MEMS全稱是微型電子機械系統(tǒng)(Micro Electromechanical System)，利用半導體制造工藝和材料，將傳感器、執(zhí)行器、機械機構、信號處理和控制電路等集成于一體的微型器件或系統(tǒng)，其內部結構一般在微米甚至納米量級。

與傳統(tǒng)傳感器相比，MEMS傳感器具有體積小、集成化、智能化、低成本等優(yōu)點，因此已經成為傳感器演進的關鍵技術之一。

MEMS傳感器全球&中國產業(yè)鏈如何？有哪些研發(fā)&代表性的企業(yè)？MEMS在各領域的應用情況如何？

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全球MEMS產業(yè)鏈

全球MEMS傳感器產業(yè)鏈條主要集中在北美、歐洲、日本地區(qū)，其中美國、德國、日本三國占據(jù)全球傳感器產業(yè)鏈主導地位。

從上游到下游，全球MEMS傳感器產業(yè)鏈可分為研究與開發(fā) 設計 制造 封裝 測試 軟件 芯片 系統(tǒng)/應用等環(huán)節(jié)。

MEMS傳感器分類及廠家和應用

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(xiàn)不同的功能。

全球&中國MEMS傳感器廠商營收排行

從全球MEMS傳感器產業(yè)鏈看，博世以115億元的營收穩(wěn)居第一，博通以79.61億元占據(jù)第二，兩者遙遙領先其他MEMS傳感器廠商。

中國廠商MEMS業(yè)務營收相比全球巨頭仍有一定差距，歌爾微電子MEMS業(yè)務營收約31億元、瑞聲科技11億元、高德紅外5.6億元，為中國MEMS營收前三甲企業(yè)。

全球MEMS產業(yè)鏈器件占比

根據(jù)Yole 的《2021MEMS產業(yè)動態(tài)》報告，MEMS 按產品線劃分，占主導地位的是MEMS射頻器件17.01%，壓力傳感器占比14.68%，慣性組合傳感器占比12.48%，聲學傳感器占比11.46%，這四大器件為MEMS產業(yè)鏈中應用最多的TOP 4 領域，占比均超過10%。

除此之外，加速度傳感器占比9.42%，噴墨打印頭占比6.98%，微型熱輻射傳感器占比4.99%，陀螺儀傳感器占比4.84%，光學傳感器占比4.4%，硅基微流控制器件占比1.65%，熱電堆傳感器占比1.65%，磁傳感器占比1.46%，其他種類MEMS共計占比8.97%。

以上為全球MEMS產業(yè)鏈各器件出貨量占比情況，也代表著當前各MEMS器件的市場需求大小。

全球MEMS產業(yè)鏈最有前景的應用領域和市場

據(jù)Yole的預計，2020-2026年MEMS終端市場將以7.2%的年復合增長率增長。其中，消費領域是最大的MEMS應用市場，約占全球 MEMS 收入的 60%，到2026年約有112.7億美元的市場。其次是汽車，汽車對MEMS的需求將從2020年的20.3億美元上升到28.6億美元。剩下的應用市場還有工業(yè)領域、醫(yī)療、電信、國防與航空航天等。

從MEMS器件方面來看，Yole預計，整體MEMS器件市場在2020年至2026年將以7.2%的年復合增長率增長，到2026年全球MEMS器件市場空間將達到182億美元。在這其中，射頻MEMS器件占大頭，到2026年射頻MEMS器件大約有40.4億美元的市場空間，壓力MEMS器件大約是23.62億美元，慣性器件約有21.27億美元，麥克風MEMS約是18.71億美元，然后是加速器、噴墨頭、光學、微型測輻射熱儀、陀螺儀、微流體等等。

全球MEMS產業(yè)發(fā)展歷史：3次產業(yè)化浪潮

MEMS 起源可追溯至 20 世紀 50 年代，硅的壓阻效應被發(fā)現(xiàn)后，學者們開始了對硅傳感器的研究。然而，MEMS 產業(yè)真正發(fā)展始于 20 世紀 80 年代，前后經歷了 3 次產業(yè)化浪潮。

