MEMS傳感器即微機電系統(tǒng)(Microelectro Mechanical Systems)，是在微電子技術基礎上發(fā)展起來的多學科交叉的前沿研究領域。經(jīng)過四十多年的發(fā)展，已成為世界矚目的重大科技領域之一。它涉及電子、機械、材料、物理學、化學、生物學、醫(yī)學等多種學科與技術，具有廣闊的應用前景。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傳感器占相當大的比例。MEMS傳感器是采用微電子和微機械加工技術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)、易于集成和實現(xiàn)智能化的特點。同時，在微米量級的特征尺寸使得它可以完成某些傳統(tǒng)機械傳感器所不能實現(xiàn)的功能。
MEMS 的全稱是微型電子機械系統(tǒng)，利用傳統(tǒng)的半導體工藝和材料，集微傳感器、微執(zhí)行器、微機械機構(gòu)、信號處理和控制電路、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。
MEMS工作原理圖
MEMS傳感器的應用領域
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)領域廣泛應用。
1、可穿戴設備應用
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(tài)控制技術上，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，主動安全技術成為備受關注的新興領域，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。
主要MEMS傳感器種類及供應商
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。
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。
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麥克風廠商主流MEMS麥克風制造廠商 序號 公司 總部 MEMS傳感器技術 IC技術 封裝技術 1 樓氏電子 美國 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 山東 英飛凌 英飛凌 自有 4 BSE 韓國 英飛凌 英飛凌 自有 5 意法半導體 意大利 歐姆龍 自有 -- 6 應美盛 美國 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 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溫度的地方。國內(nèi)外MEMS溫度傳感器供應商 序號 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)、礦山檢測等行業(yè)中得到了廣泛的應用。國內(nèi)外MEMS濕度傳感器供應商 序號 公司 1 博世(Bosch) 2 意法半導體(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目標氣體的成分、濃度等。國內(nèi)外MEMS氣體傳感器供應商 序號 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Synkera 7 蘇州能新達(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生物反應信息的器件，被列為新世紀五大醫(yī)學檢驗技術之一，是現(xiàn)代生物技術與微電子學、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)測等領域具有廣闊發(fā)展空間。
MEMS產(chǎn)業(yè)鏈
MEMS是多學科交叉的復雜系統(tǒng)，整個產(chǎn)業(yè)鏈涉及設計、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器件設計、材料和生產(chǎn)設備供應，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。
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代工仍處于市場領導地位。
目前提供MEMS代工的IDM廠商主要有意法半導體、索尼、德州儀器等;臺積電目前是全球最大的獨立的MEMS代工廠，全球領先的純MEMS代工廠還有Silex Microsystems、Teledyne DALSA、Asia Pacific Microsystems、X-FAB 、Innovative Micro Technology等,國內(nèi)的中芯國際、華宏宏利、上海先進半導體也有生產(chǎn)MEMS的能力。
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)的封裝技術起步較早，國內(nèi)MEMS產(chǎn)業(yè)鏈后端封裝較為完善。
封裝技術與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)。
經(jīng)過四十多年的發(fā)展，微機電系統(tǒng)(MEMS)已成為世界矚目的重大科技領域之一。它涉及電子、機械、材料、物理學、化學、生物學、醫(yī)學等多種學科與技術，應用前景廣闊。
中國在 MEMS 傳感器領域的研究較晚，但已經(jīng)成為不可或缺的力量，中國的部分專利權(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創(chuàng)新發(fā)展中的資金阻滯，又有助于引導企業(yè)或單位技術創(chuàng)新意識，從而提高我國創(chuàng)新驅(qū)動效率，促進經(jīng)濟快速而穩(wěn)健的發(fā)展 。
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