一. MEMS的概念

微機(jī)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(jí)，是一個(gè)獨(dú)立的智能系統(tǒng)。簡(jiǎn)單理解， MEMS就是將傳統(tǒng)傳感器的機(jī)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(jù)不同的應(yīng)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(shì)， 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(tǒng) 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(shì)

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(jì)量單位，重量輕、耗能低。同時(shí)微型化以后的機(jī)械部件具有慣性小、諧振頻率高、響應(yīng)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?zhèn)鞲衅鞯拿舾谐潭取?/span>

2. 硅基加工工藝，可兼容傳統(tǒng) IC生產(chǎn)工藝：硅的強(qiáng)度、硬度和楊氏模量與鐵相當(dāng)，密度類似鋁，熱傳導(dǎo)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(jī)械傳感器的同時(shí)，還會(huì)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(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(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(fù)雜的微系統(tǒng)。

5. 多學(xué)科交叉： MEMS涉及電子、機(jī)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(dāng)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

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(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，不同的MEMS 傳感器可以測(cè)量不同的量，實(shí)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(yùn)動(dòng)傳感器、壓力、麥克風(fēng)、環(huán)境、光傳感器等。其中運(yùn)動(dòng)傳感器可分為陀螺儀、加速度計(jì)、磁力計(jì)，環(huán)境傳感器可細(xì)分為氣體、溫度和濕度傳感器。 

 

1. MEMS運(yùn)動(dòng)傳感器

MEMS運(yùn)動(dòng)傳感器主要有加速度計(jì)、陀螺儀、磁力計(jì)三大類，加速度計(jì)和陀螺儀可以集成為六軸慣性傳感器；磁力計(jì)和加速度計(jì)集成為電子羅盤（e-compass），加速度計(jì)、陀螺儀和磁力計(jì)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(cè)角速度的；MEMS加速度計(jì)可以感知任意方向上的加速度。MEMS磁力計(jì)通過(guò)測(cè)試磁場(chǎng)強(qiáng)度和方向可以定位設(shè)備的方位。

2）MEMS加速計(jì)

MEMS加速計(jì)主要分為壓電式、容感式和熱感式三種。

 

圖：MEMS加速計(jì)的分類

2. MEMS麥克風(fēng)

MEMS麥克風(fēng)在消費(fèi)電子、汽車、醫(yī)療等領(lǐng)域廣泛的應(yīng)用。目前幾乎每部智能手機(jī)至少使用一個(gè)MEMS麥克風(fēng)，高端的智能手機(jī)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(shí)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(shè)備也將使用MEMS麥克風(fēng)。

Yole認(rèn)為MEMS麥克風(fēng)仍將是增長(zhǎng)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(zhǎng)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(cè)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(cè)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(yīng)用領(lǐng)域。與MEMS慣性傳感器相比，目前MEMS壓力傳感器在消費(fèi)電子與移動(dòng)領(lǐng)域的應(yīng)用不是特別廣泛，主要包括潛水與運(yùn)動(dòng)手表、計(jì)步器和徒步高度計(jì)，部分應(yīng)用于飲水機(jī)、洗衣機(jī)、太陽(yáng)能熱水器等家電產(chǎn)品充當(dāng)水位傳感器。未來(lái)智能手機(jī)、平板電腦可能集成MEMS壓力傳感器用以檢測(cè)大氣壓，或充當(dāng)高度計(jì)以支持室內(nèi)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(yīng)商，并沒(méi)有處于絕對(duì)領(lǐng)導(dǎo)地位的廠商。

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(xì)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(cè)溫度的地方，根據(jù)INTECHNO咨詢公司的統(tǒng)計(jì)，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(cè)等行業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用。

MEMS氣體傳感器主要用于檢測(cè)目標(biāo)氣體的成分、濃度等。氣體傳感器應(yīng)用廣泛，但每種應(yīng)用場(chǎng)景下都有不同的技術(shù)要求，如被測(cè)氣體類型、封裝尺寸、靈敏度、壽命、響應(yīng)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(cè)生物反應(yīng)信息的器件，被列為新世紀(jì)五大醫(yī)學(xué)檢驗(yàn)技術(shù)之一，是現(xiàn)代生物技術(shù)與微電子學(xué)、化學(xué)等多學(xué)科交叉結(jié)合的產(chǎn)物。未來(lái)MEMS生物傳感器在醫(yī)學(xué)、食品工業(yè)、環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域具有廣闊發(fā)展空間。

四. MEMS的應(yīng)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(jī)，MEMS傳感器將會(huì)在 AR/VR、可穿戴等消費(fèi)電子，智能駕駛、智能工廠、智慧物流、 智能家居、環(huán)境監(jiān)測(cè)、智慧醫(yī)療等物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。

封裝技術(shù)與IC封裝有著諸多不同，對(duì)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(cè)廠商面臨的巨大挑戰(zhàn)。

1. 可穿戴設(shè)備應(yīng)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(xiàn)運(yùn)動(dòng)和心率監(jiān)測(cè)。 Apple Watch內(nèi)部除了MEMS加速度計(jì)、陀螺儀、MEMS麥克風(fēng)，還有使用脈搏傳感器。