20 世紀 80 年代至 90 年代：1983 年 Honeywell 利用大型刻蝕硅片結構和背蝕刻膜片制作了集成壓力傳感器，將機械結構與電路集成在一個芯片內。80 年代末至 90 年代，汽車行業(yè)的快速發(fā)展，汽車電子應用如安全氣囊、制動壓力、輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)等需求增長，巨大利潤空間驅使歐洲、日本和美國的企業(yè)大量生產 MEMS，推動了 MEMS 行業(yè)發(fā)展的第一次浪潮。

20 世紀 90 年代末至 21 世紀初：本階段早期，噴墨打印頭和微光學器件的巨大需求促進了 MEMS 行業(yè)的發(fā)展。而 2007 年后，消費電子產品對 MEMS 的強勁需求，手機、小家電、電子游戲、遠程控制、移動互聯(lián)網(wǎng)設備等消費電子產品要求體積更小且功耗更低的 MEMS 相關器件，對 MEMS 產品需求更大，掀起了 MEMS 行業(yè)發(fā)展的第二次產業(yè)化浪潮，并將持續(xù)推動 MEMS 行業(yè)向前發(fā)展。

2010 年至今：產品應用的擴展，使 MEMS 行業(yè)呈現(xiàn)新的趨勢。MEMS 產品逐步應用于物聯(lián)網(wǎng)、可穿戴設備等新領域，應用場景日益豐富，正漸漸覆蓋人類生活的各個維度。此外，MEMS 是當前移動終端創(chuàng)新的方向，新的設備形態(tài)（如可穿戴設備）需要更加微型化的器件和更為便捷的交互方式。

然而，物聯(lián)網(wǎng)、可穿戴設備應用助推 MEMS 第三次產業(yè)化浪潮的同時，行業(yè)仍然面臨來自產品規(guī)格、功率消耗、產品整合以及成本等方面的壓力，MEMS 產品及相關技術亟待持續(xù)改進，以滿足更小、更低能耗、更高性能的需求。

一、MEMS 傳感器在智能手機領域的應用

1. 光線傳感器

說到手機中的傳感器，首先要說的就是光線傳感器，它就好比手機的眼睛。我們人類的眼睛可以在不同光線的環(huán)境下，調整進入眼睛的光線。而光線傳感器則可以讓手機感測環(huán)境光線的強度，用來調節(jié)手機屏幕的亮度。

原理：光敏三極管，接受外界光線時，會產生強弱不等的電流，從而感知環(huán)境光亮度。

應用：通常用于調節(jié)屏幕自動背光的亮度，白天提高屏幕亮度，夜晚降低屏幕亮度，使得屏幕看得更清楚，同時不刺眼；可用于拍照時調節(jié)自動白平衡；用光線傳感器來協(xié)助調整屏幕亮度，能進一步達到延長電池壽命的作用；光線傳感器也可搭配其他傳感器一同來偵測手機是否被放置在口袋中，以防止誤觸。

產品代表：ST （意法半導體）——OPT3007

超薄環(huán)境光傳感器，傳感器的精密光譜響應與人眼的明視響應高度匹配。

應用手機：蘋果iPhone XR、vivo X23、華為Mate 20、三星GALAXY Note 9等。

2. 距離傳感器

光線傳感器和距離傳感器一般都是放在一起，位于手機屏幕聽筒周圍。這樣就存在一個問題，手機屏幕上方開太多洞或黑色長條不太好看，各大手機廠商都一直在想方設法減少開孔或者隱藏開孔。

