MEMS傳感器即微機(jī)電系統(tǒng)(Microelectro Mechanical Systems)，是在微電子技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的多學(xué)科交叉的前沿研究領(lǐng)域。經(jīng)過四十多年的發(fā)展，已成為世界矚目的重大科技領(lǐng)域之一。它涉及電子、機(jī)械、材料、物理學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)、醫(yī)學(xué)等多種學(xué)科與技術(shù)，具有廣闊的應(yīng)用前景。截止到2010年，全世界有大約600余家單位從事MEMS的研制和生產(chǎn)工作，已研制出包括微型壓力傳感器、加速度傳感器、微噴墨打印頭、數(shù)字微鏡顯示器在內(nèi)的幾百種產(chǎn)品，其中MEMS傳感器占相當(dāng)大的比例。MEMS傳感器是采用微電子和微機(jī)械加工技術(shù)制造出來的新型傳感器。與傳統(tǒng)的傳感器相比，它具有體積小、重量輕、成本低、功耗低、可靠性高、適于批量化生產(chǎn)、易于集成和實(shí)現(xiàn)智能化的特點(diǎn)。同時(shí)，在微米量級(jí)的特征尺寸使得它可以完成某些傳統(tǒng)機(jī)械傳感器所不能實(shí)現(xiàn)的功能。

MEMS 的全稱是微型電子機(jī)械系統(tǒng)，利用傳統(tǒng)的半導(dǎo)體工藝和材料，集微傳感器、微執(zhí)行器、微機(jī)械機(jī)構(gòu)、信號(hào)處理和控制電路、高性能電子集成器件、接口、通信和電源等于一體的微型器件或系統(tǒng)。具有小體積、低成本、集成化等特點(diǎn)。

MEMS工作原理圖

MEMS傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域

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。

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。Oculus Rift、HTC Vive、PlayStation VR都采用了MEMS加速度計(jì)和陀螺儀，未來VR設(shè)備也可能會(huì)使用MEMS眼球追蹤技術(shù)。

3、無人機(jī)應(yīng)用

無人機(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感測(cè)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(fēng)將迎來發(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、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)駕駛來說是致命的缺陷。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。

主要MEMS傳感器種類及供應(yīng)商

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)。

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。

慣性傳感器(加速度計(jì)+陀螺儀)廠家有：意法半導(dǎo)體(ST)、旭化成微電子(AKM )、應(yīng)美盛(InvenSense)、羅伯特、博世等。

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

2、MEMS麥克風(fēng)廠商主流MEMS麥克風(fēng)制造廠商 序號(hào) 公司 總部 MEMS傳感器技術(shù) IC技術(shù) 封裝技術(shù) 1 樓氏電子 美國(guó) 自有 奧地利微 自有 2 瑞聲科技 江蘇 英飛凌 英飛凌 自有 3 歌爾聲學(xué) 山東 英飛凌 英飛凌 自有 4 BSE 韓國(guó) 英飛凌 英飛凌 自有 5 意法半導(dǎo)體 意大利 歐姆龍 自有 -- 6 應(yīng)美盛 美國(guó) 自有 自有 --

3、MEMS壓力傳感器廠商主流MEMS壓力傳感器制造廠商 序號(hào) 公司 1 GE 2 博世 3 歐姆龍 4 NXP(收購飛思卡爾) 5 ADI 6 菲爾斯特 7 香港HKST 8 TDK-EPC 9 Silicon Microstructures 10 Sensimed 11 敏芯微(MEMSensing) 12 華美澳通 13 北京青鳥元芯 14 中科院上海微系統(tǒng)所 15 無錫納微電子有限公司 16 上海芯敏微系統(tǒng)技術(shù)有限公司(SIMST) 17 Consensic 18 盾安環(huán)境

4、MEMS環(huán)境傳感器

環(huán)境傳感器可細(xì)分為氣體、溫度和濕度傳感器等。MEMS溫度傳感器可用于任何需要檢測(cè)溫度的地方。國(guó)內(nèi)外MEMS溫度傳感器供應(yīng)商 序號(hào) 公司 1 博世(Bosch) 2 Hygrometrix 3 德州儀器(TI) 4 瑞士盛思銳(Sensirion) 5 歐姆龍

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。國(guó)內(nèi)外MEMS濕度傳感器供應(yīng)商 序號(hào) 公司 1 博世(Bosch) 2 意法半導(dǎo)體(ST) 3 MEMS Vision 4 瑞士盛思銳(Sensirion) 5 精量電子(TE Sensor)

MEMS氣體傳感器主要用于檢測(cè)目標(biāo)氣體的成分、濃度等。國(guó)內(nèi)外MEMS氣體傳感器供應(yīng)商 序號(hào) 公司 1 博世(Bosch) 2 奧地利微電子(AMS) 3 Cambridge CMOS 4 瑞士盛思銳(Sensirion) 5 瑞士Micronas 6 美國(guó)Synkera 7 蘇州能新達(dá)(漢微電子公司) 8 武漢微納傳感科技 9 煒盛科技

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。

MEMS產(chǎn)業(yè)鏈

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、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(dǎo)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?yàn)槠湓谄囯娮雍拖M(fèi)電子的雙重布局，牢牢占據(jù)著行業(yè)的第一的位置，其營(yíng)收約占五大公司合計(jì)營(yíng)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(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)，比如 Bosch、 ST等都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。

目前提供MEMS代工的IDM廠商主要有意法半導(dǎo)體、索尼、德州儀器等;臺(tái)積電目前是全球最大的獨(dú)立的MEMS代工廠，全球領(lǐng)先的純MEMS代工廠還有Silex Microsystems、Teledyne DALSA、Asia Pacific Microsystems、X-FAB 、Innovative Micro Technology等,國(guó)內(nèi)的中芯國(guó)際、華宏宏利、上海先進(jìn)半導(dǎo)體也有生產(chǎn)MEMS的能力。

3、MEMS封裝測(cè)試

目前具備MEMS封裝測(cè)試能力的國(guó)際廠商主要有日月光、安靠、矽品、力成科技等，國(guó)內(nèi)有華天科技、長(zhǎng)電科技、晶方科技等廠商。盡管國(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。

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)。

經(jīng)過四十多年的發(fā)展，微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)已成為世界矚目的重大科技領(lǐng)域之一。它涉及電子、機(jī)械、材料、物理學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)、醫(yī)學(xué)等多種學(xué)科與技術(shù)，應(yīng)用前景廣闊。

中國(guó)在 MEMS 傳感器領(lǐng)域的研究較晚，但已經(jīng)成為不可或缺的力量，中國(guó)的部分專利權(quán)的創(chuàng)新主體協(xié)同格局前提下，加大政府科技資金投入不但可以消解技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展中的資金阻滯，又有助于引導(dǎo)企業(yè)或單位技術(shù)創(chuàng)新意識(shí)，從而提高我國(guó)創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)效率，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)快速而穩(wěn)健的發(fā)展 。