業資質。

2）蘇奧傳感-國內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，其主營業務是研發、生產和銷售汽車零部件，主要產品分為三大類，分別為傳感器及配件、燃油系統附件及汽車內飾件。

目前是中國最大的汽車油量傳感器製造企業之一，江蘇省高新技術企業，公司於2016年4月29日在深交所創業板上市。

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並註銷。

3）蘇州固鎝-已量產MEMS慣性傳感器

蘇州固鎝是國內半導體分立器件二極體行業最完善、最齊全的設計、製造、封裝、銷售的廠商，從前端晶片設計到後端封裝技術，形成了一個完整的產業鏈。

主要產品包括汽車整流二極體、功率模塊、整流二極體晶片、矽整流二極體、開關二極體、穩壓二極體、微型橋堆、軍用熔斷絲、光伏旁路模塊等，產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備的電源裝置等許多領域。

公司設計、研發太陽能電池用銀漿以及各種電子漿料，研發並規模化生產物聯網領域的MEMS傳感器。

4）華工科技-國內家電溫度傳感器龍頭

華工科技依託於華中科技大學，以雷射技術及其應用為主業，建立了雷射裝備製造、光通信器件、雷射全息仿偽、傳感器、現代服務業的產業格局，將以智能製造和物聯科技為主要業務發展方向。

公司旗下企業華工雷射、華工正源、華工高理、華工圖像、華工賽百的產品廣泛應用於機械製造、航空航天、汽車工業、鋼鐵冶金、船舶工業、通信網絡、國防軍工等重要領域，市場占有率處於行業領先地位。

5）士蘭微-國內稀缺的IDM模式半導體公司

士蘭微是一家專業從事集成電路以及半導體微電子相關產品的設計、生產與銷售的高新技術企業。

主要分為電源與功率驅動產品線、MCU 產品線、數字音視頻產品線、物聯網技術與產品線、射頻與混合信號產品線、分立器件產品線等。

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製造商。

公司圍繞物聯網產業，將感知傳感器、智能終端、通訊技術、雲計算和地理信息等物聯網技術緊密結合，打造漢威雲，建立完整的物聯網產業鏈，結合環保治理、節能技術，為智慧城市、安全生產、環境保護、民生健康提供完善的解決方案。

漢威電子堅持「聚焦專業細分市場」的發展戰略，產品和系統解決方案已應用於全球近百個國家，建立了以傳感器為核心，覆蓋多門類檢測儀表及行業物聯網應用的整體布局。

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集團公司控股企業，主營業務為研製電阻應變計、精密電阻、應變式傳感器、稱重儀表和軟體、航空機載和地面測試系統、機動車性能及環保檢測系統、機動車駕駛員智能化培訓系統、遠程聯網監管網絡平台、車載稱重控制系統、工業自動化系統、精密機電控制產品和物聯網應用等軍民用測量和控制產品及系統解決方案。

公司擁有國際水平的設計能力、高水平的工藝裝備及工藝製造技術，在國內中高端應變計和傳感器市場占據主導地位