原理：紅外LED燈發(fā)射紅外線，被物體反射后，紅外探測器通過接收到紅外線的強度，測定距離。距離傳感器同時擁有發(fā)射和接受裝置，一般體積較大。

應用：檢測手機是否貼在耳朵上正在打電話，以便自動關閉屏幕達到省電的目的；也可用于皮套、口袋模式下自動實現(xiàn)解鎖與鎖屏動作。

產品代表：TAOS——TMD2772

主要由紅外發(fā)射、光線接收、模數(shù)轉化、I2C接口等幾部分組成。

3.重力傳感器

原理：利用壓電效應實現(xiàn)，傳感器內部一塊重物和壓電片整合在一起，通過正交兩個方向產生的電壓大小，來計算出水平方向。

應用：手機橫豎屏智能切換；拍攝照片方向；重力感應類游戲，例如平衡球、賽車游戲等。

產品代表：蘋果研發(fā)的重力感應設備。

4. 加速度傳感器

原理：加速度傳感器是多個維度測算的，主要測算一些瞬時加速或減速的動作。功耗更小，但是精度低。

應用：計步，加速度傳感器可以檢測交流信號以及物體的振動。人在走動的時候會產生一定規(guī)律性的振動，而加速度傳感器可以檢測振動的過零點，從而計算出人所走的步或跑步所走的步數(shù)，從而計算出人所移動的位移，并且利用一定的公式可以計算出卡路里的消耗；日常應用中的一些甩動切歌、翻轉靜音等。

產品代表：ST意法半導體——LSM330D

可測量250dps至2000dps的俯仰、滾轉和偏航軸角速度。

5. 磁場傳感器

原理：各向異性磁致電阻材料，感受到微弱的磁場變化時會導致自身電阻產生變化，所以手機要旋轉或晃動幾下才能準確指示方向。

應用：指南針、地圖導航方向、金屬探測器APP。

產品代表：ADI（亞德諾）——ADA4571

對氣隙變化的敏感度非常小。

6. 陀螺儀

原理：角動量守恒，一個正在高速旋轉的物體(陀螺)，它的旋轉軸沒有受到外力影響時，旋轉軸的指向是不會有任何改變的。陀螺儀就是以這個原理作為依據(jù)，用它來保持一定的方向。一般手機里標配的是三軸陀螺儀，可追蹤6個方向的位移變化。

應用：一些射擊或賽車游戲；3D拍照、全景導航等。

產品代表：NXP（恩智浦）——FXAS21002C

3軸數(shù)字陀螺儀，適用于游戲控制器、電子羅盤穩(wěn)定、增強運動控制等應用。

7. GPS

原理：手機GPS模塊通過天線接收GPS衛(wèi)星傳送的信息。模塊中的芯片根據(jù)高速運動的衛(wèi)星瞬間位置作為起算數(shù)據(jù)，根據(jù)衛(wèi)星發(fā)射坐標的時間戳與接收時的時間差計算出衛(wèi)星與手機的距離，采用空間距離后方交會的方法，確定待測點的位置坐標。

應用：地圖、導航、測速、測距。

產品代表：Fastrax——UP501

可以在惡劣條件下進行高性能的導航，甚至在較低的GPS衛(wèi)星可見度環(huán)境下實現(xiàn)穩(wěn)定的定位。

8. 指紋傳感器

目前，電容式指紋識別和超聲波指紋識別應用比較廣泛。

電容指紋傳感器原理：手指構成電容的一極，另一極是硅晶片陣列，通過人體帶有的微電場與電容傳感器間形成微電流，指紋的波峰波谷與感應器之間的距離形成電容高低差，從而描繪出指紋圖像。

超聲波指紋傳感器原理：利用超聲波，直接掃描并測繪指紋紋理。超聲波獲得的指紋是3D立體的，而電容指紋是2D平面的。超聲波不僅識別速度更快、而且不受汗水油污的干擾、指紋細節(jié)更豐富難以破解。

