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MEMS全称是微型电子机械系统(Micro Electromechanical System)，利用半导体制造工艺和材料，将传感器、执行器、机械机构、信号处理和控制电路等集成于一体的微型器件或系统，其内部结构一般在微米甚至纳米量级。与传统传感器相比，MEMS传感器具有体积小、集成化、智能化、低成本等优点，因此已经成为传感器演进的关键技术之一。MEMS传感器全球&中国产业链如何？有哪些研发&代表性企业？MEMS在各领域的应用情况如何？
全球MEMS传感器产业链条主要集中在北美、欧洲、日本地区，其中美国、德国、日本三国占据全球传感器产业链主导地位。从上游到下游，全球MEMS传感器产业链可分为研究与开发→设计→制造→封装→测试→软件→芯片→系统/应用等环节。
MEMS 传感器种类很多，也有多种分类方法。按其工作原理，大致可分为MEMS物理、化学和生物传感器，其中每一种MEMS传感器又可分为很多种小类，不同的MEMS 传感器可以测量不同的量，实现不同的功能。从全球MEMS传感器产业链看，博世以115亿元的营收稳居第一，博通以79.61亿元占据第二，两者遥遥领先其他MEMS传感器厂商。中国厂商MEMS业务营收相比全球巨头仍有一定差距，歌尔微电子MEMS业务营收约31亿元、瑞声科技11亿元、高德红外5.6亿元，为中国MEMS营收前三甲企业。
根据Yole 的《2021MEMS产业动态》报告，MEMS 按产品线划分，占主导地位的是MEMS射频器件17.01%，压力传感器占比14.68%，惯性组合传感器占比12.48%，声学传感器占比11.46%，这四大器件为MEMS产业链中应用最多的TOP 4 领域，占比均超过10%。除此之外，加速度传感器占比9.42%，喷墨打印头占比6.98%，微型热辐射传感器占比4.99%，陀螺仪传感器占比4.84%，光学传感器占比4.4%，硅基微流控制器件占比1.65%，热电堆传感器占比1.65%，磁传感器占比1.46%，其他种类MEMS共计占比8.97%。以上为全球MEMS产业链各器件出货量占比情况，也代表着当前各MEMS器件的市场需求大小。
据Yole的预计，2020-2026年MEMS终端市场将以7.2%的年复合增长率增长。其中，消费领域是最大的MEMS应用市场，约占全球 MEMS 收入的 60%，到2026年约有112.7亿美元的市场。其次是汽车，汽车对MEMS的需求将从2020年的20.3亿美元上升到28.6亿美元。剩下的应用市场还有工业领域、医疗、电信、国防与航空航天等。从MEMS器件方面来看，Yole预计，整体MEMS器件市场在2020年至2026年将以7.2%的年复合增长率增长，到2026年全球MEMS器件市场空间将达到182亿美元。在这其中，射频MEMS器件占大头，到2026年射频MEMS器件大约有40.4亿美元的市场空间，压力MEMS器件大约是23.62亿美元，惯性器件约有21.27亿美元，麦克风MEMS约是18.71亿美元，然后是加速器、喷墨头、光学、微型测辐射热仪、陀螺仪、微流体等等。MEMS 起源可追溯至 20 世纪 50 年代，硅的压阻效应被发现后，学者们开始了对硅传感器的研究。然而，MEMS 产业真正发展始于 20 世纪 80 年代，前后经历了 3 次产业化浪潮。20 世纪 80 年代至 90 年代：1983 年 Honeywell 利用大型刻蚀硅片结构和背蚀刻膜片制作了集成压力传感器，将机械结构与电路集成在一个芯片内。80 年代末至 90 年代，汽车行业的快速发展，汽车电子应用如安全气囊、制动压力、轮胎压力监测系统等需求增长，巨大利润空间驱使欧洲、日本和美国的企业大量生产 MEMS，推动了 MEMS 行业发展的第一次浪潮。20 世纪 90 年代末至 21 世纪初：本阶段早期，喷墨打印头和微光学器件的巨大需求促进了 MEMS 行业的发展。而 2007 年后，消费电子产品对 MEMS 的强劲需求，手机、小环境光传感器，传感器的精密光谱响应与人眼的明视响应高度匹配。应用手机：苹果iPhone XR、vivo X23、华为Mate 20、三星GALAXY Note 9等。光线传感器和距离传感器一般都是放在一起，位于手机屏幕听筒周围。这样就存在一个问题，手机屏幕上方开太多洞或黑色长条不太好看，各大手机厂商都一直在想方设法减少开孔或者隐藏开孔。