 

 

2. VR應(yīng)用

VR設(shè)備需要足夠精確測(cè)定頭部轉(zhuǎn)動(dòng)的速度、角度和距離，采用MEMS加速度計(jì)、陀螺儀和磁力計(jì)來(lái)進(jìn)行測(cè)定是重要的解決方案之一，幾乎成為VR設(shè)備的標(biāo)配。市面上熱門的幾款VR都采用了MEMS加速度計(jì)和陀螺儀，未來(lái)VR設(shè)備也可能會(huì)使用MEMS眼球追蹤技術(shù)。

 

 

3. 無(wú)人機(jī)應(yīng)用

無(wú)人機(jī)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(jì)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(jì)和陀螺儀在無(wú)人機(jī)上的應(yīng)用可謂是大放異彩。

 

 

4. 車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)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(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(xiàn)有的主動(dòng)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(lái)感測(cè)車身姿態(tài)。語(yǔ)音將成為人與智能汽車的重要交互方式，MEMS麥克風(fēng)將迎來(lái)發(fā)展新機(jī)遇。MEMS傳感器在汽車領(lǐng)域還有很多應(yīng)用，包括安全氣囊（應(yīng)用于正面防撞氣囊的高g值加速度計(jì)和用于側(cè)面氣囊的壓力傳感器）、汽車發(fā)動(dòng)機(jī)（應(yīng)用于檢測(cè)進(jìn)氣量的進(jìn)氣歧管絕對(duì)壓力傳感器和流量傳感器）等。

 

 

5. 自動(dòng)駕駛應(yīng)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。雖然GPS接收器可以計(jì)算自身位置和速度，但在GPS信號(hào)較差的地方（地下車庫(kù)、隧道）和信號(hào)受到干擾的時(shí)候，汽車的導(dǎo)航會(huì)受到影響，這對(duì)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(jì)獲取速度和位置（角速度和角位置），車輛任何細(xì)微的動(dòng)作和傾斜姿態(tài)，都被轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，通過(guò)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(yīng)速度也能夠適應(yīng)。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(yīng)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(cè)，MEMS加速度計(jì)可以用來(lái)監(jiān)測(cè)工業(yè)設(shè)備的振動(dòng)和旋轉(zhuǎn)速度。高精度的MEMS加速度計(jì)和陀螺儀可以為工業(yè)機(jī)器人的導(dǎo)航和轉(zhuǎn)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(fù)雜系統(tǒng)，整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈涉及設(shè)計(jì)、制造、封裝測(cè)試、軟件及應(yīng)用方案環(huán)節(jié)。MEMS產(chǎn)業(yè)鏈的上游負(fù)責(zé)MEMS器件設(shè)計(jì)、材料和生產(chǎn)設(shè)備供應(yīng)，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(fù)雜，涉及的廠商眾多；中國(guó)的設(shè)計(jì)、制造、封裝測(cè)試廠商都在積極布局MEMS，已形成完整MEMS的產(chǎn)業(yè)鏈。

 

1. MEMS生產(chǎn)廠商

大部分 MEMS行業(yè)的主要廠商是以 Fabless為主，同時(shí)平行的也有 IDM廠商垂直參與到整條產(chǎn)業(yè)鏈的各個(gè)環(huán)節(jié)，建有自己的晶元代工生產(chǎn)線。

2. MEMS代工

MEMS代工主要有兩種類型：IDM廠商提供的MEMS代工，獨(dú)立的代工廠提供的MEMS代工，其中獨(dú)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(dú)立的MEMS代工廠努力尋求標(biāo)準(zhǔn)化的工藝以提升規(guī)模經(jīng)濟(jì)，減少制造時(shí)間和降低成本，使得獨(dú)立的MEMS代工廠快速成長(zhǎng)，但目前IDM代工仍處于市場(chǎng)領(lǐng)導(dǎo)地位。

3. MEMS封裝測(cè)試

盡管目前國(guó)內(nèi)的MEMS前端制造還落后于國(guó)際大廠，由于國(guó)內(nèi)的封裝技術(shù)起步較早，國(guó)內(nèi)MEMS產(chǎn)業(yè)鏈后端封裝較為完善。

中國(guó)MEMS產(chǎn)業(yè)詳解

從產(chǎn)品使用領(lǐng)域結(jié)構(gòu)來(lái)看，國(guó)內(nèi) MEMS公司在營(yíng)業(yè)規(guī)模、技術(shù)水平、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、與國(guó)外有明顯差距， 60%-70%的設(shè)計(jì)產(chǎn)品集中在加速度計(jì)、壓力傳感器等傳統(tǒng)領(lǐng)域。工藝開(kāi)發(fā)是我國(guó) 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(guó)內(nèi)MEMS行業(yè)的 fabless規(guī)模相對(duì)較小，但市場(chǎng)規(guī)模來(lái)說(shuō)具備很大的發(fā)展空間。面對(duì)國(guó)內(nèi)巨大的消費(fèi)電子市場(chǎng)，自產(chǎn)自銷滿足國(guó)內(nèi)部分中低端市場(chǎng)需求，也是國(guó)內(nèi) Fabless司的一個(gè)捷徑。

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