應用：加密、解鎖、支付等。

產品代表：新思科技——Clear ID FS9500

僅有1.55mm，能夠直接放置在柔性屏幕下邊或直接集成在屏幕中。

9. 霍爾感應器

原理：霍爾磁電效應，當電流通過一個位于磁場中的導體的時候，磁場會對導體中的電子產生一個垂直于電子運動方向上的的作用力，從而在導體的兩端產生電勢差。

應用：自動解鎖、自動鎖屏等。

產品代表：Diodes——AH1883

卓越的溫度穩(wěn)定性，對身體壓力不敏感。

10. 氣壓傳感器

原理：分為變容式或變阻式氣壓傳感器，將薄膜與變阻器或電容連接起來，氣壓變化導致電阻或電容的數(shù)值發(fā)生變化，從而獲得氣壓數(shù)據(jù)。

應用：GPS計算海拔會有十米左右的誤差，氣壓傳感器主要用于修正海拔誤差(將至1米左右)，當然也能用來輔助GPS定位立交橋或樓層位置。

產品代表：TI（德州儀器）——BMP180

高精度、小體積、超低能耗的氣壓傳感器。

二、MEMS 傳感器在汽車領域的應用

隨著汽車安全應用與降低碳排放的關注度日益提升，MEMS 傳感器在汽車電子領域的滲透率逐漸提高，除此之外，無人駕駛等新興技術也推動著MEMS 傳感器進一步普及。

2010 年全球平均每輛汽車包含9.2 個傳感器，中國汽車含有5 個，但中國擴大部署安全氣囊和輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)(TPMS)，將推動中國汽車平均傳感器數(shù)量到2015 年增加到10 個，在每輛汽車中，光TPMS 系統(tǒng)就要使用4.2 個汽車MEMS 傳感器，目前中國已超越日本成為第三大汽車MEMS 市場。

目前汽車上常見的傳感器有加速度計、陀螺儀、電子羅盤、氣壓計、紅外傳感器、超聲波傳感器、激光測距儀、雷達傳感器等。

應用于汽車的MEMS 傳感器

三、MEMS 傳感器在可穿戴設備領域的應用

在可穿戴智能設備上，傳感器的使用更為廣泛。Apple Watch 配置的MEMS 傳感器超

過十種。

• 加速度傳感器：測量身體運動，并且可以記錄用戶步數(shù)以及睡眠習慣。
• 陀螺儀：可以偵測轉動，此外，陀螺儀還能讓iWatch“感知”用戶，比如舉起手腕準備看表時，屏幕自動亮起。
• 磁力計：可以用來提升運動追蹤的準確性。
• 晴雨表/氣壓傳感器：提供更準確的天氣數(shù)據(jù)，感知海拔高度的變化
• 環(huán)境溫度傳感器：提供更準確的生物數(shù)據(jù)
• 心率監(jiān)控儀：進行心率監(jiān)控
• 血氧傳感器：測量血氧值，對于準確的脈搏率檢測至關重要
• 皮膚電導傳感器：計算用戶的排汗量
• 皮膚溫度傳感器：可以幫助用戶了解自己的健身強度
• GPS：GPS 可以幫助我們了解自己要去哪里，去過哪里

應用于Apple Watch 的MEMS 傳感器

四、MEMS 傳感器在物聯(lián)網(wǎng)領域的應用

物聯(lián)網(wǎng)（IoT）是把任何物品與互聯(lián)網(wǎng)連接起來，進行信息交換和通訊，以實現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡。簡而言之，物聯(lián)網(wǎng)就是“物物相連的互聯(lián)網(wǎng)”。

傳感器作為物聯(lián)網(wǎng)三大層次結構之一的感知層的重要組成部分，將現(xiàn)實世界中的物理量、化學量、生物量等轉化成可供處理的數(shù)字信號，是實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的基礎和前提，同時MEMS（微機電）技術作為支撐技術，在物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展中起著至關重要的作用。

MEMS 的傳感器發(fā)展共經歷了三個階段，分別對應不同的驅動力。2000 年左右是汽車電子、2007 年左右是智能手機、2013 年左右是可穿戴設備，下一個驅動MEMS 的傳感器發(fā)展的動力是物聯(lián)網(wǎng)，業(yè)界預測全球傳感器需求有望從當前的百億級激增到2025年的Trillion-Sensor（TSensor，萬億-傳感器）量級。

MEMS 發(fā)展線路圖

MEMS 技術在可穿戴設備、智能家居、醫(yī)療、工業(yè)4.0、智能汽車、智慧城市等IOT 細分領域都有廣泛的應用，常見的MEMS 傳感器諸如麥克風、體聲波濾波器、壓力傳感器、溫度傳感器等都存在豐富的應用場景。