原理：红外LED灯发射红外线，被物体反射后，红外探测器通过接收到红外线的强度，测定距离。距离传感器同时拥有发射和接受装置，一般体积较大。应用：检测手机是否贴在耳朵上正在打电话，以便自动关闭屏幕达到省电的目的；也可用于皮套、口袋模式下自动实现解锁与锁屏动作。产品代表：TAOS——TMD2772主要由红外发射、光线接收、模数转化、I2C接口等几部分组成。原理：利用压电效应实现，传感器内部一块重物和压电片整合在一起，通过正交两个方向产生的电压大小，来计算出水平方向。应用：手机横竖屏智能切换；拍摄照片方向；重力感应类游戏，例如平衡球、赛车游戏等。产品代表：苹果研发的重力感应设备。原理：加速度传感器是多个维度测算的，主要测算一些瞬时加速或减速的动作。功耗更小，但是精度低。应用：计步，加速度传感器可以检测交流信号以及物体的振动。人在走动的时候会产生一定规律性的振动，而加速度传感器可以检测振动的过零点，从而计算出人所走的步或跑步所走的步数，从而计算出人所移动的位移，并且利用一定的公式可以计算出卡路里的消耗；日常应用中的一些甩动切歌、翻转静音等。产品代表：ST意法半导体——LSM330D可测量250dps至2000dps的俯仰、滚转和偏航轴角速度。原理：各向异性磁致电阻材料，感受到微弱的磁场变化时会导致自身电阻产生变化，所以手机要旋转或晃动几下才能准确指示方向。应用：指南针、地图导航方向、金属探测器APP。产品代表：ADI（亚德诺）——ADA4571对气隙变化的敏感度非常小。原理：角动量守恒，一个正在高速旋转的物体(陀螺)，它的旋转轴没有受到外力影响时，旋转轴的指向是不会有任何改变的。陀螺仪就是以这个原理作为依据，用它来保持一定的方向。一般手机里标配的是三轴陀螺仪，可追踪6个方向的位移变化。应用：一些射击或赛车游戏；3D拍照、全景导航等。产品代表：NXP（恩智浦）——FXAS21002C3轴数字陀螺仪，适用于游戏控制器、电子罗盘稳定、增强运动控制等应用。原理：手机GPS模块通过天线接收GPS卫星传送的信息。模块中的芯片根据高速运动的卫星瞬间位置作为起算数据，根据卫星发射坐标的时间戳与接收时的时间差计算出卫星与手机的距离，采用空间距离后方交会的方法，确定待测点的位置坐标。应用：地图、导航、测速、测距。产品代表：Fastrax——UP501可以在恶劣条件下进行高性能的导航，甚至在较低的GPS卫星可见度环境下实现稳定的定位。目前，电容式指纹识别和超声波指纹识别应用比较广泛。电容指纹传感器原理：手指构成电容的一极，另一极是硅晶片阵列，通过人体带有的微电场与电容传感器间形成微电流，指纹的波峰波谷与感应器之间的距离形成电容高低差，从而描绘出指纹图像。超声波指纹传感器原理：利用超声波，直接扫描并测绘指纹纹理。超声波获得的指纹是3D立体的，而电容指纹是2D平面的。超声波不仅识别速度更快、而且不受汗水油污的干扰、指纹细节更丰富难以破解。应用：加密、解锁、支付等。产品代表：新思科技——Clear ID FS9500仅有1.55mm，能够直接放置在柔性屏幕下边或直接集成在屏幕中。原理：霍尔磁电效应，当电流通过一个位于磁场中的导体的时候，磁场会对导体中的电子产生一个垂直于电子运动方向上的的作用力，从而在导体的两端产生电势差。应用：自动解锁、自动锁屏等。产品代表：Diodes——AH1883卓越的温度稳定性，对身体压力不敏感。原理：分为变容式或变阻式气压传感器，将薄膜与变阻器或电容连接起来，气压变化导致电阻或电容的数值发生变化，从而获得气压数据。应用：GPS计算海拔会有十米左右的误差，气压传感器主要用于修正海拔误差(将至1米左右)，当然也能用来辅助GPS定位立交桥或楼层位置。产品代表：TI（德州仪器）——BMP180高精度、小体积、超低能耗的气压传感器。随着汽车安全应用与降低碳排放的关注度日益提升，MEMS 传感器在汽车电子领域的渗透率逐渐提高，除此之外，无人驾驶等新兴技术也推动着MEMS 传感器进一步普及。2010 年全球平均每辆汽车包含9.2 个传感器，中国汽车含有5 个，但中国扩大部署安全气囊和轮胎压力监测系统(TPMS)，将推动中国汽车平均传感器数量到2015 年增加到10 个，在每辆汽车中，光TPMS 系统就要使用4.2 个汽车MEMS 传感器，目中国已超越日本成为第三大汽车MEMS 市场。