MEMS 產品在IOT 應用廣泛

五、MEMS傳感器在無人機的應用

1、加速度計：加速度計用于確定位置和無人機的飛行姿態(tài)。像任天堂Wii控制器或iPhone屏幕位置，這些小的MEMS傳感器在維持飛行控制中起到關鍵的作用。MEMS加速度傳感器有多種方式感知運動姿態(tài)，一種類型的技術能夠感知微型集成電路的微小運動。另一種加速度計的技術為熱對流技術，沒有移動部件，而是通過一個“熱氣團”的位移來感知的運動變化。這類傳感器靈敏度較高，在穩(wěn)定車載攝像機、電影制作等應用起著至關重要的作用。

2、慣性測量單元：慣性測量單元結合GPS是維持方向和飛行路徑的關鍵。隨著無人機智能化的發(fā)展，方向和路徑控制是重要的空中交通管理規(guī)則。慣性測量單元采用的多軸磁傳感器，在本質上都是精準度極高的小型指南針，通過感知方向將數(shù)據(jù)傳輸至中央處理器，從而指示方向和速度。

3、傾角傳感器：傾角傳感器，集成了陀螺儀和加速度計為飛行控制系統(tǒng)提供保持水平飛行的數(shù)據(jù)。這類傳感器和陀螺儀，結合加速度計，能夠測量到細微的運動變化，使得傾角傳感器能夠應用于移動程序，如汽車或無人駕駛飛機的陀螺儀補償。

4、大氣監(jiān)測傳感器：空氣質量的好壞，是人們最關注的一個話題。實時監(jiān)測空氣質量好壞，大氣污染程度已經成為一個熱點，當然大氣監(jiān)測傳感器在其中就起著至關重要的作用。目前 煒盛科技的大氣監(jiān)測傳感器已被廣泛應用于城市大氣環(huán)境監(jiān)測、工廠廠區(qū)無組織排放污染氣體監(jiān)測以及環(huán)境評價監(jiān)測等。可監(jiān)測多種氣體，包括：臭氧、一氧化碳、 二氧化硫、二氧化氮等。

5、電流傳感器：無人機上的電能消耗和使用非常重要，尤其是在電池供電的情況下。電流傳感器可用于監(jiān)測和優(yōu)化電能消耗，確保無人機內部電池充電和電機故障檢測系統(tǒng)的安全。電流傳感器工作通過測量電流（雙向），理想的情況下提供電氣隔離，以減少電能損耗和消除電擊損壞用戶系統(tǒng)的機會。

6、磁傳感器：在無人機，電子羅盤提供關鍵性的慣性導航和方向定位系統(tǒng)的信息?；诟飨虍愋源抛瑁ˋMR）技術的傳感器，較其他傳感器相比有明顯的地功耗優(yōu)勢，同時具有高精度、響應時間短等特點，非常適用于無人機的應用。

7、發(fā)動機進氣流量傳感器：流量傳感器可以用于有效地監(jiān)測電力無人機燃氣發(fā)動機的微小空氣流速。許多氣體發(fā)動機質量流量傳感器都采用熱式技術，主要利用加熱的元件和至少一個溫度傳感器來量化質量流量。MEMS熱式氣體質量流量傳感器也在微計量范圍內利用熱原理及其適用于對重量要求較高的領域。

六、MEMS傳感器在智慧工業(yè)時代的應用

智能工廠利用物聯(lián)網(wǎng)技術加強信息管理和服務，掌握產銷流程、提高生產過程的可控性、減少生產線上人工的干預、及時正確地采集生產線數(shù)據(jù)，以合理的安排生產計劃與生產進度，并優(yōu)化供應鏈。傳感器應用非常廣泛，工業(yè)生產各個環(huán)節(jié)都需要傳感器進行監(jiān)測，并把數(shù)據(jù)反饋給控制中心，以便對出現(xiàn)異常節(jié)點進行及時干預，保證工業(yè)生產正常進行。

業(yè)界普遍認為，新一代的智能傳感器是智能工業(yè)的“心臟”，它讓產品生產流程持續(xù)運行，并讓工作人員遠離生產線和設備，保證人身安全和健康。

智能工廠應用場景

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)機器人的導航和轉動提供精確的位置信息。

來源：傳感器專家網(wǎng)、ittbank、半導體行業(yè)觀察（由動感傳感匯編，轉載請注明傳感器專家網(wǎng)）

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