目前汽车上常见的传感器有加速度计、陀螺仪、电子罗盘、气压计、红外传感器、超声波传感器、激光测距仪、血氧传感器：测量血氧值，对于准确的脉搏率检测至关重要GPS：GPS 可以帮助我们了解自己要去哪里，去过哪里物联网（IoT）是把任何物品与互联网连接起来，进行信息交换和通讯，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。简而言之，物联网就是“物物相连的互联网”。传感器作为物联网三大层次结构之一的感知层的重要组成部分，将现实世界中的物理量、化学量、生物量等转化成可供处理的数字信号，是实现物联网的基础和前提，同时MEMS（微机电）技术作为支撑技术，在物联网的发展中起着至关重要的作用。MEMS 的传感器发展共经历了三个阶段，分别对应不同的驱动力。2000 年左右是汽车电子、2007 年左右是智能手机、2013 年左右是可穿戴设备，下一个驱动MEMS 的传感器发展的动力是物联网，业界预测全球传感器需求有望从当前的百亿级激增到2025年的Trillion-Sensor（TSensor，万亿-传感器）量级。MEMS 技术在可穿戴设备、智能家居、医疗、工业4.0、智能汽车、智慧城市等IOT 细分领域都有广泛的应用，常见的MEMS 传感器诸如麦克风、体声波滤波器、压力传感器、温度传感器等都存在丰富的应用场景。1、加速度计：加速度计用于确定位置和无人机的飞行姿态。像任天堂Wii控制器或iPhone屏幕位置，这些小的MEMS传感器在维持飞行控制中起到关键的作用。MEMS加速度传感器有多种方式感知运动姿态，一种类型的技术能够感知微型集成电路的微小运动。另一种加速度计的技术为热对流技术，没有移动部件，而是通过一个“热气团”的位移来感知的运动变化。这类传感器灵敏度较高，在稳定车载摄像机、电影制作等应用起着至关重要的作用。2、惯性测量单元：惯性测量单元结合GPS是维持方向和飞行路径的关键。随着无人机智能化的发展，方向和路径控制是重要的空中交通管理规则。惯性测量单元采用的多轴磁传感器，在本质上都是精准度极高的小型指南针，通过感知方向将数据传输至中央处理器，从而指示方向和速度。3、倾角传感器：倾角传感器，集成了陀螺仪和加速度计为飞行控制系统提供保持水平飞行的数据。这类传感器和陀螺仪，结合加速度计，能够测量到细微的运动变化，使得倾角传感器能够应用于移动程序，如汽车或无人驾驶飞机的陀螺仪补偿。4、大气监测传感器：空气质量的好坏，是人们最关注的一个话题。实时监测空气质量好坏，大气污染程度已经成为一个热点，当然大气监测传感器在其中就起着至关重要的作用。目前 炜盛科技的大气监测传感器已被广泛应用于城市大气环境监测、工厂厂区无组织排放污染气体监测以及环境评价监测等。可监测多种气体，包括：臭氧、一氧化碳、 二氧化硫、二氧化氮等。5、电流传感器：无人机上的电能消耗和使用非常重要，尤其是在电池供电的情况下。电流传感器可用于监测和优化电能消耗，确保无人机内部电池充电和电机故障检测系统的安全。电流传感器工作通过测量电流（双向），理想的情况下提供电气隔离，以减少电能损耗和消除电击损坏用户系统的机会。6、磁传感器：在无人机，电子罗盘提供关键性的惯性导航和方向定位系统的信息。基于各向异性磁阻（AMR）技术的传感器，较其他传感器相比有明显的地功耗优势，同时具有高精度、响应时间短等特点，非常适用于无人机的应用。7、发动机进气流量传感器：流量传感器可以用于有效地监测电力无人机燃气发动机的微小空气流速。许多气体发动机质量流量传感器都采用热式技术，主要利用加热的元件和至少一个温度传感器来量化质量流量。MEMS热式气体质量流量传感器也在微计量范围内利用热原理及其适用于对重量要求较高的领域。智能工厂利用物联网技术加强信息管理和服务，掌握产销流程、提高生产过程的可控性、减少生产线上人工的干预、及时正确地采集生产线数据，以合理的安排生产计划与生产进度，并优化供应链。传感器应用非常广泛，工业生产各个环节都需要传感器进行监测，并把数据反馈给控制中心，以便对出现异常节点进行及时干预，保证工业生产正常进行。业界普遍认为，新一代的智能传感器是智能工业的“心脏”，它让产品生产流程持续运行，并让工作人员远离生产线和设备，保证人身安全和健康。
智能工厂应用场景
MEMS让传感器小型化、智能化，MEMS传感器将在智慧工业时代大有可为。MEMS温度、湿度传感器可用于环境条件的检测，MEMS加速度计可以用来监测工业设备的振动和旋转速度。高精度的MEMS加速度计和陀螺仪可以为工业机器人的导航和转动提供精确的位置信息。
